Водяной пар, или газообразная фаза воды, играет важнейшую роль в природных процессах на Земле. Он участвует в круговороте воды, формировании погоды и климата. Но что представляет собой этот невидимый газ? Давайте разберемся!
Физические свойства водяного пара
Водяной пар - это вода в газообразном состоянии. В отличие от видимого "пара", вырывающегося из чайника, собственно водяной пар невидим невооруженным глазом. Количество водяного пара в воздухе называется влажностью. Когда влажность достигает 100%, происходит конденсация пара в мельчайшие капельки, образующие туман и облака.
Водяной пар составляет около 90% парникового эффекта Земли. Он поддерживает температуру, необходимую для существования жизни.
При дальнейшем охлаждении облачных капель на высоте около 2 км выпадают осадки в виде дождя или снега. Так водяной пар участвует в круговороте воды на нашей планете.
Химический состав и формула водяного пара
Несмотря на способность воды существовать в разных агрегатных состояниях, ее химическая формула не меняется. У водяного пара такая же молекулярная формула H2O, как и у жидкой воды.
Молекула водяного пара состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Эти атомы соединены ковалентными связями и располагаются в пространстве под углом 104,5° в виде равностороннего треугольника:
- основание треугольника - 2 атома H
- в вершине - атом O
В отличие от молекулярной структуры жидкой воды, где отдельные молекулы H2O связаны между собой, пар представляет собой отдельные "одиночные" молекулы.
Свойства насыщенного водяного пара
Насыщенным называют водяной пар, находящийся в равновесии с жидкой или твердой фазой воды. Его давление зависит только от температуры и не изменяется при дальнейшем увеличении массы пара.
При нормальном атмосферном давлении вода закипает при +100°C, превращаясь в насыщенный пар. Давление такого насыщенного водяного пара при этой температуре составляет 1 атм или 101 кПа.
Для расчета давления насыщенного пара формула имеет вид:
po = η • k • T
где η - коэффициент, k - постоянная Больцмана, T - температура (К).
Зная зависимость свойств водяного пара от температуры, можно управлять работой паровых двигателей, турбин и другого оборудования.
Получение и применение водяного пара
Существует несколько способов получения водяного пара:
- Нагрев воды до температуры кипения (100°C при атмосферном давлении).
- Сжигание водорода в присутствии кислорода - реакция образования воды.
- Химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, достаточной для испарения воды.
- Адиабатное расширение перегретого или сжатого водяного пара и т.д.
Водяной пар находит широкое применение благодаря высокой скрытой теплоте парообразования:
- Источник энергии в паровых двигателях и турбинах
- Теплоноситель в системах отопления и горячего водоснабжения
- Стерилизация и пастеризация продуктов в пищевой промышленности
- Обеззараживание медицинских инструментов и белья
- Использование в бытовых приборах типа утюга, парогенератора и др.
С развитием промышленности объем применения водяного пара постоянно растет. При этом ученые ищут новые более экологичные способы его использования.
История изучения водяного пара
Еще древние философы выделяли воду как одну из основных стихий мироздания. Однако представления о составе и свойствах воды на протяжении веков сильно изменялись.
В 1781 году Г. Кавендиш описал получение воды при сжигании водорода. А в 1783 г. А. Лавуазье доказал, что вода является соединением газов водорода и кислорода. В первой половине 19 века был точно установлен количественный состав воды, соответствующий формуле H2O.
Первые исследования фазовых переходов воды принадлежат М. Фарадею. В 1859 г. он изучал свойства водяного пара и его сжижение под давлением. Физические свойства пара интенсивно изучал Дж. Томсон. Он ввел понятие абсолютной температуры и нашел в 1873 году уравнение, связывающее давление и температуру насыщенного пара.
Промышленная революция и водяной пар
Изобретение паровой машины Джеймсом Уаттом в 1765 году положило начало технической революции. Пар стали активно использовать для привода различных механизмов и машин в промышленности. Эта технология и сейчас лежит в основе выработки около 80% всей электроэнергии в мире.
Водяной пар в быту
С начала 20 века водяной пар нашел широкое применение в бытовой технике и на производстве. Изобретение электричества позволило использовать пар не только в крупной промышленности, но и упростить его получение в бытовых целях.
Всем известные бытовые приборы - утюги, пароварки, парогенераторы для уборки - работают именно за счет водяного пара. Он позволяет эффективно и безопасно выполнять многие операции в жилых и офисных помещениях.
Паровое отопление - вчера и сегодня
Еще в 1930-1950-х годах водяной пар широко использовался для отопления зданий через систему радиаторов и труб. На смену громоздким паровым котлам пришли современные водяные системы центрального отопления.
Тем не менее водяной пар до сих пор применяется при необходимости передачи тепла на большие расстояния. А с развитием технологий появляются компактные и экологичные котлы на водяном паре.
Экологические аспекты использования водяного пара
Несмотря на кажущуюся экологичность, тепловые электростанции, работающие на водяном паре, оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
При сжигании органического топлива для получения пара в атмосферу выбрасывается углекислый газ, усиливающий парниковый эффект. Кроме того, в выбросах содержатся оксиды серы и азота, тяжелые металлы.
Альтернативные способы использования водяного пара
Чтобы снизить вредное влияние на экологию, разрабатываются альтернативные технологии получения водяного пара без сжигания ископаемого топлива:
- Использование солнечной энергии для нагрева воды в парогенераторах;
- Применение геотермальной энергии недр Земли;
- Использование энергии морских приливов и волн;
- Разложение биомассы или отходов.
Парниковый эффект и водяной пар
Хотя водяной пар и усиливает естественный парниковый эффект атмосферы, ограничивать его выбросы нецелесообразно.
Во-первых, основная доля парникового эффекта обусловлена углекислым газом, метаном и закисью азота.
Во-вторых, снижение количества водяного пара в атмосфере нарушит водный баланс и круговорот воды в природе со всеми вытекающими последствиями.
Перспективные области применения водяного пара
И в наши дни водяной пар остается уникальным рабочим веществом, незаменимым во многих отраслях. Ученые ведут разработки по расширению сфер его применения:
- Новые типы паровых турбин и тепловых насосов;
- Термохимические циклы разложения воды с использованием солнечной энергии;
- Очистка и стерилизация воздуха в помещениях;
- Технологии орошения почвы на основе водяного пара и др.
Статья посвящена разностороннему анализу свойств водяного пара, имеющего такую же химическую формулу H2O, как и жидкая вода. Рассмотрены особенности молекулярного строения, физические и термодинамические характеристики газообразной фазы воды.
