Зависимость температуры пара от давления: основные свойства

Зависимость температуры насыщенного пара от давления - фундаментальный физический процесс, лежащий в основе работы паровых машин и турбин. Понимание этой зависимости позволяет оптимизировать КПД тепловых двигателей и сэкономить топливо.

Определение насыщенного пара

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Количество молекул жидкости, покидающих ее в единицу времени, в среднем равно количеству молекул пара, возвращающихся обратно в жидкое состояние.

Динамическое равновесие между жидкостью и паром определяет свойства насыщенного пара.

Важное свойство насыщенного пара заключается в том, что его давление не зависит от занимаемого объема:

• При сжатии насыщенного пара избыточное количество молекул конденсируется обратно в жидкость, восстанавливая равновесие
• Плотность пара снова достигает первоначального значения, определяемого динамическим равновесием с жидкостью

В отличие от идеального газа, давление насыщенного пара зависит от температуры нелинейно, пока не испарится вся жидкость:

1. Рост давления обусловлен также увеличением концентрации пара
2. После полного испарения жидкости зависимость становится линейной как у идеального газа

Для большинства веществ экспериментально получены значения давлений насыщенных паров при различных температурах. Эти данные приведены в справочных таблицах :

Механизм процесса кипения

Кипение – это интенсивное парообразование, протекающее по всему объему жидкости. Рассмотрим механизм этого процесса:

• В воде есть растворенные газы, растворимость которых падает с ростом температуры
• Образуются микропузырьки газа, цепляющиеся за неровности стенок сосуда
• В пузырьки диффундирует пар, достигая состояния насыщения
• Пузырьки насыщенного пара всплывают, увеличиваясь в объеме, и лопаются у поверхности

Условием всплытия пузырьков является превышение давлением насыщенного пара атмосферного:

p_{нас.пара} ≥ p_атм

Отсюда температура кипения зависит от внешнего давления. Это свойство используется в паровых машинах и турбинах:

• Пар под высоким давлением расширяется, совершая механическую работу
• За счет понижения давления температура падает ниже точки кипения
• Пар конденсируется, замыкая термодинамический цикл

Теплота парообразования

Теплота парообразования - это количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, равной температуре кипения. Она рассчитывается по формуле:

Q = r·m

где Q - теплота парообразования, r - удельная теплота парообразования , а m - масса испарившейся жидкости. Для разных веществ значения удельной теплоты парообразования приводятся в справочных таблицах.

Перегретый пар

Перегретый пар - это пар, имеющий температуру выше температуры насыщенного пара при данном давлении. Такой пар получают путем дополнительного подогрева насыщенного пара без изменения давления.

Основные свойства перегретого пара:

• Более высокая температура по сравнению с насыщенным паром при том же давлении
• Отсутствие влаги
• Увеличенная теплоемкость и большая способность переносить тепло

Критическое состояние пара

Существует критическое состояние пара, при котором исчезает различие между жидкостью и паром. Для воды оно достигается при давлении 22,1 МПа и температуре 374,15°C.

При нагреве воды выше критической температуры происходит плавный подогрев пара без фазового перехода. Это свойство используется в паровых котлах для получения перегретого пара при сверхкритических параметрах.

Практическое применение пара

На практике водяной пар широко используется в паровых машинах и турбинах. Применяется также паровое отопление, нагрев теплоносителей в теплообменниках. Кроме того, пар находит применение в различных технологических процессах.

Диаграмма состояния водяного пара

Для наглядного представления свойств водяного пара используется диаграмма состояния - график зависимости параметров пара от температуры и давления. На ней можно проследить изменение агрегатных состояний воды.

Ниже линии насыщения находится область существования жидкой воды, выше - водяного пара. Критическая точка разделяет области насыщенного и перегретого пара.

Теплоемкость насыщенного пара

Теплоемкость насыщенного пара - это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы пара на 1 градус. Зависит от давления и слабо меняется с ростом температуры.

Большая теплоемкость обеспечивает эффективность использования насыщенного пара в системах теплоснабжения и отопления.

Скрытая теплота парообразования

Скрытая теплота парообразования выделяется при конденсации пара и численно равна теплоте его парообразования, но имеет противоположный знак:

r = -q_пар

Благодаря скрытой теплоте обеспечивается эффективность теплообменных аппаратов, работающих по принципу конденсации пара.

Пути оптимизации циклов тепловых машин

Для повышения КПД паротурбинных установок можно использовать следующие методы:

• Подогрев питательной воды отработавшим паром
• Промежуточный перегрев пара
• Регенерация теплоты конденсата

Их применение, основанное на знаниях свойств водяного пара, позволяет экономить топливо в энергетике.