При слове "пар", я вспоминаю времена, когда ещё учился в начальных классах. Тогда, приходя из школы домой, родители начинали готовить обед, и ставили кастрюлю с водой на газовую плиту. И уже через десять минут, в кастрюльке начинали появляться первые пузырьки. Этот процесс всегда меня завораживал, мне казалось, что я могу смотреть на это вечно. А потом, через некоторое время после появления пузырьков, начинал идти сам пар. Однажды, я спросил маму: "А откуда идут эти белые тучки?" (Так раньше я их называл). На что она мне отвечала: "Это всё происходит из-за нагрева воды". Хотя ответ и не давал полного представления о процессе возникновения пара, на уроках школьной физики я узнал о паре всё, что хотел. Итак...

Что же есть водяной пар

С научной точки зрения, водяной пар - просто одно из трёх физических состояний самой воды . Он, как известно, возникает при нагревании воды. Как и она сама, пар не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Но не все знают, что клубы пара обладают своим давлением, которое зависит от его объёма. А выражается оно в паскалях (в честь небезызвестного учёного).

Водяной пар окружает нас не только, когда мы варим что-нибудь на кухне. Он постоянно содержится в уличном воздухе и атмосфере. И его процент содержания называется "абсолютной влажностью".

Факты о водяном паре и его особенности

Итак, несколько интересных моментов:

• чем выше температура , которая действует на воду, тем быстрее идёт процесс испарения;
• помимо этого, скорость испарения увеличивается с размерами площади поверхности, на которой эта вода находится. Другими словами, если мы начнём нагревать небольшой водный слой на широкой металлической чашке, то испарение пройдет весьма быстро;
• для жизни растений нужна не только жидкая вода, но и газообразная . Объяснить этот факт можно тем, что с листьев любого растения постоянно идут испарения, охлаждающие его. Попробуйте в знойный день потрогать лист дерева – и вы заметите, что он прохладный;
• то же самое касается человека, с нами работает та же система, что и с растениями выше. Испарения охлаждают нашу кожу в жаркий день . Удивительно, но даже при небольших нагрузках, наш организм покидает около двух литров жидкости в час. Что уж тут говорить про усиленные нагрузки и знойные летние деньки?

Вот таким образом можно описать сущность пара и его роль в нашем мире. Надеюсь, вы открыли для себя много интересного!

Свойства водяного пара

В качестве реального газа рассмот­рим водяной пар, который широко ис­пользуется во многих отраслях техники, и, прежде всего в теплоэнергетике, где он является основным рабочим телом. По­этому исследование термодинамических свойств воды и водяного пара имеет большое практическое значение.

Во всех областях промышленного производства получили большое применение пары различных веществ: воды, аммиака, углекислоты и др. Из них наибольшее распространение получил водяной пар, яв­ляющийся рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках и т. п.

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообраз­ное называется парообразованием. Испарением называется парообра­зование, которое происходит всегда при любой температуре со свобод­ной поверхности жидкости или твердого тела. Процесс испарения за­ключается в том, что отдельные молекулы с большими скоростями преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.

Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и внутри её.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое называется конденсацией. Процесс конденсации, так же как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не меняется. Жидкость, полученную при конденсации пара, называют конденсатом.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар назы­вается сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состоя­ние называется десублимацией.

Процесс парообразования. Основные понятия и определения. Рассмотрим про­цесс получения пара. Для этого 1 кг во­ды при температуре О °С поместим в ци­линдр с подвижным поршнем. Приложим к поршню извне некоторую постоянную силу Р. Тогда при площади поршня Fдавление будет постоянным и равным р = Р/F. Изобразим процесс парообразо­вания, т. е. превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, в р,v диаграмме (рис.14).

Начальное состояние воды, находя­щейся под давлением р и имеющей тем­пературу 0 °С, изобразится на диаграм­ме точками a 1 , a 2 , a 3. При подводе теплоты к воде ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температу­ры кипения t s , соответствующей данному давлению. При этом удельный объем жидкости сначала уменьшается, дости­гает минимального значения при t = 4°С, а затем начинает возрастать. (Такой аномалией - увеличением плот­ности при нагревании в некотором диа­пазоне температур - обладают немногие жидкости). У большинства жидкостей удельный объем при нагревании увели­чивается монотонно.) Состояние жидко­сти, доведенной до температуры кипения, изображается на диаграмме точками b 1 , b 2 , b 3 .

При дальнейшем подводе теплоты начинается кипение воды с сильным увеличением объема. В цилиндре теперь на­ходится двухфазная среда - смесь воды и пара, называемая влажным насы­щенным паром. Насыщенным называется пар, находящийся в термическом и динамиче­ском равновесии с жидкостью, из кото­рой он образуется. Динамическое равно­весие заключается в том, что количество молекул, вылетающих из воды в паровое пространство, равно количеству молекул, конденсирующихся на ее поверхности. В паровом пространстве при этом равно­весном состоянии находится максималь­но возможное при данной температуре число молекул. При увеличении темпера­туры количество молекул, обладающих энергией, достаточной для вылета в па­ровое пространство, увеличивается. Рав­новесие восстанавливается за счет воз­растания давления пара, которое ведет к увеличению его плотности и, следова­тельно, количества молекул, в единицу времени конденсирующихся на поверхности воды. Отсюда следует, что давление насыщенного пара является монотонно возрастающей функцией его температу­ры, или, что то же самое, температура насыщенного пара есть монотонно воз­растающая функция его давления.

При увеличении объема над повер­хностью жидкости, имеющей температу­ру насыщения, некоторое количество жидкости переходит в пар, при уменьше­нии объема «излишний» пар снова пере­ходит в жидкость, но в обоих случаях давление пара остается постоянным.

Если парообразование жидкости происходит в неограниченном пространстве, то вся она может превратиться в пар. Если же паро­образование жидкости происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над ней, при этом часть молекул, движущихся в паровом пространстве над по­верхностью, возвращается обратно в жидкость. В некоторый момент между парообразованием и обратным переходом молекул из пара в жидкость может наступить равенство, при котором число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В этот момент в пространстве над жидкостью бу­дет находиться максимально возможное количество молекул. Пар в этом состоянии принимает максимальную плотность при данной тем­пературе и называется насыщенным.

Таким образом, пар, соприкасающийся с жидкостью и находящий­ся в термическом с ней равновесии, называется насыщенным. С изме­нением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая со­ответствующее изменение плотности и давления насыщенного пара.

Двухфазная смесь, представляющая собой пар с взвешенными в нем капель­ками жидкости, называется влажным насыщенным паром . Таким образом, влажный насыщенный водяной пар можно рассматривать как смесь сухого насыщенного пара с мельчайши­ми капельками воды, взвешенными в его массе.

Массовая до­ля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости па­ра и обозначается буквой х. Массовая доля кипящей воды во влажном паре, равная 1-х, называется степенью влажности. Для кипящей жидкости x = 0, а для сухого насыщенного пара х= 1. Состояние влажного пара характе­ризуется двумя параметрами: давлением (или температурой насыщения t s , опре­деляющей это давление) и степенью су­хости пара.

По мере подвода теплоты количество жидкой фазы умень­шается, а паровой - растет. Температу­ра смеси при этом остается неизменной и равной t s , так как вся теплота расходу­ется на испарение жидкой фазы. Следо­вательно, процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим. Наконец, последняя капля во­ды превращается в пар, и цилиндр ока­зывается заполненным только паром, ко­торый называется сухим насыщен­ным.

Насыщенный пар, в котором отсут­ствуют взвешенные частицы жидкой фа­зы, называется сухим насыщенным паром. Его удельный объем, и темпера­тура являются функциями давления. По­этому состояние сухого пара можно за­дать любым из параметров - давлением, удельным объемом или температурой.

Состояние его изображается точ­ками c 1 , с 2 , с 3 .

Точками изображается перегретый пар. При сообщении сухому пару теплоты при том же давлении его температура будет увеличиваться, пар будет перегре­ваться. Точка d (d 1 , d 2 , d 3) изображает состояние перегретого пара и в зависимости от температуры пара может лежать на разных расстояниях от точки c.

Таким образом, перегретым называется пар, температура которого превышает температуру насыщенного пара того же давления.

Так как удельный объем перегретого пара при том же давлении больше, чем насыщенного, то в единице объема пере­гретого пара содержится меньшее коли­чество молекул, значит, он обладает меньшей плотностью. Состояние перегретого пара, как и любого газа, определя­ется двумя любыми независимыми пара­метрами.

Процесс получения сухого насыщенного пара при постоянном давлении изображается в общем случае графиком abc, а перегретого пара в общем случае - графиком abсd, при этом ab - процесс подогрева воды до температуры кипения, bс - процесс парообразования, протекающий одновременно при постоянном давлении и при постоянной температуре, т. е. процесс bс являет­ся изобарным и одновременно изотермическим и, наконец, cd - процесс перегрева пара при постоянном давлении, но при воз­растающей температуре. Между точками b и с находится влаж­ный пар с различными промежуточными значениями степени сухости.

Кривая I холодной воды изображается линией, параллельной оси ординат, если исходить из предположения, что вода несжи­маема и, следовательно, удельный объем воды почти не зависит от давления. Кривую II называют нижней пограничной кривой, или кривой жидкости, а кривую III - верх­ней пограничной кривой, или кривой сухого насыщенного пара. Кривая II отделяет на диаграмме область жидкости от области насыщенных паров, а кривая III - область насыщенных от области перегретых паров.

Точки а 1 , а 2 и а 3 , изображающие состояние 1 кг холодной воды при температуре 0°С и разных давлениях, располагаются прак­тически на одной вертикали. Точки b 1 , b 2 и b 3 с увеличением дав­ления смещаются вправо, так как при этом соответственно уве­личиваются также температуры кипения t H и, следовательно, удельные объемы кипящей воды. Точки c 1 , с 2 и с 3 смещаются влево, так с увеличением давления удельный объем пара умень­шается несмотря на возрастание температуры.

Из pv -диаграммы видно, что с повышением давления точки b 1 , b 2 и b 3 и c 1 с 2 и с 3 сближаются, т. е. постепенно уменьшается разность удельных объемов сухого насыщенного пара и кипящей воды (отрезки bc). Наконец, при некотором давлении эта раз­ность становится равной нулю, т. е. точки б и с совпадают, а ли­нии II и III сходятся. Точка встречи обеих кривых называется критической точкой и обозначается буквой k. Состояние, соответствующее точке k, называется критическим со­стоянием.

Параметры водяного пара критического состояния следую­щие: давление р к = 225,65 ата; температура t = 374,15° С, удель­ный объем v K = 0,00326 м 3 /кг.

В критической точке кипящая вода и пар имеют одинаковые параметры состояния, а изменение агрегатного состояния не сопровождается изменением объема. Иными словами, в крити­ческом состоянии исчезает условная граница, разделяющая эти две фазы вещества. При температурах, выше критической (t > t K), никаким повышением давления перегретый пар (газ) не может быть обращен в жидкость.

Критическая температура - это мак­симально возможная температура сосу­ществования двух фаз: жидкости и на­сыщенного пара. При температурах, больших критической, возможно су­ществование только одной фазы. Назва­ние этой фазы (жидкость или перегретый пар) в какой-то степени условно и определяется обычно ее температурой. Все газы являются сильно перегретыми сверх T кр парами. Чем выше температура перегрева (при данном давлении), тем ближе пар по своим свойствам к идеаль­ному газу.

ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ

Влажностью воздуха называют содержание водяного пара в атмосфере. Водяной пар является одной из важнейших состав­ных частей земной атмосферы.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения воды с поверхности водоемов , почвы, снега, льда и растительного покрова, на что затрачивается в среднем 23 % солнечной радиации, приходящей на земную поверхность.

В атмосфере содержится в среднем 1,29 1013 т влаги (водяно­го пара и жидкой воды), что эквивалентно слою воды 25,5 мм.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами: абсолютной влажностью , парциальным давлением водяного пара, давлением насыщенного пара, относительной влажнос­тью, дефицитом насыщения водяного пара, температурой точки росы и удельной влажностью.

Абсолютная влажность а (г/м3) - количество водяного пара, выраженное в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха.

Парциальное давление (упругость) водяного пара е - фактичес­кое давление водяного пара, находящегося в воздухе, измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), миллибарах (мб) и гектопаскалях (гПа). Упругость водяного пара часто называют абсолютной влажностью. Однако смешивать эти разные понятия нельзя, так как они отражают разные физические величины ат­мосферного воздуха.

Давление насыщенного водяного пара, или упругость насыщения, Е- максимально возможное значение парциального давления при данной температуре; измеряют в тех же единицах, что и е. Упру­гость насыщения возрастает с увеличением температуры. Это зна­чит, что при более высокой температуре воздух способен содер­жать больше водяного пара, чем при более низкой температуре.

Относительная влажность f - это отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Выража­ют ее обычно в процентах с точностью до целых:

Относительная влажность выражает степень насыщения воз­духа водяными парами.

Дефицит насыщения водяного пара (недостаток насыщения) d - разность между упругостью насыщения и фактической упругос­тью водяного пара:

= E - e .

Дефицит насыщения выражают в тех же единицах и с той же точностью, что и величины е и Е. При увеличении относитель­ной влажности дефицит насыщения уменьшается и при/= 100 % становится равным нулю.

Так как Е зависит от температуры воздуха, а е - от содержа­ния в нем водяного пара, то дефицит насыщения является комп­лексной величиной, отражающей тепло - и влагосодержание воз­духа. Это позволяет шире, чем другие характеристики влажнос­ти, использовать дефицит насыщения для оценки условий про­израстания сельскохозяйственных растений.

Точка росы td (°С) - температура, при которой водяной пар, со­держащийся в воздухе при данном давлении, достигает состояния насыщения относительно химически чистой плоской поверхности воды. При/= 100 % фактическая температура воздуха совпадает с точкой росы. При температуре ниже точки росы начинается кон­денсация водяных паров с образованием туманов, облаков, а на поверхности земли и предметов образуются роса, иней, изморозь.

Удельная влажность q (г/кг) - количество водяного пара в граммах, содержащееся в 1 кг влажного воздуха:

q = 622 е/Р,

где е - упругость водяного пара, гПа; Р- атмосферное давление, гПа.

Удельную влажность учитывают в зоометеорологических рас­четах, например, при определении испарения с поверхности ор­ганов дыхания у сельскохозяйственных животных и при опреде­лении соответствующих затрат энергии.

ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ С ВЫСОТОЙ

Наибольшее количество водяного пара содержится в нижних слоях воздуха, непосредственно прилегающих к испаряющей поверхности. В вышележащие слои водяной пар проникает в ре­зультате турбулентной диффузии

Проникновению водяного пара в вышележащие слои способ­ствует то обстоятельство, что он легче воздуха в 1,6 раза (плот­ность водяного пара по отношению к сухому воздуху при 0 "С равна 0,622), поэтому воздух, обогащенный водяным паром, как менее плотный стремится подняться вверх.

Распределение упругости водяного пара по вертикали зависит от изменения давления и температуры с высотой, от процессов конденсации и облакообразования. Поэтому трудно теоретичес­ки установить точную закономерность изменения упругости во­дяного пара с высотой.

Парциальное давление водяного пара с высотой уменьшается в 4...5 раз быстрее, чем атмосферное давление. Уже на высоте 6 км парциальное давление водяного пара в 9раз меньше, чем на уровне моря. Это объясняется тем, что в приземный слой атмосферы водяной пар поступает непрерывно в результате ис­парения с деятельной поверхности и его диффузии за счет тур­булентности. Кроме того, температура воздуха с высотой пони­жается, а возможное содержание водяного пара ограничивается температурой, так как понижение ее способствует насыщению пара и его конденсации.

Уменьшение упругости пара с высотой может чередоваться с ее ростом. Например, в слое инверсии упругость пара обычно растет с высотой.

Относительная влажность распределяется по вертикали не­равномерно, но с высотой в среднем она уменьшается. В при­земном слое атмосферы в летние дни она несколько возрастает с высотой за счет быстрого понижения температуры воздуха, за­тем начинает убывать вследствие уменьшения поступления во­дяного пара и снова возрастает до 100 % в слое образования об­лаков. В слоях инверсии она резко уменьшается с высотой в ре­зультате повышения температуры. Особенно неравномерно из­меняется относительная влажность до высоты 2...3 км.

СУТОЧНЫЙ И ГОДОВОЙ ХОД ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

В приземном слое атмосферы наблюдается хорошо выражен­ный суточный и годовой ход влагосодержания, связанный с со­ответствующими периодическими изменениями температуры.

Суточный ход упругости водяного пара и абсолютной влажности над океанами, морями и в прибрежных районах суши аналогичен суточному ходу температуры воды и воздуха: минимум перед вос­ходом Солнца и максимум в 14...15 ч. Минимум обусловлен очень слабым испарением (или его отсутствием вообще) в это время су­ток. Днем по мере увеличения температуры и соответственно ис­парения влагосодержание в воздухе растет. Таков же суточный ход упругости водяного пара и над материками зимой.

В теплое время года в глубине материков суточный ход влаго-содержания имеет вид двойной волны (рис. 5.1). Первый мини­мум наступает рано утром вместе с минимумом температуры. После восхода Солнца температура деятельной поверхности по­вышается, увеличивается скорость испарения, и количество во­дяного пара в нижнем слое атмосферы быстро растет. Такой рост продолжается до 8...10 ч, пока испарение преобладает над переносом пара снизу в более высокие слои. После 8...10ч воз­растает интенсивность турбулентного перемешивания, в связи с чем водяной пар быстро переносится вверх. Этот отток водяного пара уже не успевает компенсироваться испарением, в результа­те чего влагосодержание и, следовательно, упругость водяного пара в приземном слое уменьшаются и достигают второго мини­мума в 15...16 ч. В предвечерние часы турбулентность ослабева­ет, тогда как довольно интенсивное поступление водяного пара в атмосферу путем испарения еще продолжается. Упругость пара и абсолютная влажность в воздухе начинают увеличиваться и в 20...22ч достигают второго максимума. В ночные часы испаре­ние почти прекращается, в результате чего содержание водяного пара уменьшается.

Годовой ход упругости водяного пара и абсолютной влажности совпадают с годовым ходом температуры воздуха как над океа­ном, так и над сушей. В Северном полушарии максимум влаго-содержания воздуха наблюдается в июле, минимум - в январе. Например, в Санкт-Петербурге средняя месячная упругость пара в июле составляет 14,3 гПа, а в январе - 3,3 гПа.

Суточный ход относительной влажности зависит от упруго­сти пара и упругости насыщения. С повышением температуры испаряющей поверхности увеличивается скорость испарения и, следовательно, увеличивается е. Но Е растет значительно быстрее, чем е, поэтому с повышением температуры поверх­ности, а с ней и температуры воздуха относительная влаж­ность уменьшается [см. формулу (5.1)]. В итоге ход ее вблизи земной поверхности оказывается обратным ходу температуры поверхности и воздуха: максимум относительной влажности наступает перед восходом Солнца, а минимум - в 15ч (рис. 5.2). Дневное ее понижение особенно резко выражено над континентами в летнее время, когда в результате турбу­лентной диффузии пара вверх е у поверхности уменьшается, а вследствие роста температуры воздуха Е увеличивается. По­этому амплитуда суточных колебаний относительной влажно­сти на материках значительно больше, чем над водными по­верхностями.

В годовом ходе относительная влажность воздуха, как правило, также меняется обратно ходу температуры. Например, в Санкт-Петербурге относительная влажность в мае в среднем составляет 65 %, а в декабре - 88 % (рис. 5.3). В районах с муссонным кли­матом минимум относительной влажности приходится на зиму, а максимум - на лето вследствие летнего переноса на сушу масс влажного морского воздуха: например, во Владивостоке летом /= 89%, зимой/= 68 %.

Ход дефицита насыщения водяного пара параллелен ходу температуры воздуха. В течение суток дефицит бывает наи­большим в 14...15 ч, а наименьшим - перед восходом Солнца. В течение года дефицит насыщения водяного пара имеет мак­симум в самый жаркий месяц и минимум в самый холодный. В засушливых степных районах России летом в 13 ч ежегодно отмечается дефицит насыщения, превышающий 40 гПа. В Санкт-Петербурге дефицит насыщения водяного пара в июне в среднем составляет 6,7 гПа, а в январе - только 0,5 гПа

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА В РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ

Растительный покров оказывает большое влияние на влаж­ность воздуха. Растения испаряют большое количество воды и тем самым обогащают водяным паром приземный слой атмос­феры, в нем наблюдается повышенное влагосодержание воздуха по сравнению с оголенной поверхностью. Этому способствует еще и уменьшение растительным покровом скорости ветра, а следовательно, и турбулентной диффузии пара. Особенно резко это выражено в дневные часы. Упругость пара внутри крон дере­вьев в ясные летние дни может быть на 2...4 гПа больше, чем на открытом месте, в отдельных случаях даже на 6...8 гПа. Внутри агрофитоценозов возможно повышение упругости пара по срав­нению с паровым полем на 6...11 гПа. В вечерние и ночные часы влияние растительности на влагосодержание меньше.

Большое влияние растительный покров оказывает и на отно­сительную влажность. Так, в ясные летние дни внутри посевов ржи и пшеницы относительная влажность на 15...30 % больше, чем над открытым местом, а в посевах высокостебельных куль­тур (кукуруза, подсолнечник, конопля) - на 20...30 % больше, чем над оголенной почвой. В посевах наибольшая относитель­ная влажность наблюдается у поверхности почвы, затененной растениями, а наименьшая - в верхнем ярусе листьев (табл. 5.1).. Распределение по вертикали относительной влажности и дефицита насыщения

Дефицит насыщения водяного пара соответственно в посевах значительно меньше, чем над оголенной почвой. Его распреде­ление характеризуется понижением от верхнего яруса листьев к нижнему (см. табл. 5.1).

Ранее отмечалось, что растительный покров значительно влияет на радиационный режим (см. гл. 2), температуру почвы и воздуха (см. гл. 3 и 4), существенно изменяя их по сравнению с открытым местом, т. е. в растительном сообществе формируется свой, особый метеорологический режим - фитоклимат. На­сколько сильно он выражен, зависит от вида, габитуса и возрас­та растений, густоты насаждения, способа посева (посадки).

Влияют на фитоклимат и погодные условия - в малооблачную и ясную погоду фитоклиматические особенности проявляются сильнее.

ЗНАЧЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Водяной пар, содержащийся в атмосфере, имеет, как отмеча­лось в главе 2, большое значение в сохранении тепла на земной поверхности, так как он поглощает излучаемое ею тепло. Влаж­ность воздуха относится к числу элементов погоды, имеющих су­щественное значение и для сельскохозяйственного производства.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на растение. Она в значительной степени обусловливает интенсивность транспирации. При высокой температуре и пониженной влаж­ности (/"< 30 %) транспирация резко увеличивается и у растений возникает большой недостаток воды, что отражается на их росте и развитии. Например, отмечается недоразвитие генеративных органов, задерживается цветение.

Низкая влажность в период цветения обусловливает пересы­хание пыльцы и, следовательно, неполное оплодотворение, что у зерновых, например, вызывает череззерницу. В период налива зерна чрезмерная сухость воздуха приводит к тому, что зерно получается щуплым, урожай снижается.

Малое влагосодержание воздуха приводит к мелкоплодности плодовых, ягодных культур, винограда , слабой закладке почек под урожай будущего года и, следовательно, снижению урожая.

Влажность воздуха отражается и на качестве урожая. Отмече­но, что низкая влажность снижает качество льноволокна, но по­вышает хлебопекарные качества пшеницы, технические свой­ства льняного масла, содержание сахара в плодах и т. д.

Особенно неблагоприятно снижение относительной влажно­сти воздуха при недостатке почвенной влаги. Если жаркая и су­хая погода длится продолжительное время, то растения могут за­сохнуть.

Отрицательно сказывается на росте и развитии растений и длительное повышение влагосодержания (/> 80 %). Избыточно высокая влажность воздуха обусловливает крупноклеточное строение ткани растений, что приводит в дальнейшем к полега­нию зерновых культур. В период цветения такая влажность воз­духа препятствует нормальному опылению растений и снижает урожай, так как меньше раскрываются пыльники, уменьшается лёт насекомых.

Повышенная влажность воздуха задерживает наступление полной спелости зерна, увеличивает содержание влаги в зерне и соломе, что, во-первых, неблагоприятно отражается на работе уборочных машин, а во-вторых, требует дополнительных затрат на просушку зерна (табл. 5.2).

Снижение дефицита насыщения до 3 гПа и более приводит практически к прекращению уборочных работ из-за плохих ус­ловий.

В теплое время года повышенная влажность воздуха способ­ствует развитию и распространению ряда грибных заболеваний сельскохозяйственных культур (фитофтороз картофеля и тома­тов, милдью винограда, белая гниль подсолнечника, различные виды ржавчины зерновых культур и др.). Особенно усиливается влияние этого фактора с увеличением температуры (табл. 5.3).

5.3. Число растений яровой пшеницы Цезиум 111, пораженных головней в зависимости от влажности и температуры воздуха (по, От влажности воздуха зависят и сроки проведения ряда сель­скохозяйственных работ: борьбы с сорняками, закладки кормов на силос, проветривания складских помещений, сушки зерна и ДР-

В тепловом балансе сельскохозяйственных животных и чело­века с влажностью воздуха связан теплообмен. При температуре воздуха ниже 10 "С повышенная влажность усиливает теплоотда­чу организмов, а при высокой температуре - замедляет.

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой . Эта точка имеет параметры p кр , v кр и Т кр , при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т кр.

Критическая точка К имеет параметры:

p кр = 22,136 МПа; v кр = 0,00326 м 3 /кг; t кр = 374,15 °С.

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v — и T, s -диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p 0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а . При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром . Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc . Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным . Это состояние обозначается на диаграмме точкой c .

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d . Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

• величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
• величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
• величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
• величина с индексом «x » относится к влажному насыщенному пару;
• величина без индекса относится к перегретому пару.

Процесс парообразования при более высоком давлении p 1 > p 0 можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v -диаграмме и поднимается вверх на T,s -диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v -диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k , называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v -диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc .

На T, s -диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

r = T (s″ — s′ ).

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds .

На T, s -диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s -диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

До настоящего времени объектом наших исследований были идеальные газы, т.е. такие газы, где отсутствуют силы межмолекулярных взаимодействий и пренебрегается размерами молекул. На самом деле размеры молекул и силы межмолекулярных взаимодействий имеют большое значение, особенно при низких температурах и больших давлениях.

Одним из представителей реальных газов, применяемых в практике пожарного дела и широко применяемых в промышленном производстве, является водяной пар.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.

Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv≠RT, ибо водяной пар есть реальный газ.

Попытки ряда ученых (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Клаузиуса и др.) уточнить уравнения состояния реальных газов путем введения поправок в уравнение состояния для идеальных газов не увенчались успехом, так как эти поправки относились только к объему и силам сцепления между молекулами реального газа и не учитывали ряда других физических явлений, происходящих в этих газах.

Особую роль играет уравнение, предложенное Ван-дер-Ваальсом в 1873 г., (P + a/ v 2)( v - b) = RT . Являясь приближенным при количественных расчетах, уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо отображает физические особенности газов, так как позволяет описать общую картину изменения состояния вещества с переходом его в отдельные фазовые состояния. В этом уравнении а и в для данного газа являются постоянными величинами, учитывающими: первая - силы взаимодействия, а вторая - размер молекул. Отношение а/v 2 характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами. Величина в учитывает уменьшение объема, в котором движутся молекулы реального газа, вследствие того, что они сами обладают объемом.

Наиболее известны в настоящее время уравнение, разработанное в 1937-1946 гг. американским физиком Дж. Майером и независимо от него советским математиком Н. Н. Боголюбовым, а также уравнение предложенное советскими учеными М. П. Вукаловичем и И. И. Новиковым в 1939 г.

Ввиду громоздкости эти уравнения рассматриваться не будут.

Для водяного пара все параметры состояния для удобства пользования сведены в таблицы и представлены в приложении 7.

Итак, водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.

Рассмотрим процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования . Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре . Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В Природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.

Суть процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовое действие соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают из жидкости в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул.

При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе . При этом устенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Процесс, обратный парообразованию называется конденсацие й . Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом .

Рассмотрим процесс парообразования более подробно.

Переход жидкости в пар имеет три стадии:

1. Нагревание жидкости до температуры кипения.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.

Остановимся на каждой стадии более подробно.

Возьмём цилиндр с поршнем, поместим туда 1 кг воды при температуре 0°С, условно принимая, что удельный объём воды при этой температуре минимален 0.001 м 3 /кг. На поршень положен груз, который вместе с поршнем оказывает на жидкость постоянное давление Р. Этому состоянию соответствует точка 0. Начнём подводить к этому цилиндру тепло.

Рис. 28. График изменения удельного объёма парожидкостной смеси при давлении насыщения P s .

1. Процесс подогрева жидкости . В этом процессе, осуществляемом при постоянном давлении за счёт теплоты, сообщаемой жидкости, происходит её нагрев от 0 °С до температуры кипения t s . Т.к. вода имеет сравнительно небольшой коэффициент термического расширения, то удельный объём жидкости изменится незначительно и увеличится от v 0 до v¢. Этому состоянию соответствует точка 1, а процессу – отрезок 0-1.

2. Процесс парообразования . При дальнейшем подводе тепла вода будет кипеть и переходить в газообразное состояние, т.е. водяной пар. Этому процессу соответствует отрезок 1-2 и увеличение удельного объёма от v¢ до v¢¢. Процесс парообразования происходит не только при постоянном давлении, но и при постоянной температуре, равной температуре кипения. При этом вода в цилиндре будет находиться уже в двух фазах: пара и жидкости. Вода присутствует в виде жидкости, сосредоточенной внизу цилиндра и в виде мельчайших капелек, равномерно распределённой по всему объёму.

Процесс парообразования сопровождается и обратным процессом, называемым конденсацией. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то в системе наступает динамическое равновесие. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным. Следовательно, под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется . Основное свойство этого пара состоит в том, что он имеет температуру, являющуюся функцией его давления, одинакового с давлением той среды, в которой происходит кипение. Поэтому температура кипения иначе называется температурой насыщения и обозначается t н.Давление, соответствующее t н, называется давлением насыщения (обозначается р н или просто p. Пар образуется до тех пор, пока не испарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать состояние сухого насыщенного (или просто сухого ) пара. Пар, получаемый при неполном испарении жидкости, называется влажным насыщенным паром или просто влажным . Он является смесью сухого пара с капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через х. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через у. Очевидно, что у = 1 - х. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы, или в %: например, если х = 0.95 и у = 1 - х = 0.05, то это означает, что в смеси находится 95% сухого пара и 5% кипящей жидкости.

3. Перегрев пара. При дальнейшем подводе тепла температура пара будет повышаться (соответственно увеличивается удельный объём от v¢¢ до v¢¢¢). Этому состоянию соответствует отрезок 2-3. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрев а .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (так как р= const, t пер > t н), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к газам и тем больше, чем выше степень его перегрева.

Из опыта найдены положения точек 0 - 2 при других, более высоких давлениях насыщения. Соединив соответствующие точки при различных давлениях, получим диаграмму состояния водяного пара.

Рис. 29. pv – диаграмма состояния водяного пара.

Из анализа диаграммы видно, что по мере увеличения давления удельный объём жидкости уменьшается. На диаграмме этому уменьшению объёма с ростом давления соответствует линия СД. Температура насыщения, и, следовательно, удельный объём увеличиваются, что и продемонстрировано линией АК. Также быстрее происходит испарение воды, что ясно видно из линии ВК. При увеличении давления уменьшается разность между v¢ и v¢¢, постепенно сближаются линии АК и ВК. При некотором вполне определённом для каждого вещества давлении эти линии сходятся в одной точке К, называемой критической. Точка К, одновременно принадлежащая линии жидкости при температуре кипения АК и линии сухого насыщенного пара ВК, соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, при котором отсутствует различие между паром и жидкостью. Параметры состояния называются критическими и обозначаются Т к, P к, v к. Для воды критические параметры имеют значения: Т к =647.266К, Р к = 22.1145МПа, v к =0.003147 м 3 /кг.

Состояние, в котором могут находиться в равновесии все три фазы воды, называется тройной точкой воды. Для воды: Т 0 = 273.16К, Р 0 = 0.611 кПа, v 0 = 0.001 м 3 /кг. В термодинамике удельные энтальпия, энтропия и внутренняя энергия в тройной точке принимается равной нулю, т.е. i 0 = 0, s 0 = 0, u 0 = 0.

Определим основные параметры водяного пара

1. Подогрев жидкости

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг жидкости от 0 °С до температуры кипения называется удельнойтеплотой жидкости . Теплота жидкости является функцией давления, принимающей максимальное значение при критическом давлении.

Величина её определяется:

q = с р (t s -t 0) ,

где с р – средняя массовая изобарная теплоёмкость воды в интервале температур от t 0 = 0 °С до t s , берётся по справочным данным

т.е. q = с р t s

Удельная теплота измеряется в Дж/кг

Величина q выражается как

где i¢ - энтальпия воды при температуре кипения;

i - энтальпия воды при 0 °С.

Согласно первому закону термодинамики

i = u 0 + P s v 0 ,

где u 0 – внутренняя энергия при 0 °С.

i¢ = q + u 0 + P s v 0

Примем условно, как и в случае идеальных газов, что u 0 = 0. Тогда

i¢ = q + P s v 0

Эта формула позволяет вычислить величину i¢ по найденным из опыта величинам Р s , v 0 и q.

При невысоких давлениях Р s , когда для воды величина Р s v 0 мала по сравнению с теплотой жидкости, можно приближённо принять

Теплота жидкости с увеличением давления насыщения увеличивается и в критической точке достигает максимальной величины. Учитывая, что i=u+ Pv (1), можно написать следующее выражение для внутренней энергии воды при температуре кипения:

u¢ = i¢ + P s v¢

Изменение энтропии в процессе подогрева жидкости

Допуская, что энтропия воды при 0

Эта формула позволяет вычислить энтальпию жидкости при температуре кипения.

2. Парообразование

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения, в сухой насыщенный пар в изобарном процессе называется удельной теплотой парообразования (r) .

Теплота парообразования определяется:

i¢¢ = r + i¢ по найденной из опыта теплоте парообразования и энтальпии воды при температуре кипения i¢. Учитывая (1), можно записать:

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

где u¢ и u¢¢ - внутренняя энергия воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара. Это уравнение показывает, что теплота парообразования состоит из двух частей. Одна часть (u¢¢-u¢) затрачивается на увеличение внутренней энергии образующегося из воды пара. Она называется внутренней теплотой парообразования и обозначается буквой r. Другая часть P s (v¢¢-v¢) затрачивается на внешнюю работу, совершаемую паром в изобарном процессе кипения воды, и называется внешней теплотой парообразования (y).

Теплота парообразования уменьшается с увеличением давления насыщения и в критической точке равна нулю. Теплота жидкости и теплота парообразования образуют полную теплоту сухого насыщенного пара l¢¢.

Внутренняя энергия сухого насыщенного пара u¢¢ равна

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Изменение энтропии пара в процессе парообразования определяется выражением

Это выражение позволяет определить энтропию сухого насыщенного пара s¢¢.

Влажный насыщенный пар между граничными величинами удельных объёмов v¢ и v¢¢ состоит из сухого насыщенного пара и воды. Количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного насыщенного пара называется степенью сухости , или паросодержанием . Эта величина называется буквой x . Величина (1-x) называется степенью влажности пара .

Если учесть степень сухости, то удельный объём влажного насыщенного пара v x

v x = v¢¢x + v¢(1-x)

Теплота парообразования r x , энтальпия i x , полная теплота l x , внутренняя энергия u x и энтропия s x для влажного насыщенного пара имеет следующие величины:

r x = rx; i x = i¢ + rx; l x = q + rx; u x = i¢ + rx – p s v s ; s x = s¢ + rx/T s

3. Процесс перегрева пара

Сухой насыщенный пар перегревается при постоянном давлении от температуры кипения t s до заданной температуры t ; при этом удельный объём пара увеличивается от v¢ до v . Количество теплоты, которое затрачивается на перегрев 1 кг сухого насыщенного пара от температуры кипения до данной температуры, называется теплотой пароперегрева. Теплоту пароперегрева можно определить:

где - с p средняя массовая теплоёмкость пара в интервале температур t s – t (определяется по справочным данным).

Для величины q п можно записать

q п = i – i¢ ,

где I – энтальпия перегретого пара.