Моя статья поможет вам разобраться, что представляет из себя давление пара, какие существуют различные виды этого параметра, и как они зависят от влияния ключевых факторов. Также мы научимся рассчитывать значение этой величины, воспользовавшись соответствующей формулой.

Что такое давление газообразного состояния H2O?

Исходящий от воды пар
Вещества имеют три агрегатных состояния.Среди них:

  • твердое,

  • жидкое,

  • газообразное.

Твердое вещество (например, лед) плавлением превращается в воду, а вода испарением превращается в водяной пар. Он бесформенный, и казалось бы, как он может оказывать давление? Но даже в таком состоянии у него присутствует масса и кинетическая энергия от движения частиц.

Давлением газообразной фазы H2O называют физический показатель, который отображает степень физического воздействия, оказываемого парообразным веществом, запертым в замкнутой емкости. При этом измеряемый параметр воздействует именно на стенки емкости, в которой содержится это вещество. Можно назвать его мерой напряжения, которое он вызывает, давя на окружающие его стенки емкости.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Чтобы рассчитать значение этой физической величины, используется показатель, при котором пар находится в состоянии термодинамического равновесия с парообразующей жидкости. Также при расчете принимаются во внимание температура кипения этой жидкости на единицу времени в условиях соответствующего атмосферного давления (АТМ).

Этот показатель в международной системе измерения, как и другие связанные с давлением величины, измеряется в Паскалях (Па). Но есть и ряд внесистемных единиц измерения, которые используются для сопоставления с АТМ:

760 миллиметров ртутного столба = 101 килопаскалей = 1,01 Бар = 1 атмосфера.

В формулах, документации, при расчетах давление пара обозначают переменной «Р».

Факторы величины показателя

Всплеск воды и пар
Есть целый ряд факторов, которые влияют на величину давления газообразного состояния H2O:

Температура кипения жидкости
Паровые частицы образуются из жидкости в результате ее перехода в газообразное состояние. У каждой жидкости своя температура кипения, а также этот показатель может меняться под воздействием внешних факторов, в том числе АТМ. Чем выше температура, тем больше будет и давление самого пара
Интенсивность испарения
В зависимости от способа и скорости парообразования, тем более высоким будет давление газообразного состояния H2O. Этот фактор применим, впрочем, лишь в закрытых сосудах. На открытой поверхности пар улетучивается слишком быстро, независимо от скорости его испарения.
Высота над уровнем моря
В зависимости от того, на какой высоте происходит парообразование, меняется АТМ, которое также влияет на рассматриваемый физический параметр водяного пара. Это также влияет и на температуру кипения жидкости. Чем выше над уровнем моря, тем ниже АТМ, ведь воздух становится все более разреженным. И чем ниже давление, тем ниже температура кипения. Соответственно, процесс испарения происходит быстрее. Все это ведет к уменьшению давления газообразного состояния H2O. И чем ниже высота, тем, соответственно, значение параметра будет выше.
Объем
Чем меньше объем сосуда, в котором происходит испарение, тем большее давление одно и то же количество пара будет оказывать на его стенки. Разумеется, в емкости этот параметр многократно выше, чем на открытой местности, где объем фактически неограничен.
Насыщенность
Водяной пар, если является насыщенным, оказывает большее давление, ведь его переполняет влажность. Этот параметр может резко измениться после начала процесса конденсации. Ненасыщенные или перегретые паровые частицы всегда обладают меньшим давлением.
Состав вещества
Хотя обычно люди используют водяной пар, помимо него газообразное состояние может возникнуть из любого вещества. У них могут отличаться эти параметры, например, температура кипения, но закономерности точно такие же, отличаться будут лишь точные числа. Соответственно, они будут иначе вести себя и оказывать большее или меньшее давление.
Парциальное давление
Также состав влияет на значение данного параметра – это давление, которое оказывают отдельные вещества, входящие в газовые смеси. Например, в заполненный водяным паром теплый поток воздуха входит и кислород, и водород, и несколько других газов, помимо самого газообразного состояния H2O. Давление одного лишь пара и представляет из себя парциальное давление.

Абсолютное и относительное давление

Существует два основных типа величины давления, которые применимы для расчета пара:

  1. Абсолютное. Этой величиной является любое давление, которое выше эталонной точки отсчета от абсолютного нулевого вакуума. Согласно этому, даже давление небольшого испарения с поверхности естественного источника может быть рассчитано как абсолютное. Данный параметр обозначается как «ABS». Если жидкость в газообразном состоянии находится в закрытом сосуде, то абсолютное давление рассчитывается из суммы атмосферного и избыточного давления, с учетом чтобы результат был больше величины атмосферного.
  2. Относительное или избыточное является величиной, которая отличается от актуального АТМ. Например, атмосферное давление 0,75 мм. рт. ст=100 Па.

Абсолютное и относительное давление используется для контроля работы паровых установок различного типа.

Значение конденсации пара

Конденсация — это процесс возврата молекул жидкости из газообразного состояния обратно в воду. Данный процесс характерен для насыщенного пара. Давление, при котором наступает процесс конденсации воды, является давлением насыщенного пара.

Этот параметр характеризуется образованием термодинамического равновесия между водой и паром. Иными словами, это давление одинаковой температуры пара и жидкости.

Этот тип рассматриваемого параметра используется в паровых установках, имеющих датчики конденсата и его слив. Таким образом контролируется образование конденсата и время его обратного испарения. Для паров ненасыщенного или перегретого типа эта характеристика не применима.

Разница между давлениями пара

Пар и разбрызгивающаяся вода на темном фоне
Рассматриваемый параметр может быть различным при одинаковой температуре.

Все зависит от:

  • качества исходной жидкости,

  • типа самого ее парообразного состояния.

Высокое и низкое

Пар низкого давления образуется при температуре кипения от 100 до 140 градуса. Его давление варьируется в пределах 2-3 атмосфер. Его часто применяют тепловые носители.

Пар высокого давления является перегретым. В его структуре нет молекул воды. Он образуется при температуре от 180 градусов. Точка отсчета давления такого газообразного вещества начинается от 10 атм.

Такой пар используют в качестве энергии движения или для нагрева жидкостей, у которых высокая вязкость.

Насыщенный и ненасыщенный

Давление насыщенного пара не имеет прямой зависимости от его объема или формы. При температуре кипения 100 градусов, при сохранении нормальных значений АТМ, значение величины приблизительно равняется 100 кПа.

Между насыщенным и ненасыщенным паром всегда есть разница в давлении – значение первого всегда на порядок меньше.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Это связано с тем, что при одинаковой температуре кипения, ненасыщенный пар не входит в термодинамическое равновесие и испаряется. Это приводит к потере давления и повторному парообразованию.

Чистая и грязная вода

Качество воды также влияет на процесс парообразования. Давление чистой воды всегда выше, чем грязной.

Связано это с процессом кипения. Чистая вода закипает быстрее, так как на нее затрачивается меньше энергии.

Грязная вода прогревается значительно дольше, по причине затраты энергии на выпаривание загрязнений. Также большую роль играет испарение загрязнений (характерно для химических веществ).

Стакан с грязной водой

Чужеродные химические элементы нарушают термодинамическое равновесие, что приводит к испарению и потере давления.

Также стоит учитывать свойства некоторых растворителей к выпариванию без осадка. Это значит, что пар насыщается долей инородных веществ, значительно увеличивающих его плотность.

Горячий и холодный

При повышении температуры давление парообразного вещества увеличивается. Это происходит по причине насыщения молекулами воды. Из-за этого плотность пара возрастает, и начинается процесс конденсации.

При продолжительном росте температуры нарушается термодинамическое равновесие, повышается температура самого пара. Это приводит к выпариванию молекул воды и образованию перегретого газообразного состояния H2O.

Мнение эксперта
Татьяна Любимова
Заведующая кафедрой нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ. Доцент, кандидат геолого-минералогических наук. Татьяна Владимировна закончила Саратовский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского, получив диплом инженера-геолога-гидрогеолога. Прошла переподготовку по специальности «Педагогическая деятельность специалиста в сфере высшего, среднего и начального профессионального образования».
При снижении температуры нагревания заметно снижается давление пара. Это происходит по причине снижения его плотности. Образованный конденсат больше не меняет свое агрегатное состояние, а, значит, не происходит образование новых паровых частиц. При этом падает плотность.

Таблица зависимости

Пар и капли воды на синем фоне
Пар отличается от идеальных газов.Его давление зависит от температуры и чем быстрее температура растет, тем сильнее давление.

Это можно проследить по графику насыщенного водяного пара:

Температура (°С) Давление (кПа)
5 0,88
10 1,23
14 1,6
15 1,71
20 2,33
22 2,56
25 3,17
27 3,4
30 4,6
35 5,62
40 7,38
45 9,5
50 12,3
72 38,2
100 101,3

Из таблицы хорошо видно, что с ростом температуры происходит увеличение давления, вследствие увеличения скорости парообразования. Значения, выше описанных в таблице, могут способствовать снижению давления по причине выпаривания и перегрева пара.

Формула и правила вычисления параметра

Клубы пара в природе
Расчет рассматриваемого параметра делается согласно формуле давления газа.Она представляет из себя уравнение:

P=n*k*t

Выражение состоит из:

  • «n» — величина концентрации пара.
  • «k» — постоянная Больцмана.
  • «t» — температура среды.

При расчете учитываются свойства: значение параметра зависит от температуры и не зависит от объема.

Простой расчет давления пара над растворителем делается по формуле

P=P0*N

Выражение состоит:

  • P0 – давление пара раствора.
  • N – доля растворителя (моль).

Также стоит учесть долю уже растворенной части растворителя.

Для жидкости и пара, находящихся в емкости, расчет делается так:

0,5*0,5*147=367,5 кПа

где:

  • 0,5 м3 – объем емкости.
  • 0,5 кг – масса воды.
  • 147 градусов – температура.
  • Давление пара неизвестно.

Заключение

В статье была раскрыта тема давления пара. Эта величина является основной, как при расчетах, так и при регулировке температуры теплоносителей. Этот параметр помогает людям контролировать работу оборудования, работающего на энергии пара.

Интересное видео по теме:

Частые вопросы

Связано ли газообразное состояние H2O с кипением?

Паровые частицы возникают из-за кипения, однако, в основном, в антропогенных условиях. В природе его главный источник – испарение.

Чисты ли паровые частицы H2O?

Обычно газообразное состояние воды по своей чистоте близко к дистилляту, потому что при испарении все примеси, входящие в изначальное жидкое тело, остаются в воде. Но из-за деятельности человека (например, городского смога и химикатов) при конденсации водяной пар может стать загрязнен токсичными веществами.

Облака - это газообразное состояние воды?

Нет. Облака, как и туман, представляют взвесь из конденсированных паровых частиц. Вместо отдельных молекул воды в них хоть и крохотные, но капли влаги.

Где используется давление пара?

Их используют в отоплении, в паровых двигателях и турбинах, в манометрах, в парогенераторах, паровых очистителях и так далее.

Когда люди начали использовать парообразное состояние воды?

Первый прототип паровой машины был изобретен Героном Александрийским в в 1 веке нашей эры. Но по-настоящему эффективные паровые машины с его использованием смогли создать лишь в 19 веке.

Кипение это единственный способ получения газообразного состояния H2O?

Нет. Помимо кипения , которое происходит при высоких температурах, и испарения, которое происходит постепенно и при низких температурах, есть сублимация, которая происходит с твердыми веществами. Обычно для нее нужны очень высокие температуры, но некоторые вещества, вроде сухого льда, сублимируют даже в комнатных условиях.