Одним из наиболее распространенных веществ на нашей планете является вода. Она, в отличие от множества других веществ, широко представлена во всех трех своих агрегатных состояниях:

  • твердом (лед),

  • жидком (вода),

  • газообразном (пар).

Но пар сам по себе бывает разным. В зависимости от его состояния и условий окружающей среды, он принимает различные формы. Одна из таких форм – насыщенный пар. Он весьма часто используется в быту и промышленности.

Рассмотрим основные характеристики этого вещества, приведем таблицы свойств и основных характеристик насыщенного пара.

Два вида пара

Пар на синем фоне
Есть два главных вида пара.Это:

  • водяной,

  • насыщенный.

Водяной, или ненасыщенный, пар – так называется газообразная форма веществ, которые испаряются над поверхностью жидкого тела в открытом сосуде. Такое парообразование происходит:

  • как пассивным образом, например, при испарении или конденсации,

  • так и активным – посредством кипения или сублимации.

В обычных условиях окружающей среды такой пар легко смешивается с воздухом.

Но если создать другие условия – в закрытом сосуде, интенсивное парообразование в результате кипения, повышенное давление – то водяной пар может приобрести новые свойства и перейти в состояние насыщенности.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
В свою очередь, насыщенным паром называют полученную посредством активного парообразования в ходе кипения особую газообразную форму воды. Для него характерно сохранение газообразного агрегатного состояния несмотря на равное с жидкостью количество молекул и предельные значения плотности и давления вещества. Именно такой пар мы и рассматриваем.

Ключевой параметр

Струящийся из кастрюли пар
Самым важным свойством насыщенного пара и его постоянной характеристикой является динамическое равновесие со своей жидкостью (например, водой).

Равновесие определяет баланс температуры и влажности. Эталонным значением является вытеснение с поверхности воды, площадью 1 см2 молекул, в количестве 1022. При этом скорость испарения определяется за 1 секунду времени.

Параметр насыщения молекулами воды является основным. Им называется концентрация влаги (число молекул) в условном объеме вещества. При уменьшении насыщения, пар переходит в состояние сухого, а при последующем увеличении температуры, пар становится перегретым. При обычном насыщении, пар снова меняет свое агрегатное состояние, то есть, конденсируется (переход из газа обратно в жидкое состояние). Поэтому для насыщенного пара важно состояние идеального равновесия в термодинамической системе.

Основные свойства насыщенного пара

Пар из носика чайника
Характеристики насыщенного пара сильно зависят от атмосферного давления и температуры.Ниже приведена таблица основных свойств:

В таблице приведены следующие характеристики:

  • Температура. Указана в градусах Цельсия (°С).
  • Абсолютное давление кгс/см2. В таблице прослеживается рост давления при подводе тепла.
  • Удельный объем пара м3/кг. Удельный объем газа снижается при росте давления и температуры.
  • Плотность кг/м3. При увеличении подвода тепла и давления, плотность пара увеличивается.

  • Удельная энтальпия жидкости кДж/кг. Увеличивается с ростом давления и температуры.
  • Удельная энтальпия пара кДж/кг. Также рост значений при подводе тепла.
  • Удельная теплота парообразования кДж/кг. Также уменьшается по причине снижения необходимого количества тепловой энергии для смены агрегатного состояния.

Указанные параметры развиваются последовательно в соответствии с имеющейся прогрессией и за пределами данных таблицы в соответствии с тем, как возрастает температура. Исключением является состояние пара, если достигнуть температурный уровень +374 градуса. Это критический температурный порог, при котором удельная теплота парообразования равна 0 при давлении 225 Па.

Параметры парообразования

Пар из красной кружки
На процесс образования влияет изменение несколько основных параметров.

Их описание будет дано далее.

Упругость

Упругостью насыщенного пара является значение давления, при котором возникает термодинамическое равновесие пара с жидкостью. В замкнутом пространстве и происходит процесс испарения.

Упругость является парциальным давлением, отличным от атмосферного.

Температура

Это физический показатель, при котором происходит образование и конденсация насыщенного пара. Технически, она измеряет движение молекул и представляет собой меру их кинетической энергии. Именно от нее, в первую очередь, зависят фазовые состояния вещества. Когда ее уровень поднимается, это позволяет им преодолевать молекулярные силы и притяжение, отрываясь от поверхности воды. Если же она падает, то пар возвращается обратно в жидкость.

Именно так жидкость превращается в пар. Для воды температура, при которой образуется пар, варьируется от +1 до 374 градусов. Подобный пар также может образовываться с поверхности льда при температуре от 0 градусов.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Температуре насыщенного пара свойственно равновесие со своей жидкостью: при температуре кипения воды 100 градусов, этому же значению равна температура пара.

Если температура падает слишком низко, то пар возвращается в жидкую форму.

Влажность

Влажность определяется количеством молекул воды, находящихся в паре. Это значение пропорционально равно парциальному давлению пара.

Для насыщенного пара влажность всегда максимально и составляет 100% из-за наличия конденсации и термодинамического равновесия.

Молярная масса

Данное значение определяет соотношение количества вещества к его массе. Единицей измерения является г/моль.

Молярной массой насыщенного пара является определенной, ее значение – 18 г/моль.

Есть одновременно две формулы ее расчета: через количество вещества и через плотность.

Первое выражение таково:

M = m/v

Уравнение состоит из:

  • «M» — молярная масса, является искомым результатом уравнения;
  • «m» — масса вещества (пара);
  • «v» — количество вещества.

Ниже приведена таблица массы пара по отношению к давлению и температуре.

Температура °С Давление кПа Масса г/м3
0 0,6 3,2
10 1,2 9,4
20 2,3 17,3
30 4,2 30,3
40 7,3 51
50 12,3 83
60 19,9 130
70 31 198
80 47 293
90 70 424
100 101 589

В данной таблице указана плотность вещества относительно давления и температуры. Определение плотности также производится с помощью следующей форму по молярной массе:

M = v*p

Где:

  • «M» — масса;
  • «v» — объем;
  • «p» — плотность.

Молярная масса насыщенного пара большого объема более точно найти плотность газа.

Плотность

Плотность определяет, какое количество вещества покинуло жидкость в виде пара. Данное значение прямо зависит от температуры и не зависит от объема.

При повышении температуры плотность пара растет, так как все больше молекул воды покидает жидкость. Данный параметр уравновешивается при стабильном подводе тепла.

Давление

Данное значение определяет состояние пара в виде равновесного по отношению к температуре.

Давление прямо зависит от температуры. Чем выше подвод тепла к жидкости, тем быстрее происходит процесс парообразования, а значит большее количество молекул воды выходит с поверхности и насыщает пространство.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Давление стабилизируется при заданной температуре только на момент конденсации. Температура также имеет зависимость от давления. Чем оно выше, тем больше тепловой энергии требуется для испарения.

Энтропия

Энтропия по своей сути очень сложное явление. Простыми словами, энтропия пара, это некоторое количество энергии, которое тратится безвозвратно. Например, при нагревании воды от 0 до 100 градусов, часть тепловой энергии для парообразования уходит на обогрев самой емкости, окружающей среды, самого образованного пара.

Также энтропией является величина энергии при конденсации, которая расходуется на термодинамическое равновесие с жидкостью и средой.

Энтальпия

Энтальпией насыщенного пара является значение тепловой энергии, требуемой для образования пара массой 1 кг из 1 кг воды.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Данное значение также зависит от температуры и давления. Чем выше температура среды и давление, тем выше теплосодержание как самой воды, так и ее насыщенного пара. Энтальпия насыщенного пара выражается в ккал/кг или кДж/кг.

Практическое применение

Пар, исходящий от камней под солнцем
Примеры использования свойств насыщенного пара используются в быту и промышленности для достижения различных задач:

  • в строительной отрасли и коммунальном хозяйстве — для предотвращения смерзания в бункерах инертных веществ (например, песка или гравия), разогрева вязких сред — масла, мазута;
  • в производстве железобетонных изделий, фанеры;
  • в кондитерском, консервном и ином пищевом производстве;

Парфюмерная промышленность

Деревообрабатывающее производство

  • в химической и парфюмерной промышленности;
  • в деревообрабатывающих производствах;
  • чтобы стерилизовать и дезинфицировать материалы, например, стеклянных бутылок при производстве пива;

  • энергетика использует этот тип пара для работы паровых турбин, вращающих электрические генераторы.
  • теплоэнергетика применяет в теплоносителях для отопления, размораживания или увеличения влажности.
  • в быту подобный пар используется в кулинарии. Например, его можно встретить при кипячении воды в чайнике, при работе мультиварок или печей.

Пар в кулинарии

Чистка оборудования паром

  • с его помощью чистят оборудование на нефтяных, газовых и химических предприятиях.
  • в метеорологии для расчета влажности воздуха и степени испарения естественных водных источников.

Заключение

Пар и вода
Насыщенный пар имеет большое значение для промышленности.

Таким образом, расчет его свойств и характеристик помогает спроектировать новое оборудование и поддерживать его работоспособность. Надеемся, что с нашей статьей вы теперь стали более уверенно разбираться в этой теме.

Интересное видео по теме:

Частые вопросы

Когда люди начали использовать пар?

Некоторые паровые механизмы очень древние: первый прототип паровой машины был изобретен Героном Александрийским в в 1 веке нашей эры. Но по-настоящему эффективные паровые машины смогли создать лишь в 19 веке.

Можно ли получать насыщенный пар без кипения?

Нет. Процесс парообразования в ходе испарения слишком пассивен, чтобы создать насыщенный пар.

Чист ли насыщенный пар?

Обычно водяной пар по своей чистоте близок к дистилляту, потому что при испарении все примеси в жидкости остаются в воде. Но из-за деятельности человека (например, городского смога и химикатов) при конденсации водяной пар может стать загрязнен токсичными веществами.

Насыщенный пар встречается в природе?

Да, но редко. В атмосфере он не встречается, так как это слишком открытое пространство. Обычно он появляется в гейзерах и высокотермальных водоносных горизонтах, то есть в зонах вулканической активности, а также в пластовых нефтяных запасах, насыщенных газом.

Насыщенный пар всегда обжигает?

Нет. В большинстве условий для его получения требуются высокие температуры, и он будет обжигать. Но точка кипения не является постоянной. Если давление окружающей среды достаточно низкое, чтобы вода кипела при небольших температурах, можно получить насыщенный, но не горячий водяной пар.