Конденсация

Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — это физический процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое, происходящий при охлаждении газа или повышении давления. Конденсация является фазовым переходом первого рода, сопровождающимся выделением теплоты (теплоты конденсации), равной теплоте парообразования при той же температуре. Процесс, обратный конденсации, называется испарением или кипением.

Физическая сущность процесса

В основе конденсации лежит уменьшение кинетической энергии молекул газа при охлаждении или сжатии. При снижении температуры средняя скорость движения молекул падает, и силы межмолекулярного притяжения начинают преобладать над тепловым движением, что приводит к объединению молекул в капли жидкости (или кристаллы твёрдого тела). Для начала конденсации необходимо, чтобы пар достиг состояния насыщения — равновесия с жидкой или твёрдой фазой. При дальнейшем отводе тепла или увеличении давления избыток пара переходит в конденсированную фазу.

Конденсация может происходить как в объёме пара (гомогенная конденсация), так и на поверхности твёрдых тел, жидких капель или частиц пыли (гетерогенная конденсация). Гетерогенная конденсация требует значительно меньшего пересыщения пара, так как поверхность служит центром конденсации, снижая энергетический барьер образования зародышей новой фазы.

Условия конденсации

Основными условиями, необходимыми для конденсации, являются:

Достижение точки росы — температуры, при которой пар становится насыщенным.
Наличие центров конденсации — микроскопических частиц (пыли, ионов, кристалликов льда, шероховатостей поверхности), на которых начинается образование капель.
Отвод теплоты — выделяющаяся при конденсации теплота должна быть отведена от зоны реакции, иначе процесс замедлится или прекратится.

Виды конденсации

Конденсация классифицируется по нескольким признакам.

По условиям протекания

Поверхностная конденсация — происходит на поверхности твёрдого тела или жидкости, имеющей температуру ниже точки росы. Пример: образование росы на траве, запотевание окон.
Объёмная конденсация — происходит в толще газа, без контакта с твёрдой поверхностью. Характерна для образования тумана, облаков, а также в промышленных конденсаторах с распылением жидкости.
Капельная конденсация — пар конденсируется в виде отдельных капель на поверхности, которая не смачивается жидкостью (например, на жирной или гидрофобной поверхности).
Плёночная конденсация — на смачиваемой поверхности образуется сплошная плёнка жидкости, стекающая под действием силы тяжести. Наиболее распространённый тип в теплообменниках.

По способу отвода тепла

Естественное охлаждение — происходит за счёт излучения, теплообмена с окружающей средой (например, ночное охлаждение воздуха).
Искусственное охлаждение — с использованием холодильных машин, криогенных установок.
Конденсация при сжатии — при повышении давления пар переходит в жидкое состояние без охлаждения (например, в компрессорах холодильных установок).

Роль конденсации в природе

Конденсация водяного пара является ключевым процессом в круговороте воды в природе. Она ответственна за образование облаков, туманов, росы, инея и осадков.

Облака образуются при подъёме влажного воздуха в атмосфере, где он охлаждается, и пар конденсируется на ядрах конденсации (частицах пыли, соли, продуктах сгорания). Размер и форма облаков зависят от температуры и влажности воздуха.
Туман — результат конденсации пара в приземном слое воздуха при его охлаждении до точки росы.
Роса выпадает на поверхности почвы и растений при их радиационном охлаждении в ясные безветренные ночи.
Иней — твёрдая фаза конденсации, образующаяся при отрицательных температурах, когда пар переходит в кристаллы льда, минуя жидкую фазу (десублимация).

Применение конденсации в технике

Конденсация широко используется в промышленности и быту для разделения смесей, получения чистых веществ, передачи тепла и создания вакуума.

Теплоэнергетика и холодильная техника

Паровые турбины — отработанный пар после турбины конденсируется в конденсаторах, что позволяет поддерживать низкое давление на выходе и повышать КПД цикла.
Холодильные установки — конденсатор является ключевым элементом, где хладагент, сжатый компрессором, переходит из газообразного состояния в жидкое, отдавая тепло окружающей среде.
Тепловые насосы — конденсация используется для нагрева теплоносителя в системах отопления.

Химическая и нефтегазовая промышленность

Ректификация — разделение жидких смесей на компоненты основано на многократной конденсации паров в колоннах.
Сжижение газов — природный газ, пропан, бутан и другие газы сжижаются путём охлаждения и сжатия для удобства транспортировки и хранения.
Конденсационные установки — для улавливания паров растворителей, бензина и других ценных веществ из газовых потоков.

Метеорология и климатология

Психрометры — приборы для измерения влажности воздуха, основанные на разнице температур сухого и влажного термометров (испарение воды с влажного термометра охлаждает его, а конденсация на нём — нагревает).
Конденсационные гигрометры — определяют точку росы по охлаждению зеркала до появления конденсата.