Насыщенный пар¶

Насыщенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же химического состава. Состояние насыщенного пара характеризуется тем, что при данной температуре его плотность и давление являются максимально возможными для этого вещества, а процессы испарения и конденсации в замкнутой системе взаимно уравновешены. Насыщенный пар является частным случаем реального газа, свойства которого существенно отличаются от свойств идеального газа, особенно вблизи критической точки.

¶Физическая природа и основные характеристики

В замкнутом объёме, частично заполненном жидкостью, молекулы покидают поверхность жидкости (испаряются) и возвращаются обратно (конденсируются). При постоянной температуре в системе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Пар в таком состоянии называется насыщенным.

¶Давление насыщенного пара

Давление, которое оказывает насыщенный пар на стенки сосуда, называется давлением насыщенного пара (или упругостью насыщенного пара). Эта величина является функцией температуры и не зависит от объёма, занимаемого паром, при условии, что в системе присутствует жидкая фаза. С ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается, причём нелинейно — по экспоненциальному закону, описываемому уравнением Клапейрона — Клаузиуса.

Для воды при 0 °C давление насыщенного пара составляет около 611 Па, при 100 °C — 101,3 кПа (1 атмосфера), а при 374 °C (критическая температура воды) — 22,1 МПа.

¶Плотность насыщенного пара

Плотность насыщенного пара также является функцией температуры и возрастает с её повышением. В отличие от идеального газа, для насыщенного пара не выполняется закон Бойля — Мариотта: при изотермическом сжатии давление не возрастает, а часть пара конденсируется, сохраняя давление неизменным. При изотермическом расширении, наоборот, происходит дополнительное испарение жидкости, и давление остаётся постоянным, пока вся жидкость не испарится.

¶Критическая точка

При достижении критической температуры плотность насыщенного пара становится равной плотности жидкости, а граница раздела фаз исчезает. Выше критической температуры вещество существует только в виде газа (сверхкритического флюида), и понятие «насыщенный пар» теряет смысл.

¶Виды насыщенного пара

В термодинамике различают два основных состояния насыщенного пара:

• Влажный насыщенный пар — пар, содержащий взвешенные капельки жидкости. Степень сухости такого пара (массовая доля пара в смеси) обозначается буквой x и изменяется от 0 (жидкость) до 1 (сухой насыщенный пар). Влажный пар характерен для паровых котлов и турбин на начальных стадиях расширения.
• Сухой насыщенный пар — пар, не содержащий жидкой фазы и находящийся на линии насыщения. При малейшем отводе тепла или увеличении давления он начинает конденсироваться, а при подводе тепла — перегреваться.

¶Отличие от перегретого пара

Перегретый пар — это пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении. В отличие от насыщенного, перегретый пар не содержит жидкой фазы и ведёт себя как идеальный газ в широком диапазоне параметров. Перегретый пар широко используется в паровых турбинах, так как он не вызывает эрозии лопаток каплями влаги.

¶Применение

Насыщенный пар и его свойства играют ключевую роль в различных областях науки и техники:

• Теплоэнергетика: в паровых котлах и теплообменниках для генерации пара, используемого в турбинах и для отопления. Влажный насыщенный пар часто применяется в технологических процессах (стерилизация, сушка).
• Метеорология и климатология: процессы образования облаков, тумана и осадков связаны с достижением воздухом состояния насыщения водяным паром. Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при данной температуре.
• Химическая технология: в ректификационных колоннах, выпарных аппаратах и дистилляторах насыщенный пар используется как теплоноситель и как рабочее тело для разделения смесей.
• Пищевая промышленность: стерилизация консервов, пастеризация молока, варка пива — все эти процессы проводятся с использованием насыщенного пара.
• Медицина: автоклавы для стерилизации инструментов работают на насыщенном паре при повышенном давлении и температуре (обычно 121 °C или 134 °C).

¶Интересные факты

• При кипении воды в открытой кастрюле температура жидкости и образующегося пара остаётся постоянной (100 °C на уровне моря) до тех пор, пока вся вода не выкипит. Это объясняется тем, что вся подводимая энергия расходуется на фазовый переход (испарение), а не на нагрев.
• Давление насыщенного пара сильно зависит от кривизны поверхности жидкости. Над выпуклой поверхностью (капля) оно выше, чем над плоской, а над вогнутой (мениск в капилляре) — ниже. Это явление лежит в основе капиллярной конденсации.
• Вода в герметичном сосуде может существовать в виде жидкости и пара одновременно только при определённых температурах и давлениях. При нарушении равновесия (например, при резком сбросе давления) происходит вскипание всей массы жидкости — это явление используется в паровых взрывах.

¶Источники

• Кириллин В. А., Сычёв В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
• Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Физматлит, 2005.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 3.