Пар — газообразное состояние вещества¶

Пар — газообразное состояние вещества, находящегося ниже критической температуры и способного переходить в жидкое или твёрдое состояние при сжатии. В отличие от газа, пар может существовать только при температуре ниже критической; при превышении этой температуры вещество переходит в сверхкритическое состояние, где различие между газом и жидкостью исчезает. В бытовом употреблении словом «пар» часто называют водяной пар — пар, образующийся при испарении воды.

¶Физическая природа

Пар состоит из молекул, движущихся хаотично, как и в газе, но с существенно меньшей средней кинетической энергией. Межмолекулярные силы притяжения в паре уже не пренебрежимо малы: молекулы достаточно удалены друг от друга, чтобы вещество оставалось газообразным, но при сжатии или охлаждении они могут конденсироваться.

Ключевое различие между паром и газом определяется критической температурой вещества. При температуре выше критической вещество называют газом — оно не может быть сжижено одним лишь повышением давления. Ниже критической температуры сжатие газа приводит к конденсации, и вещество переходит в жидкую фазу; газообразная фаза в этой области называется паром.

¶Упругость насыщенного пара

Давление пара, находящегося в равновесии со своей жидкой фазой, называется упругостью насыщенного пара. Оно резко возрастает с температурой и описывается уравнением Клаузиуса — Клапейрона:

dP/dT = L / (T · ΔV),

где L — теплота парообразования, ΔV — изменение объёма при переходе. Приближённо зависимость описывается формулой Антуана:

log₁₀ P = A − B / (T + C),

где A, B, C — вещественные константы.

При достижении давления насыщенного пара внешнего давления вещество закипает. Кипение — это процесс образования пузырьков пара внутри жидкости. При понижении внешнего давления температура кипения снижается; на высокогорье вода кипит при температуре заметно ниже 100 °C, что важно при приготовлении пищи.

¶Перегретый пар

Если пар при постоянном давлении нагревать выше температуры насыщения, он становится перегретым. Перегретый пар не конденсируется при небольшом охлаждении и широко применяется в энергетике: именно его используют в паровых турбинах электростанций. Водяной пар перегретого типа обладает высокой энтальпией и при расширении в турбине совершает значительную работу.

¶Водяной пар в природе и технике

Водяной пар — важнейший компонент атмосферы Земли и основной парниковый газ: он поглощает инфракрасное излучение и участвует в переносе тепла. Концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры и может достигать нескольких процентов у поверхности и почти нуля на высоте 10–15 км.

Пар играет центральную роль в паросиловых установках. Первые паровые машины были созданы в XVII–XVIII веках: в 1698 году Томас Севери запатентовал паровую помпу, а в 1712 году Томас Ньюкомен построил первую практическую атмосферную паровую машину. Наибольшее совершенство достигла паровая машина Джеймса Уатта (1769), снабжённая отдельным конденсатором. В XIX веке паровые двигатели приводили в движение локомотивы, пароходы и промышленное оборудование, став одним из двигателей промышленной революции.

В современной энергетике водяной пар остаётся основным рабочим телом тепловых и атомных электростанций с парогенераторами. На ТЭС вода испаряется в котле, пар увлажняется и подаётся в турбину, после чего конденсируется и возвращается в цикл.

¶Пар в быту и технологии

Водяной пар применяется для приготовления пищи (пароварки, приготовление на пару), стирки (парогенераторы), глажки (утюги с подачей пара), обеззараживания (автоклавы, стерилизаторы). В строительстве и промышленности пар используется для отопления, увлажнения воздуха, а также как теплоноситель в системах централизованного теплоснабжения.

¶Образование и конденсация

Пар образуется при испарении — переходе жидкости в газообразное состояние с поверхности раздела фаз. Испарение происходит при любой температуре, но интенсивность растёт с нагревом. При охлаждении пара ниже температуры насыщения происходит конденсация — образование капелек жидкости. Именно конденсация водяного пара в атмосфере формирует облака, туманы и росу.

¶Примечания

В технике и физике термин «пар» строго отличается от «газа» по критической температуре, однако в обиходе это различие часто не проводится, и словом «пар» называют любое газообразное состояние воды, в том числе сверхкритическое.

Источники:

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика
• Грановский В. Б. Физика пара и водяного пара
• Большая советская энциклопедия, статья «Пар»
• Малая медицинская энциклопедия, разделы по термодинамике