Пар как агрегатное состояние вещества¶

Пар — газообразное состояние вещества в условиях, когда оно может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазой того же состава. В более широком смысле паром называют любой газ при температуре ниже критической, то есть такой, который можно перевести в жидкость или твёрдое тело простым увеличением давления. Наиболее изученным и практически значимым является водяной пар — рабочее тело паровых турбин, теплоноситель в системах отопления и компонент атмосферы Земли.

¶Физическая природа пара

С молекулярно-кинетической точки зрения пар представляет собой совокупность молекул, покинувших поверхность жидкости или кристаллическую решётку твёрдого тела в процессе испарения или сублимации. В отличие от идеального газа, пар вблизи линии насыщения проявляет заметные отклонения от закона Менделеева — Клапейрона, поскольку межмолекулярные взаимодействия и собственный объём частиц становятся существенными.

Ключевым понятием является насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкой (или твёрдой) фазой при данной температуре. Давление насыщенного пара не зависит от объёма и определяется только температурой; для воды при 100 °C оно равно 101,3 кПа (1 атмосфера). Если пар не достиг концентрации насыщения, его называют ненасыщенным (перегретым) — он ведёт себя как обычный газ и способен к дальнейшему испарению жидкости.

Процесс парообразования бывает двух типов:

• испарение — происходит с поверхности жидкости при любой температуре;
• кипение — интенсивное парообразование во всём объёме жидкости при достижении температуры, при которой давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением.

Обратный процесс — переход пара в жидкость — называется конденсацией, а в твёрдую фазу (минуя жидкость) — десублимацией.

¶Водяной пар

Водяной пар — самая распространённая в технике и природе разновидность пара. Его содержание в атмосфере колеблется от долей процента в полярных регионах до 4–5 % по объёму во влажных тропиках. Водяной пар — важнейший парниковый газ: он обеспечивает около 60 % естественного парникового эффекта Земли.

В технике принята классификация водяного пара по параметрам состояния:

• влажный насыщенный — смесь сухого пара с мельчайшими каплями воды;
• сухой насыщенный — не содержит взвешенной влаги, но не имеет запаса перегрева;
• перегретый — имеет температуру выше температуры насыщения при данном давлении; используется в паровых турбинах для повышения КПД и защиты лопаток от эрозии.

Диаграмма состояния воды (фазовая диаграмма) показывает тройную точку (0,01 °C, 611 Па), где сосуществуют лёд, вода и пар, а также критическую точку (374,1 °C, 22,06 МПа), выше которой различия между жидкостью и паром исчезают — вещество переходит в сверхкритическое состояние.

¶Пары других веществ

Помимо воды, в промышленности и науке используются пары разнообразных веществ. Ртутные пары применялись в газоразрядных лампах и термометрах; пары аммиака и фреонов служат рабочими телами в холодильных машинах и тепловых насосах. Пары бензола, спиртов и других органических растворителей образуют взрывоопасные смеси с воздухом, что учитывается при проектировании вентиляции и взрывозащищённого оборудования.

Особую категорию составляют пары металлов: например, пары натрия используются в натриевых лампах высокого давления, отличающихся высокой светоотдачей и характерным жёлто-оранжевым свечением. В вакуумной технике пары титана применяются для напыления тонких плёнок и поглощения остаточных газов (геттерирование).

¶История изучения и применения

Первые систематические исследования пара связаны с именами Дени Папена, построившего в 1679 году паровой котёл с предохранительным клапаном, и Томаса Севери, запатентовавшего в 1698 году «друга шахтёра» — паровой насос для откачки воды из угольных шахт. В 1712 году Томас Ньюкомен создал атмосферный двигатель, в котором пар конденсировался в цилиндре, создавая разрежение.

Решающий вклад в теорию внёс Джеймс Уатт, который в 1760–1780-х годах добавил отдельный конденсатор и золотниковое парораспределение, повысив КПД машины в несколько раз. В 1769 году француз Николя-Жозеф Кюньо построил первый самодвижущийся экипаж с паровым двигателем. XIX век стал эпохой пара: паровозы, пароходы, паровые молоты и прядильные фабрики определили облик промышленной революции.

Термодинамическую теорию пара разработали Сади Карно (цикл Карно, 1824), Рудольф Клаузиус (понятие энтропии, 1865) и Уильям Ранкин (цикл Ранкина — теоретическая основа паросиловых установок). В 1884 году Чарльз Парсонс создал первую реактивную паровую турбину, что позволило перейти от поршневых машин к высокооборотным турбогенераторам на электростанциях.

¶Применение пара

Основные области использования пара в современном мире:

• Энергетика: перегретый пар с параметрами до 600 °C и 25 МПа приводит во вращение паровые турбины на тепловых и атомных электростанциях. Цикл Ранкина остаётся базовым для производства около 80 % мировой электроэнергии.
• Промышленность: насыщенный пар используется для нагрева и стерилизации в пищевой, химической и фармацевтической отраслях; острый пар впрыскивается непосредственно в технологические среды.
• Отопление: паровое отопление применяется на промышленных объектах, где требуется быстрый прогрев больших помещений; в жилом секторе оно вытеснено водяным из-за меньшей регулируемости и шумности.
• Транспорт: паровозы исторически сыграли ключевую роль в развитии железных дорог; в настоящее время паровые двигатели сохраняются на ретро-маршрутах и в музеях.
• Медицина: автоклавирование — основной метод стерилизации инструментов и перевязочных материалов, обеспечивающий уничтожение всех форм микроорганизмов.

¶Безопасность и особенности эксплуатации

Пар представляет серьёзную опасность: при прорыве трубопровода или разгерметизации котла выделяется огромная энергия. Ожоги паром тяжелее ожогов кипятком, поскольку при конденсации на коже выделяется дополнительная скрытая теплота парообразования (для воды — 2260 кДж/кг). Поэтому паровые системы оборудуются предохранительными клапанами, конденсатоотводчиками и системами автоматического контроля давления.

В России действуют «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» (ФНП), устанавливающие требования к проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации паровых котлов и трубопроводов. Обслуживающий персонал обязан проходить обучение и аттестацию.

¶Интересные факты

• При нормальном атмосферном давлении 1 м³ пара весит около 0,6 кг, тогда как 1 м³ воды — 1000 кг; расширение при испарении составляет более чем 1600-кратную величину.
• Белое «облако» над носиком кипящего чайника — это не пар, а туман: мельчайшие капли воды, образовавшиеся при конденсации невидимого пара в холодном воздухе.
• Влажность воздуха измеряется психрометром и гигрометром; точка росы — температура, при которой пар становится насыщенным и начинается выпадение конденсата.
• Паровые машины нашли применение даже в космической технике: в начале XX века Константин Циолковский рассматривал паровые двигатели для реактивных аппаратов, однако они не выдержали конкуренции с жидкостными ракетными двигателями.