Земля несет на себе огромное количество источников воды, начиная от стратосферных до глубинных. Вода бывает в трех агрегатных состояниях: жидкое, твердое и газообразное, именно поэтому водяной пар это та же вода только в видоизмененном состоянии. Гигросфера в жизнедеятельности нашей планеты играет огромную роль, даже можно сказать основополагающую, она присутствует в формировании физической среды, химической среды и участвует в климатических и погодных явлениях. Развитие водных ресурсов сопровождалось развитием литосферы, атмосферы и всего живого.
Древнейшие философы знали о существовании четырех стихий, одной из которых была вода. Кавендиш провел опыт по сжиганию водорода, однако он не занялся этим открытием вплотную. Однако через два года после него Лавуазье вывел такое соединение как вода, доказал, что это не элемент, а молекула. Позднее уже в 1819 ученые установили вес воды, когда стали пропускать водород через оксид меди и взвешивать показатели.
Когда дело дошло до изучения пара, то появились тоже интересные открытия, хоть пар мы и видим, например, который выходит из чайника, на самом деле он невидим. В данном случае мы его видим только потому, что в нем содержатся мельчайшие капельки воды. Свойства пара ровно, как и свойства воды очень важны для существования всего живого. Под воздействием тепла и солнца происходит испарение со всей поверхности земного шара, вода поднимается с морей, океанов, рек. Уже в атмосфере пары превращаются в конденсат и возвращаются назад как дождевые осадки или осадки снега, бывает и града. Если круговорота не происходило, сухость убила бы все живое. Распространенные устройства работающие на пару бывают в быту и на производстве, причем их названия в большинстве своем имеют слово «пар» в названии, ну есть не касаться утюга, однако часто встречается понятие паровой утюг.
Наша планета содержит более 16 миллиардов километров кубических воды, это примерно 0.25 % от общей массы земного шара. Вода – это сложное вещество, ее молекула H2O состоит из водорода (2 атома) и кислорода. Кинетическая энергия молекулы представлена следующей формулой: . Если посмотреть на уравнение, то энергия представлена в виде шести частей, где три поступательные степени свободы и три вращательные степени свободы. На одну степень приходится энергия 1/2 kT, где k=Rm/NA= 1,3807·10-23 Дж/К (это постоянная Больцмана). В уравнении t предсталена абсолютной температурой, NA = 6,0220·1023 моль — Авогадро, kNA=Rm= 8,3144 Дж/(моль·К) число универсальной газовой постоянной.
Уравнение полной кинетической молекулы:
Уравнение кинетической энергии пара на один грамм молекулы:
Кинетическая энергия при постоянном объеме: по этой форме удельная теплоемкость пара определена в 25 Дж/(моль·К). Cv для водяного пара примерно 27.8 Дж/(моль·К). Изучая воду и ее молекулу исследование показывает, что ее структура как равнобедренный треугольник, вершина его это атом кислорода, в основаниях находятся по одному атому водорода.
Давление водяного пара (насыщенного)
Паром называется агрегатное состояние воды в виде газообразного состояния вещества, данная фаза может переходить в жидкость или в твердое вещество, одного и того же вещества. Появление пара из фазы твердого вещества называется парообразованием или испарением. Процесс обратного превращения называется конденсацией. Пар насыщенный представлен в виде пара, который достиг определенного равновесия с жидкостью. Возьмем сосуд, закрываем его и ставим в состояние постоянной температуры. В сосуде будет происходить испарение, распределение кинетической энергии при движении тепла. При испарении увеличивается число молекул. Концентрация вещества в состоянии пара при испарении достигает определенного значения, когда молекулы, возвращающиеся в жидкость равны количеству молекул, которые покидают ее.
Смотреть видео «Водяного пара формула»
Равновесие между испарением и конденсацией становится динамическим. Пар, получающийся в данном случае, называется насыщенным паром. Если пар находится под давлением ниже насыщенного, он называется ненасыщенным. Испарение насыщенного пара может быть как над водой, так и надо льдом. В данном случае существуют так же определенные формулы. Чтобы достичь состояния полного насыщения воздух должен поглощать достаточное количество водяного пара, что зависит и от температуры и от давления. Давлением насыщенного пара является максимальное парциальное давление водяного пара.
Психрометрическая таблица
Атмосферный воздух содержит в себе пары водяного пара, меняется лишь его объем в малом процентном содержании. Водяной пар характеризуется разными величинами, отчего и составляется «водяная» формула. Абсолютной влажностью называется количество водяного пара на кубометр воздуха в граммах. Упругость исчисляется в геопаскалях, а упругость насыщения это максимальная упругость. Для решения различных уравнений с паром нужно знать и такую величину как относительная влажность, процентное соотношение упругости пара к упругости насыщения при определенной температуре. Дефицитом влажности считают разницу упругости насыщения пара и фактической величины упругости. Влажность воздуха в основном измеряется психометрическим методом с помощью психрометра. Психрометрические измерения рассчитываются по следующей формуле: e = E’ — A (t — t’) P.
Уравнение Менделеева – Клапейрона
Газы в химической реакции могут стать как продуктами, так и реагентами. В нормальных условиях реакции не всегда можно дождаться, а значит нужно определить моли в этих условиях.
Состояние идеального газа по уравнению Менделеева – Клапейрона: PV = nRT.
— количество молей определяется числом n;
— газовое давление P;
— газовая температура T;
— постоянная газовая R.
Водяным паром может стать любое вещество, подвергающееся давлению и температуре и способное меняться в фазовых состояниях. Вещество, способное переходить из одной фазы в другую характеризует этот переход как фазовое превращение. Свойства водяного пара отличаются от свойств, например воды или льда, в особенности это касается плотности, а объяснить это можно с молекулярной точки зрения. Пар из жидкости образуется с помощью испарения или кипения. Испарение – это процесс, происходящий на свободной поверхности жидкого вещества при разных температурах. Кипением называется парообразование во всей массе жидкого вещества. Парообразование начинается тогда, когда жидкость достигает температуры кипения или насыщения, она зависит от происхождения вещества и его давления. Давление при температуре насыщения называется давлением насыщения. Сухой насыщенный пар не содержит в себе ни одной капли жидкого вещества.
Формула степени сухости влажного пара определяется формулой: x=mс.п./mе.п./
Процесс парообразования и перегрева
При парообразовании жидкость, доведенная до состояния кипения, превращается в пар. Этот процесс является изобарно-термическим. Теория состояния вещества в его агрегатных фазах создана Ломоносовым. Паросиловые установки работают от такого рабочего тела, как перегретый пар.
Последовательность процессов получения перегретого пара:
— изобарный;
— изобарно – изотермический;
— изобарный.
Наука стремительно развивается и за последнее тысячелетие много чего поменялось, появился интерес к изучению воды и различного рода явлениям с ее участием. Методики уравнений стали заменяться, на программное обеспечение и все больше систематизированы и автоматизированы. Диаграммы наравне с формулами являются главнейшими процессами рассмотрения процессов детализировано и точно.
При перегреве в том давлении, которое присутствует в данную минуту, в момент появления сухого насыщенного пара увеличивается объем и температура. Перегретый пар – это пар, когда его собственная температура превышает температуру кипения.
Уравнение Клайперона – Клазиуса
Еще одно применимое уравнение для разных агрегатных состояний. Чаще его использование применимо к процессам перехода воды в состояние пара, но и когда твердое вещество превращается в жидкость уравнение уместно. Клайперон разработал некую зависимость температуры пара, объема и теплоты в 1834 году, после чего уравнение было так и названо. Его используют при определении теплоты плавления, сублимации и образования пара. Например, одним из способов такого уравнения признан цикл Карно. Цикл определяется как a-b-c-d, где давление dp, а температура dT. Насыщенность будет определена как a-b и c-d, или изобара и изотерма. Если положим точку a на нижнюю границу с кривой, а b на верхнюю, то КПД цикла рассчитается по следующей формуле nt=dl/ql=T1-T2/T1.
Водяной пар, как газообразное состояние воды имеет свои свойства, и применим в разных сферах, рассчитывается по формулам, диаграммам и уравнениям. Превращение водяного пара в другие агрегатные состояния увлекательный и интересный процесс, встречается и в природе, изучается в школах и высших учебных заведениях.
