7 місяців тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Водяной пар можно получить в открытом и в закрытом сосуде. В каждом случае температура и давление пара будут разные.

При нагревании воды в открытых сосудах нижние, бо­лее теплые слои ее поднимаются вверх, перемешиваясь с холодными верхними слоями, опускающимися вниз. С увеличением нагревания эти токи перемешивания будут усиливаться за счет пузырьков пара, образующихся на обогреваемом дне сосуда и энергично всплывающих вверх. Когда температура воды достигнет 100° С, то вода заки­пит и с этого момента температура ее будет оставаться неизменной до тех пор, пока она вся обратится в пар. Тепло, сообщаемое при этом воде, будет расходоваться только на испарение, т. е. на преодоление сцепления мо­лекул воды между собой.

Иная картина будет, если нагревать и испарять воду в закрытом сосуде. Молекулы образующегося пара, число которых будет все время увеличиваться, не находя сво­бодного выхода, начинают чаще сталкиваться друг с дру­гом и со стенками сосуда. При этих столкновениях их скорость уменьшается, и кинетическая энергия превра­щается в потенциальную — возникает давление, темпера­тура кипящей воды и пара повышается. Чем выше дав­ление пара, тем выше температура его образования.

За единицу измерения давления принято давление ат­мосферного воздуха, равное (округленно) давлению 1 ки­лограмма на 1 квадратный сантиметр; это давление называется технической атмосферой или просто атмосфе­рой. Следует различать избыточное давление, показывае­мое измерительными приборами, и абсолютное давление. Последнее получается, если к измеренному избыточному прибавим давление окружающего воздуха, т. е. еще одну атмосферу. Давление ниже атмосферного называется разрежением или вакуумом. В вакууме водяной пар об­разуется при температуре ниже 100° С, например, при абсолютном давлении 0,03 атмосферы вода будет кипеть при температуре всего лишь 23,8° С.

При испарении воды более быстро двигающиеся мо­лекулы преодолевают силы взаимного притяжения и вы­рываются из жидкости. Некоторые молекулы, вылетев из жидкости и испытав ряд столкновений с другими молеку­лами, возвращаются в жидкость. Пока число молекул, вылетающих из жидкости, больше числа возвращающихся в нее, жидкость испаряется. Чем больше скопляется мо­лекул над поверхностью жидкости, тем больше их воз­вращается в жидкость. Наконец, наступает момент, когда число вылетающих молекул будет равно числу возвра­щающихся; дальнейшее испарение жидкости прекра­щается; в этом случае говорят, что пространство над жидкостью насыщено молекулами пара, а пар, находя­щийся над жидкостью, называют насыщенным. Температура насыщенного пара равна температуре жидкости. Давление насыщенного пара — наибольшее давление, которое может иметь пар при данной тем­пературе.

Можно ли это давление изменить при той же темпе­ратуре? Нет, нельзя. Если при этой температуре увели­чить объем, то давление временно уменьшится и жидкость будет вновь испаряться до тех пор, пока давление станет прежним. Если же уменьшить объем, т. е. сжимать пар, то часть его обратится в жидкость и давление останется неизменным. В этом свойстве насыщенного пара (по­стоянство давления при данной температуре) и заклю­чается его отличие от газов, давление которых увеличи­вается при сжатии и уменьшается при расширении. Давление насыщенного пара можно изменить при том условии, если он не находится в соприкосновении с жид­костью. В этом случае он может быть насыщенным только до определенного объема. Как только этот объем изме­нится, пар перестанет быть насыщенным и давление его изменяется так же, как и у газов.

Чтобы воду превратить в пар, надо затратить какое-то количество теплоты. Какое? Это зависит от давления.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 килограмма воды с температурой 0° С в пар, назы­вается теплосодержанием. Теплосодержание на­сыщенного пара складывается из теплоты жидко­сти (то есть того количества теплоты, которое необходимо для подогрева воды от 0° С до температуры кипения, соответствующей данному давлению) некрытой теп­лоты парообразования (или теплоты испаре­ния). Теплота жидкости по мере повышения давления возрастает сначала довольно быстро, но потом, начиная с 30—35 атмосфер, несколько медленнее (рис. 1). Теплота испарения при увеличении давления уменьшается в силу того, что нагретая жидкость несколько расши­ряется и связь между ее молекулами ослабевает; кроме того, молекулы движутся в ней быстрее и большее число их приобретает скорость, достаточную для того, чтобы покинуть жидкость. За единицу измерения тепла в тех­нике принята килокалория — количество теплоты, кото­рое необходимо для того, чтобы нагреть 1 килограмм воды на 1° С.

Зависимость теплоты жидкости, теплоты испарения и теплосодержания насыщенного пара от давления

Зависимость теплоты жидкости, теплоты испарения и теплосодержания насыщенного пара от давления

В результате полное теплосодержание 1 килограмма насыщенного пара, равное при атмосферном давлении 638,8 килокалории, при повышении давления сначала возрастает, при давлении 30—35 атмосфер достигает наибольшего значения 669,6 килокалории, затем начинает уменьшаться и при абсолютном давлении 225,65 ат­мосферы и температуре 374,15° С доходит до 498 килока­лорий. Теплота испарения при этом равна нулю.

Таким образом, для получения пара очень высокого давления требуется меньше тепла, а следовательно, и меньше топлива, чем при низком давлении. Значит, пар высокого давления экономичнее пара низкого дав­ления.

Давление 225,65 атмосферы, соответствующее темпе­ратуре насыщенного водяного пара 374,15° С, и состояние пара при этом давлении и температуре называются кри­тическими. Критическое состояние замечательно тем, что вес одного кубического метра пара, увеличивающийся при возрастании давления, и вес кубического метра воды, наоборот, уменьшающийся, становятся в этом случае оди­наковыми и равными 323 килограммам, т. е. мы име­ем дело не с водой и находящимся над ней паром, а с однородным телом, имеющим однообразные физи­ческие свойства.

Насыщенный пар при охлаждении, например при соприкосновении с холодными стенками, частично обра­щается в воду, т. е. конденсируется. Тепловая энергия сконденсировавшегося пара большею частью теряется бесполезно. Поэтому для уменьшения конденсации пара паропроводы, по которым он подводится к месту потреб­ления, машины и аппараты, в которых он используется, изолируют, покрывают материалами, плохо проводя­щими тепло.

Есть еще одно интересное свойство водяного пара. Если насыщенный пар пропустить через трубки, обогре­ваемые горячими газами (пароперегреватель), не изме­няя при этом давления, то температура пара повышается и она уже не зависит от давления. Такой пар называется перегретым; его теплосодержание, а следовательно, и работоспособность будут выше, чем у насыщенного пара.

Перегретый пар имеет то преимущество перед насы­щенным, что при соприкосновении с холодными стенками трубопроводов и внутренними частями машин он лишь несколько остывает, но не конденсируется. Поэтому его теплота используется в большей степени.

При превращении тепловой энергии пара в механиче­скую (например, в паровозе, паротурбине) теплосодержа­ние пара и его температура понижаются. Найдено, что, чем больше разность между начальной и конечной тем­пературами пара (т. е. чем больше перепад темпера­тур), тем более полно тепловая энергия превращается в механическую.

На заре использования водяного пара применяли очень низкие давления — 2—3 атмосферы и даже ниже, т. е. работали с очень низким перепадом температур и поэтому неэкономично. С течением времени давление пара повысили, а затем ввели его перегрев. Особенно быстрое развитие машин больших давлений и температур пере­грева пара наблюдалось в последние десятилетия. До 1915 г. давление пара редко превышало 15 атмосфер, а температура перегрева 350° С. В настоящее же время давление до 30 атмосфер считается низким. Теперь ра­бочее давление пара доходит до критического и даже превышает его, а перегрев пара — до 550° С и выше.