Свойства воды и водяного пара

Содержание

ВОДА, ЛЕД И ПАР

ВОДА, ЛЕД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния химического соединения молекулярной формулы Н2О.

Водяной пар: белый или прозрачный, формула, закон Дальтона

Интересные факты о воде

Водяной пар важен для жизни человека и всего живого на Земле. Он участвует в мировом круговороте воды в природе.
Солнце нагревает поверхность Земли, вода превращается в водяной пар и поднимается вверх. Там воздух охлаждается и пар снова становится водой. В виде осадков он снова попадает на Землю, питая реки и Мировой океан.
Водяной пар регулирует тепло на поверхности нашей планеты, определяет какая установится температура в определённой местности, образуются ли облака, выпадет дождь и роса.
В данной статье мы подробно рассмотрим: уникальные свойства водяного пара, его давление, температуру и интересные факты.

Свойства воды и пара в деталях

Вода и пар

Многие интересуются тем, что можно сделать при помощи воды и пара. На самом деле, свойства воды или водяного пара очень интересны, поскольку позволяют делать оригинальные вещи. Наиболее известны термодинамические свойства водяного пара: это паровые двигатели, которые появились около 200 лет назад. Этот пример показывает, что создавать движущую силу и управлять ей научились довольно давно. Но есть еще множество разнообразных примеров тому, что именно может делать вода или пар.

Водяного пара формула

Водяного пара формула

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.

Свойства водяного пара: температура, тройная точка, упругость, термодинамическое равновесие, плотность

Изучение теплофизических свойств воды и водяного пара помогает понять, почему происходит испарение. Благодаря динамическому равновесию газообразного и жидкого состояния Н2О осуществляется круговорот воды в природе. Атмосфера планеты служит защитным колпаком, в ней происходят те же термодинамические процессы, что и в закрытой емкости с водой. Зависимость давления пара от температуры, плотности соответствует уравнению Менделеева-Клапейрона. С помощью формул можно вычислить, чему будет равна плотность пара в пузырьках, поднимающихся к поверхности воды, или при какой температуре закипит вода, если подняться на гору, где давление воздуха ниже.

Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Теплофизические свойства, теплопроводность, теплоемоктсь, плотность водяного пара на линии насыщения

Водяной пар — газообразное состояние воды

Паровоз

Водяной пар — это вода в газообразном состоянии. Газообразное состояние относится к трем основным агрегатным состояниям воды, встречающихся в природе в естественных условиях. Чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Наибольшее скопление пара наблюдается в тропосфере.

Приведём еще одно определение из справочника.

Водяной пар — вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание – до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.), – это результат конденсации водяного пара, как и туман. Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажность воздуха.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006

Историческая справка.

ВОДА

Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г.Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А.Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й.Берцелиус и П.Дюлонг (1819), а также Ж.Дюма и Ж.Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду. Исходя из этих данных, они определили отношение Н:О для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж.Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н2О.

Возможности пара

Используются термодинамические свойства водяного пара, а также воды и в современной жизни. На атомных электростанциях, тепловых станциях используется водяной контур, который позволяет переводить энергию тепла в энергию движения, а затем и в электрическую. Если бы этого свойства воды не знали, то, вероятно, до сих пор в мире не было бы больших электрических мощностей. Что касается самого водяного контура, то здесь принцип почти такой же, что и много лет назад: перемещение пара заставляет вращаться турбину, которая в свою очередь за счет движения вырабатывает ток. А вот конденсируемая влага также отдает свое тепло – оно расходуется на иные нужды. В некоторых случаях мы можем увидеть даже пар под водой. Так или иначе, но свойства воды очень интересные, как и свойства пара.

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.

Видоизменения фаз

Видоизменение твердого состояния до состояния жидкого имеет название плавление. Смена жидкой фазы на газообразную представляет собой испарение. Если же вещество из твердого переходит в газообразное – этот процесс называется сублимацией. Если говорить об обратных процессах, то следует знать о таких процессах как: затвердевание, кристаллизация, конденсация и де — сублимация.

Водой или по-другому оксидом водорода называют химическую формулу H2O. Это молекула, состоящая из трех атомов, два водорода и один кислорода. Соединяются они ковалентной связью. Вода в своем нормальном представлении является жидкостью, которая абсолютно прозрачная, не пахнет и не имеет никаких вкусовых свойств. Как показывает диаграмма, в газообразном состоянии вода переходит в фазу водяного пара. Она покрывает более 70% нашей планеты и представлена в озерах, реках, морях, океанах и т.д. Подразделяется на пресноводную и соленую, причем второй вариант не пригоден для питья. Ее роль настолько важна, что жизнь без воды просто не может существовать, от нее зависят погодные условия и климатические пояса планеты.

Вода превращается в пар при температуре

Понятие «водяной пар» характеризует свойство жидкости улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное. Превращение в газовую фазу происходит до момента насыщения, когда возникает равновесие между жидкой или твердой субстанцией и газом. Молекула воды не в силах оторваться от поверхности, если плотность достигает максимальной величины, газ становится насыщенным. Определить величину давления насыщения водяного пара можно для любой температуры. Даже лёд обладает способностью испаряться.

Когда говорят об испарении, уточняют градусы Цельсия, при которых начинается парообразование. При 100°С жидкость закипает только при атмосферном давлении 760 мм рт. столба. Чем ниже давление, тем свободнее отрываются частицы воды от поверхности, насыщая воздух. Снижение давления до 0,006 атмосфер (тройная точка) приводит к тому, что вода одновременно присутствует в трех фазовых состояниях: жидком, твердом, газообразном. Кипение воды в лабораторных условиях достигается без перехода в жидкое состояние. Происходит вскипание твердой фазы, процесс называется возгонкой. Лед трансформируется в газообразное состояние при температуре –0,1°С под давлением ниже тройной точки. Величину давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре устанавливают экспериментальным путем.

Способность паров насыщать воздух характеризуется влажностью. Упругость водяного пара определяют прибором для измерения влажности, он называется психрометром. Измеряется парциальное давление водяных паров, находящихся в атмосферном воздухе.

Теплофизические свойства водяного пара при различных температурах на линии насыщения

В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.

Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.

Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его динамическая вязкость увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.

Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара Cp при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).

В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:

  • давление пара при указанной температуре p·10 -5 , Па;
  • плотность пара ρ″, кг/м 3 ;
  • удельная (массовая) энтальпия h″, кДж/кг; r, кДж/кг;
  • удельная теплоемкость пара Cp, кДж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности λ·10 2 , Вт/(м·град);
  • коэффициент температуропроводности a·10 6 , м 2 /с;
  • вязкость динамическая μ·10 6 , Па·с;
  • вязкость кинематическая ν·10 6 , м 2 /с;
  • число Прандтля Pr.

Теплофизические свойства водяного пара: теплоемкость, плотность , вязкость и другие - таблица

Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).

Распространенность.

Вода покрывает 3/4 поверхности Земли. Тело человека состоит из воды примерно на 70%, яйцо – на 74%, а некоторые овощи – это почти одна вода. Так, в арбузе ее 92%, в спелых томатах – 95%.

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Вода в природных резервуарах никогда не бывает однородной по составу: она проходит через горные породы, соприкасается с почвой и воздухом, а потому содержит растворенные газы и минеральные вещества. Более чистой является дистиллированная вода.

Какой цвет: белый или прозрачный

Многие люди задаются вопросом: водяной пар белый или прозрачный? Можно его увидеть?

В повседневной жизни при кипении воды в чайнике мы часто видим белый дымок, который вырывается из носика. Некоторые люди считают его паром. На самом деле – это туман (результат конденсации водяного пара).

Настоящий пар невидим глазу, он прозрачный, безвкусный. Не имеет постоянной формы, запаха.

Основное содержание наблюдается в нижних слоях атмосферы (тропосфера). Пар может переходить в жидкое состояние. Данное явление мы часто наблюдаем в повседневной жизни, когда оконные стекла в комнате запотевают. Это значит, что водяной пар в тёплом воздухе комнаты коснулся холодного стекла, сгустился и превратился в мельчайшие капельки воды. Явление называют конденсацией.

Облака

Водяной пар принимает непосредственное участие в круговороте воды в природе. С его помощью образуются: облака, тучи, туман. Наибольшее скопление наблюдается в тропосфере.

В настоящий момент пар часто используют для бытовых нужд и производства. Среди наиболее известных устройств с его применением можно отнести:

  1. утюги;
  2. паровозы;
  3. пароходы;
  4. паровые котлы;
  5. с его помощью вращают турбины генераторов на электростанции, тушат пожары.

Когда-то была вода, а теперь — пар

Управлять свойствами можно при помощи естественных законов физики. Существует таблица, в которую занесены основные моменты, касающиеся жидкостей. Это, в частности, расширение при замерзании (воды касается особенно), а также некоторые другие: высокая теплоемкость, хорошая теплопроводность и много других. Эта таблица говорит о больших возможностях жидкостей на нашей планете. Но превращение влаги в пар совершенно меняет структуру и, как следствие, воздействие на объекты.
Пар может отдавать тепло, конденсируясь в обычную жидкость. Пар может придавать вещам совершенно иной вид. Именно при помощи пара многие бытовые задачи решаются проще. Отпарить брюки, избавиться от грязи – все это можно сделать с его помощью. Почему же используется именно результат нагревания влаги?
Все дело в том, что только вода кипит при температуре в сто градусов. Эта температура комфортна при работе с различными вещами. Например, шерстяные брюки никогда не испортятся, если обработать их водяным паром. Удобство использования отпаривателей растет с каждым годом. Но все равно, есть еще множество свойств, о которых стоит поговорить не только для того, чтобы сделать удобной свою жизнь.

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.

Использование пара человеком

С паром мы постоянно сталкиваем в ежедневной жизни, он появляется — над носиком чайника при кипении воды, при глажке, при посещении бани… Однако не забывайте, что, как мы уже отмечали выше, чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса.

Благодаря своим физическим свойствам и качествам, пар уже давным-давно нашел свое практическое применение в хозяйственной деятельности человека. И не только в быту, но и при решении больших глобальных задач. Долгое время пар был главной движущей силой прогресса как в прямом, так и в переносном смысле этого выражения. Он использовался как рабочее тело паровых машин, самой известной из которых является ПАРОВОЗ.

Пар и в наше время широко используется в хозяйственных и производственных нуждах:

  • в целях гигиены;
  • в лечебных целях;
  • для тушения пожаров;
  • используются тепловые свойства пара (пар как теплоноситель) – паровые котлы; паровые рубашки (автоклавов и реакторов); разогрев «смерзающихся» материалов; теплообменники; отопительные системы; пропарка бетонных изделий; в особого рода теплообменниках … ;
  • используют трансформацию энергии пара в движение – паровые машины … ;
  • стерилизация и дезинфекция – пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина … ;
  • пар как увлажнитель — в производстве железобетонных изделий; фанеры; в пищевой промышленности; в химической и парфюмерной промышленности; в деревообрабатывающих производствах; в сельскохозяйственном производстве … ;

Физические свойства воды при температуре от 0 до 100°С

В таблице представлены следующие физические свойства воды: плотность воды ρ, удельная энтальпия h, удельная теплоемкость Cp, теплопроводность воды λ, температуропроводность воды а, вязкость динамическая μ, вязкость кинематическая ν, коэффициент объемного теплового расширения β, коэффициент поверхностного натяжения σ, число Прандтля Pr. Физические свойства воды приведены в таблице при нормальном атмосферном давлении в интервале от 0 до 100°С.

Физические свойства воды существенно зависят от ее температуры. Наиболее сильно эта зависимость выражена у таких свойств, как удельная энтальпия и динамическая вязкость. При нагревании значение энтальпии воды значительно увеличивается, а вязкость существенно снижается. Другие физические свойства воды, например, коэффициент поверхностного натяжения, число Прандтля и плотность уменьшаются при росте ее температуры. К примеру, плотность воды при нормальных условиях (20°С) имеет значение 998,2 кг/м 3 , а при температуре кипения снижается до 958,4 кг/м 3 .

Такое свойство воды, как теплопроводность (или правильнее — коэффициент теплопроводности) при нагревании имеет тенденцию к увеличению. Теплопроводность воды при температуре кипения 100°С достигает значения 0,683 Вт/(м·град). Температуропроводность H2O также увеличивается при росте ее температуры.

Следует отметить нелинейное поведение кривой зависимости удельной теплоемкости этой жидкости от температуры. Ее значение снижается в интервале от 0 до 40°С, затем происходит постепенный рост теплоемкости до величины 4220 Дж/(кг·град) при 100°С.

Физические свойства воды при атмосферном давлении — таблица
t, °С → 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ρ, кг/м 3 999,8 999,7 998,2 995,7 992,2 988 983,2 977,8 971,8 965,3 958,4
h, кДж/кг 0 42,04 83,91 125,7 167,5 209,3 251,1 293 335 377 419,1
Cp, Дж/(кг·град) 4217 4191 4183 4174 4174 4181 4182 4187 4195 4208 4220
λ, Вт/(м·град) 0,569 0,574 0,599 0,618 0,635 0,648 0,659 0,668 0,674 0,68 0,683
a·10 8 , м 2 /с 13,2 13,7 14,3 14,9 15,3 15,7 16 16,3 16,6 16,8 16,9
μ·10 6 , Па·с 1788 1306 1004 801,5 653,3 549,4 469,9 406,1 355,1 314,9 282,5
ν·10 6 , м 2 /с 1,789 1,306 1,006 0,805 0,659 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295
β·10 4 , град -1 -0,63 0,7 1,82 3,21 3,87 4,49 5,11 5,7 6,32 6,95 7,52
σ·10 4 , Н/м 756,4 741,6 726,9 712,2 696,5 676,9 662,2 643,5 625,9 607,2 588,6
Pr 13,5 9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,93 2,55 2,21 1,95 1,75

Примечание: Температуропроводность в таблице дана в степени 10 8 , вязкость в степени 10 6 и т. д. для других свойств. Размерность физических свойств воды выражена в единицах СИ.

Морская вода.

Состав морской воды различается в разных регионах и зависит от притока пресных вод, скорости испарения, количества осадков, таяния айсбергов и т.д. См. также ОКЕАН.

Парциальное давление

Атмосферный воздух состоит из водяного пара и смеси различных газов. Давление, которое производил бы только водяной пар, при исключении всех других элементов называют парциальным давлением (упругостью).

Формула для расчета. Закон парциальных давлений газов (Закон Дальтона)

Закон Дальтона

Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, входящих в нее газов.

Где p1, p2, p3+pn – парциальное давления, производимое каждым газом, входящим в состав смеси.

Значение выражается в мбар или мм. ртутного столба. Отвечает за влажность воздуха, атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба.

При снижении атмосферного давления повышается влажность воздуха, возможны осадки и повышение температуры воздуха.

Атмосферное давление важный показатель, который напрямую влияет на влажность воздуха, состояние людей (метеозависимых), температуру кипения.

Например, в горах при подъеме над поверхностью Земли, температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление. На Эльбрусе, самой высокой вершине Европы (5642), вода закипит при 80,8 °С.

Температура

Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара содержится в нем.

В 1 м 3 воздуха при температуре +20 °С может содержаться 17 грамм

При Температуре -20 °С – только 1 грамм.

Масса водяного пара

Массу можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона.

р — давление насыщенного водяного пара;

М — молярная масса пара;

R — газовая постоянная;

Т — температура пара.

Как образуется водяной пар

Образуется двумя способами, в результате испарения и кипения. Рассмотрим более подробно каждый из них.

  1. Испарение. Пар поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений. В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а десублимация – снега;
  2. Кипение. Пар образуется по всему объему жидкости.

Испарение происходит при любой температуре, кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то, несмотря на продолжающийся подвод тепла, температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар.

Физика и вода

Электролиз. Это слово знакомо всем еще со школьной скамьи, однако некоторые могли уже забыть о том, что оно означает. При помощи этого простого процесса воду можно разложить на составляющие: водород и кислород. Кстати, благодаря столь известному принципу теперь можно ездить на автомобилях с водородным двигателем. Вместо бензина заливается вода, а при помощи электролиза получается водород, который при сгорании (окислении) снова становится водой. Не правда ли, удивительные превращения?

Современные исследования

Но в любом случае, вода может многое. Некоторые исследования показали, что у нее есть еще множество скрытых свойств, которые вполне могут пригодиться человеку. Кроме того, даже привычные моменты порой показывают себя с необычной стороны. Это говорит о том, что главная жидкость планеты Земля до сих пор хранит свои тайны и раскрывает их очень медленно. Но в скором будущем они наверняка будут раскрыты. И тогда обычная вода позволит совершать самые невероятные вещи, о которых раньше могли только мечтать.

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./

Теплопроводность водяного пара при высоких температурах

В таблице приведены значения теплопроводности диссоциированного водяного пара в размерности Вт/(м·град) при температурах от 1400 до 6000 K и давлении от 0,1 до 100 атм.

По данным таблицы, теплопроводность водяного пара при высоких температурах заметно увеличивается в области 3000…5000 К. При высоких значениях давления максимум коэффициента теплопроводности достигается при более высоких температурах.

Теплопроводность водяного пара при высоких температурах - таблица

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Значение водяного пара для экосистемы Земли и его влияние на климат нашей планеты

Водяной пар активно участвует в создания парникового эффекта на Земле. Его влияние на климат планеты весьма значительно. Поэтому к нему приковано внимание многих ученых, занимающихся данной проблематикой.

Водяной пар активно участвует во многих химических процессах происходящих в атмосфере, стратосфере, топосфере.

Водяной пар является незаменимым элементом такого важного для нашей планеты процесса как Круговорот воды в природе (глобальный гидрологический цикл). Повышение интенсивности круговорота воды в природе приведет к весьма плачевным для человечества результатам — экстремальные осадки, наводнения, засухи …

Минеральная вода.

ХИМИЯ

Минеральная вода образуется при просачивании обычной воды сквозь породы, содержащие соединения железа, лития, серы и других элементов.

Давление и плотность насыщенных паров воды при различных температурах

Для наглядности предоставлена изображение с таблицей № 1.

Таблица

В таблице указаны базовые значения.

Если имеется больше данных, расчеты можно сделать точно с помощью физических формул и измерений.

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:

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.

Термодинамические свойства

Вода и водяной пар являются телами, активно работающими, например, в паровой турбине. Свойства полностью зависят от конструкции и остальных элементов турбины. С точки зрения свойств воды, она почти не сжимается и если изменить ее давление, то не изменится удельный объем и будет равен от 10-3 м3/кг. При нагревании энтальпия начинает пропорционально меняться. Нагревание в открытом сосуде вызывает поверхностный пар, поднимающийся кверху. Молекулы воды разрывают свои связи, и расходуется теплота, происходит испарение. Влажный пар представлен в виде сухого пара и насыщенного пузырьками воды пара. Еще совсем недавно для паровой турбины использовали перегретый пар, который в турбине расширялся и становился влажным. Законы смешения определяют термодинамические свойства пара.

Теплопроводность воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении

В таблице представлены значения теплопроводности воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении. Теплопроводность воды указана в зависимости от температуры в интервале от 0 до 100°С.

Вода при нагревании становиться более теплопроводной — ее коэффициент теплопроводности увеличивается. Например, при 10°С вода имеет теплопроводность 0,574 Вт/(м·град), а при росте температуры до 95°С величина теплопроводности воды увеличивается до значения 0,682 Вт/(м·град).

Теплопроводность воды в зависимости от температуры
t, °С 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50
λ, Вт/(м·град) 0,569 0,572 0,574 0,587 0,599 0,609 0,618 0,627 0,635 0,648
t, °С 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
λ, Вт/(м·град) 0,654 0,659 0,664 0,668 0,671 0,674 0,677 0,68 0,682 0,683

Мягкая и жесткая вода.

Жесткая вода содержит в больших количествах соли кальция и магния. Они растворяются в воде при протекании по породам, сложенным гипсом (СaSO4), известняком (СаСО3) или доломитом (карбонаты Mg и Са). В мягкой воде этих солей мало. Если вода содержит сульфат кальция, то говорят, что она обладает постоянной (некарбонатной) жесткостью. Ее можно умягчить добавлением карбоната натрия; это приведет к осаждению кальция в виде карбоната, а в растворе останется сульфат натрия. Соли натрия не вступают в реакцию с мылом, и расход его будет меньше, чем в присутствии солей кальция и магния.

Вода, обладающая временной (карбонатной) жесткостью, содержит бикарбонаты кальция и магния; ее можно умягчить несколькими способами: 1) нагреванием, приводящим к разложению бикарбонатов на нерастворимые карбонаты; 2) добавлением известковой воды (гидроксида кальция), в результате чего бикарбонаты превращаются в нерастворимые карбонаты; 3) с помощью обменных реакций.

Вода, содержащая в большом количестве растворенный диоксид углерода, просачиваясь через известняковые породы, растворяет их, что приводит к образованию пещер. При повышении температуры начинается обратный процесс: бикарбонат разлагается и вновь образуется известняк. Именно из него состоят сталактиты и сталагмиты.

Ответы на распространенные вопросы

Какой воздух содержит больше всего водяного пара

Самое большое количество содержит воздух, который сформировался над Черным морем, так как температура в этих широтах намного выше

Можно ли увидеть водяной пар

Настоящий пар прозрачен и невидим.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.

Если листок бумаги смочить в одном месте эфиром, а в другом водой, то мы заметим, что эфир испарится значительно быстрее, чем вода.

Теплопроводность воды в зависимости от температуры и давления

В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 1 до 500 атм.

Как известно, вода при атмосферном давлении закипает и переходит в пар при температуре 100°С. Коэффициент теплопроводности воды в этих условиях равен 0,683 Вт/(м·град). При увеличении давления растет и температура кипения воды (закон Клапейрона — Клаузиуса). По данным таблицы видно, при давлении в 100 раз выше атмосферного (100 бар) вода находится в виде пара при температуре от 310°С и имеет теплопроводность 0,523 Вт/(м·град).

Таким образом, следует отметить, что изменение давления влияет как на температуру кипения воды, так и на величину ее теплопроводности. Высокая теплопроводность воды достигается за счет роста давления — при повышении давления коэффициент теплопроводности воды увеличивается. Например, при давлении 1 бар и температуре 20°С вода имеет теплопроводность, равную 0,603 Вт/(м·град). При росте давления до 500 бар теплопроводность воды становится равной 0,64 Вт/(м·град) при этой же температуре.

Теплопроводность воды и водяного пара в зависимости от давления и температуры- таблица

Примечание: Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Размерность теплопроводности воды в таблице Вт/(м·град).

Молекулярная структура.

Анализ данных, полученных из спектров поглощения, показал, что три атома в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и кислородом в вершине:

Валентный угол НОН равен 104,31 ° , длина связи О–Н составляет 0,99 Å (1 Å = 10 –8 см), а расстояние Н–Н равно 1,515 Å. Атомы водорода так глубоко «внедрены» в атом кислорода, что молекула оказывается почти сферической; ее радиус – 1,38 Å.

Заключение

Водяной пар невидим, не имеет вкуса, постоянной формы, цвета и запаха. На поверхности нашей планеты он выполняет важную функцию терморегуляции. От него зависит, какой будет климат, выпадет дождь и роса.

Пар непосредственный участник круговорота воды в природе. Он испаряется с поверхности океанов, рек, болот, почвы, растений и поступает в воздух, образовывая облака, тучи и лед. С помощью конденсации он снова превращается в воду.

Жидкость — газ

Нагревание жидкости вызывает большой рост температуры, который постоянно увеличивается при нагревании, пока не достигнет максимальной точки. Выделяется огромное количество тепла, чтобы произошел этот процесс. Если газ начинает охлаждаться, его температура постепенно понижается и при пиковой точке через теплоту парообразования газ возвращается в жидкое состояние. Пар может превратиться в воду только при потере тепла. Например, при кипении воды на кухне на стекле образуется пар, и окна запотевают, как только помещение начнет терять температуру, пар теряется в равновесии и капельками скапливается на подоконнике.

Вода и водяной парДаже тело человека более чем на 60% состоит из воды, она участвует в биохимических реакциях. Вода выводит из организма вредные вещества и яды, регулирует температуру тела человека. Вода относится к главному источнику энергетических ресурсов, используется в ГЭС и превращает механическую энергию воды в электричество. Ученые почти всех стран занимались исследованием воды, проводили опыты и лабораторные работы. Пар – жидкость в равновесии это такое состояние, когда два вещества находятся в фазе газовая, а испарение равно скорости образования конденсата. Одним словом, это система превращения пар-вода. Теория равновесия достигается даже в относительно замкнутом состоянии, когда происходит контакт воды и паров без вмешательства. В 2011 году было открыто гигантское облако пара, и ученые Гарвард-Смитсоновского центра сделали доклад по описанию явления. Однозначно вода есть и в других галактиках, так как главными ее составляющими являются водород и кислород.

Физические свойства.

Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0 ° С) и кипения (100 ° С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5 Ч 10 –8 Ом –1 Ч см –1 при 0 ° С. Сжимаемость воды очень мала: 43 Ч 10 –6 см 3 на мегабар при 20 ° С. Плотность воды максимальна при 4 ° С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.

Давление паров.

Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится – все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100 ° С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90 ° С.

Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье.

Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100 ° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0 ° С.

Каталитическое действие.

Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Гидролиз.

Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl3 легко вступает в реакцию с водой:

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Сольватация.

Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий