Когда вода превращается в пар: изучаем энергию фазового перехода

Пар — это газообразное состояние вещества, которое образуется при достаточно высокой температуре и давлении. Вода имеет точку кипения при 100 градусах по Цельсию при нормальном давлении, и чтобы превратиться в пар, ей необходимо поглотить определенное количество теплоты.

Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар при const давлении, называется теплотой парообразования. Это значение можно рассчитать с помощью следующей формулы:

Q = m * Hv

где:

• Q — теплота парообразования;
• m — масса вещества;
• Hv — удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования воды равна 2,26 * 10^6 Дж/кг. Если жидкость нагревается при постоянном давлении, то графически это изображается в виде диаграммы фазового перехода. На такой диаграмме можно видеть изменение температуры и состояния вещества в зависимости от применяемого давления.

Диаграмма фазового перехода для воды состоит из трех областей — твердого, жидкого и газообразного состояний вещества. Пусть на диаграмме точка «B» представляет собой температуру кипения при нормальном давлении (100 градусов). При повышении температуры твердое состояние вещества переходит в жидкое, приращение температуры сопровождается поглощением некоторого количества теплоты. Далее, при достижении точки «D» жидкость начинает насыщаться паром, и температура перестает расти на протяжении всего процесса нагрева, пока все вещество не превратится в пар. При этом жидкость и пар существуют в двухфазном состоянии.

Фазовые переходы

Фазовые переходы представляют собой изменения состояний вещества под воздействием теплового воздействия. Вода, например, имеет три основных фазовых состояния: твердое, жидкое и газообразное. Фазовые переходы между этими состояниями происходят при определенных значениях температуры и давления, что отображается на фазовой диаграмме.

На диаграмме видно, что при нормальном давлении (при 1 атм) вода находится в жидком состоянии при температурах до 100 градусов по Цельсию. При дальнейшем увеличении температуры до 100 градусов происходит фазовый переход между жидкостью и паром — это процесс кипения. Обратный процесс, при котором вода переходит из пара в жидкое состояние, называется конденсацией.

При повышении давления точка кипения воды увеличивается, а точка плавления (переход из твердого в жидкое состояние) уменьшается. Также можно заметить, что линии фазовых переходов на диаграмме имеют прямую и обратную форму. Линия испарения отображает фазовый переход из жидкости в пар при непосредственном нагревании насыщенного пара (это происходит при постоянной температуре и давлении). Линия конденсации, наоборот, показывает фазовый переход из пара в жидкость при постоянной температуре и давлении.

Точка насыщения на диаграмме обозначает состояние, при котором смесь пара и жидкости находится в равновесии. На этой точке происходит фазовый переход между жидкостью и паром без изменения кол-ва массы вещества.

Если двухфазное состояние пара и жидкости находится слева от линии насыщения, то пар называется насыщенным. В этом случае, при дальнейшем нагреве или снижении давления, дополнительный пар превращается в жидкость, а при обратном процессе — дополнительная жидкость превращается в пар.

Если пар находится справа от линии насыщения, то он является перегретым. В этом случае, пар не может конденсироваться в жидкость при уменьшении температуры или увеличении давления, пока не будет достигнута линия насыщения.

Фазовые переходы имеют большое значение в различных областях, от техники до пищевой промышленности. Например, при приготовлении пищи можно использовать энергию фазового перехода воды при кипении для улучшения процесса готовки.

Другим примером фазовых переходов является десублимация — процесс превращения пара в лед, минуя жидкое состояние. Также известен фазовый переход из твердого состояния льда напрямую в пар, без промежуточного жидкого состояния — это процесс сублимации.

Фазовые состояния и превращения воды

Жидкое состояние

При обычных условиях (например, при комнатной температуре и атмосферном давлении) вода находится в жидком состоянии. В жидкой фазе молекулы воды находятся достаточно близко друг к другу, чтобы образовывать водяные связи, но достаточно свободно двигаться.

Газообразное состояние

При повышении температуры вода может перейти в газообразное состояние, то есть водяной пар. В газообразной фазе молекулы воды двигаются свободно и отделяются друг от друга.

Фазовые превращения между жидким и газообразным состояниями воды называются испарением и конденсацией соответственно. При повышении температуры вода испаряется, а при снижении температуры происходит конденсация водяного пара обратно в жидкую форму.

Твердое состояние

При снижении температуры жидкая вода превращается в твердое состояние, то есть лед. В твердой фазе молекулы воды располагаются в упорядоченной решетке.

Фазовые переходы между жидким и твердым состояниями воды называются плавлением и замерзанием соответственно. При повышении температуры вода плавится, а при снижении температуры происходит замерзание жидкой воды в лед.

Диаграмма состояний вещества наглядно показывает изменения фазовых состояний воды при различных температурах и давлениях. На диаграмме можно увидеть точки плавления и кипения, границу раздела между жидкой и газообразной фазами и т.д. При повышении температуры точка плавления и кипения воды смещаются вправо, а при снижении температуры — влево.

Увеличение давления также влияет на фазовые состояния и превращения воды. При повышении давления точка кипения воды увеличивается, а при снижении давления — уменьшается. Также, с увеличением давления вода может переходить из жидкой формы непосредственно в паровую, минуя фазу гравитационной жидкости, что называется перегретым паром.

Видео:

Пар водяной. Применение на производстве. Обучение персонала. Часть 2

Пар водяной. Применение на производстве. Обучение персонала. Часть 2 by Maksym Selianynov 10,679 views 6 years ago 42 minutes