Существует непосредственная зависимость между температурой насыщения жидкости и окружающим давлением. Как было отмечено ранее, увеличение давления жидкости поднимает температуру насыщения. И наоборот, сокращение давления жидкости понижает температуру насыщенности.
Рассмотрим закрытый сосуд с водой при температуре 22,2°С. На сосуд установлены дроссельный клапан, манометр и два термометра для контроля процесса. Клапан регулирует давление в сосуде. Манометр показывает давление в сосуде, а термометры измеряют температуру пара и жидкой воды. Атмосферное давление вокруг сосуда равно 101,3 кПа.
В сосуде образован вакуум, и закрыт клапан. При внутреннем давлении в 68,9 кПа температура насыщения воды 89,6°С. Это значит, что кипение не произойдет, пока давление пара не достигнет 68,9 кПа. Так как максимальное давление пара при температуре жидкости 22,2°С 2,7 кПа, кипения не будет, если жидкости не сообщить большое количество энергии.
Вместо кипения при данных условиях начнется испарение, так как давление пара жидкости ниже давления насыщенного пара, которое зависит от температуры воды. Так будет продолжаться до тех пор, пока объем над жидкостью не будет насыщенным водным паром. По достижении состояния равновесия температура жидкости и окружающей среды будет одинаковой, теплопередача прекратится, количество молекул пара, отделяющихся от воды и возвращающихся в нее, будет одинаковым, и давление пара будет равно давлению насыщения жидкости, которое зависит от ее температуры. По достижении состояния равновесия давление пара достигнет максимального значения 2,7 кПа, и объем жидкости останется постоянным.
Если по достижении начального состояния равновесия открыть клапан, давление в сосуде быстро вырастет до 101,3 кПа. Следовательно, температура кипения воды вырастет до 100°С. Так как температура воды останется 22,2°С, давление пара воды остается 2,7 кПа. Давление пара воды уменьшится, так как пар выходит из сосуда через клапан, и процесс испарения начинается снова.
При увеличении теплопередачи сосуду в результате сжигания топлива, температура воды начинает повышаться до 100°С. Повышение температуры воды вызывает выделение большего количества молекул пара в результате увеличения кинетической энергии, что повышает давление пара до 101,3 кПа. Увеличение давления пара — это следствие изменения температуры жидкой воды. При увеличении температуры жидкости давление насыщенного пара также повышается. Как только давление пара достигает атмосферного давления, начинается кипение. Основанный на потенциальной энергии процесс изменения состояния в результате кипения происходит при постоянной температуре. Вода будет принудительно изменять состояние на газообразное до тех пор, пока сосуд получает достаточно теплоты.
При отделении молекул пара от поверхности жидкости и движении в сосуде некоторые молекулы теряют кинетическую энергию в результате столкновений и падают в жидкость. Некоторые молекулы выходят из сосуда через открытый клапан и рассеиваются в атмосфере. Пока клапан выпускает пар, давление пара и давление в сосуде останется 101,3 кПа. При этом пар останется насыщенным, и его температура и давление будут такие же, как и у жидкости: 100°С при 101,3 кПа. Плотность пара при такой температуре и давлении 0,596 кг/м3, а его удельный объем обратный плотности, равен 1,669 мг/кг.
Испарение
Испарение — это тонкий термодинамический процесс, вызванный медленной передачей теплоты жидкости от окружающей среды. Процесс испарения производит быстрые изменения объема или массы жидкости. Испарение происходит в результате поглощения молекулами жидкости тепловой энергии из окружающей среды вследствие небольшой разницы температур. Данное увеличение энергии соответственно увеличивает кинетическую энергию жидкости. При передаче кинетической энергии в результате столкновений некоторые молекулы около поверхности достигают скоростей, которые намного выше, чем средняя скорость соседних молекул. При приближении некоторых молекул, обладающих высокой энергией, к поверхности жидкости они нарушают связи, преодолевают силу притяжения и переходят в атмосферу как молекулы пара.
Парообразование испарением происходит, если давление пара над жидкостью ниже, чем давление насыщения, которое соответствует температуре жидкости. Другими словами, испарение происходит, когда линии давления и температуры пара жидкости пересекаются на линии температуры насыщения в точке ниже атмосферного давления. Данные условия находятся на линии температуры насыщения ниже горизонтальной линии давления пара, которое соответствует температуре жидкости.
Объем испаряющейся жидкости непрерывно понижается при отделении молекул от поверхности и внедрении в окружающую атмосферу. После отделения некоторые молекулы пара сталкиваются с другими в атмосфере, передавая часть кинетической энергии. Когда сокращение энергии снижает скорость молекул пара ниже уровня отделения от жидкости, они попадают обратно и таким образом восстанавливают часть потерянного объема. Когда количество молекул, отделяющихся от жидкости, равняется количеству падающих обратно, возникает состояние равновесия. Как только возникает такое состояние, объем жидкости останется неизменным, пока изменения давления пара или температуры не произведут соответствующие изменения интенсивности испарения.
Давление пара
Величину давления пара в атмосферном воздухе можно наглядно иллюстрировать следующим опытом. Если в трубку ртутного барометра снизу впустить пипеткой несколько капель воды, всплывающей кверху, через некоторое время уровень ртути в барометре понизится из-за образования в торричеллиевой пустоте Водяного пара. Последний создает свое парциальное давление рн, действующее равномерно во все стороны, в том числе и на понижающуюся поверхность ртути.
При проведении аналогичного опыта в условиях с большей температурой пара в трубке барометра значение р увеличится (на поверхности ртути должно оставаться немного воды). Такие опыты показывают на повышение давления насыщенного пара с возрастанием его температуры. При температуре пара в трубке 100° С уровень ртути в ней опустится до ее уровня в чашке барометра, так как давление пара будет равно атмосферному давлению. Этим методом изучают функциональную зависимость между указанными параметрами пара.
Давление пара, как и всякого газа, может быть выражено в паскалях. При проведении измерений и расчетов в лесосушильной технике отсчитывают давление пара от нулевого значения давлений. Иногда за начало отсчета давлений принимают избыточное против барометрического. Первое больше второго на 0,1 МПа. Например, 0,6 МПа будет соответствовать 0,5 МПа, отсчитанным по манометру на паровом котле или паропроводе.
Температура насыщения
Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или наоборот, называют температурой насыщения. Жидкость при температуре насыщения называют насыщенной жидкостью, а пар при температуре насыщения называется насыщенным паром. Для любых условий окружающей среды или давления температура насыщения — это максимальная температура, при которой вещество остается в жидкой фазе. Также это минимальная температура, при которой вещество существует как пар. Температура насыщения различных жидкостей различна и зависит от давления жидкости. При стандартном атмосферном давлении железо испаряется приблизительно при 2454°С, медь — при 2343°С, свинец — при 1649°С, вода — при 100°С, а спирт — при 76,7°С. Другие жидкости испаряются при исключительно низких температурах. Аммиак испаряется при −33°С, кислород — при −182°С, а гелий при −269°С при стандартном атмосферном давлении.
Интенсивность испарения
Движение атмосферы над испаряющейся жидкостью напрямую связано с интенсивностью испарения. Если скорость атмосферы над поверхностью жидкости увеличивается, интенсивность испарения также растет, так как молекулы пара не накапливаются над поверхностью жидкости. Следовательно, давление пара над жидкостью остается более низким, что сокращает количество кинетической энергии, которая требуется молекуле для отделения от поверхности и таким образом увеличивает интенсивность испарения. Если поместить над сосудом с водой вентилятор, интенсивность испарения увеличится, и жидкость испарится за более короткое время.
Другой фактор, который затрагивает интенсивность испарения, это площадь поверхности жидкости, которая открыта в атмосферу. При увеличении площади поверхности интенсивность испарения возрастает, так как масса молекул пара распространяется по большей площади, что сокращает давление на жидкость. Сокращение давления пара уменьшает количество кинетической энергии, необходимой молекулам для отделения от поверхности жидкости, что увеличивает интенсивность испарения. Следовательно, если объем воды из сосуда, переместить в бутылку, площадь поверхности жидкости значительно сократится, и потребуется больше времени для испарения воды.