3.2 Вода и водяной пар

Вода, как и любое другое вещество, может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях, а в зависимости от соотношения давления и температуры - одновременно в двух и даже в трех состояниях.

Таким образом, вода может быть гомогенной системой (лед, вода, пар) и гетерогенной системой (пар-вода, вода-лед, пар-лед, пар-вода-лед).

Каждая гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках, называется фазой.

Фазовым переходом называется процесс, сопровождающийся затратой теплоты и изменением объема, в котором происходит изменение агрегатного состояния вещества. Переход вещества из одной фазы в другую происходит через поверхность раздела фаз.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением, из твердого в газообразное - сублимацией, из жидкого в газообразное - парообразованием. Обратные процессы соответственно называют затвердеванием, десублимацией и конденсацией.

В свою очередь, процесс парообразования реализуется в виде испарения и кипения.

Испарением называется парообразование, которое происходит только с поверхности жидкости. Кипение - процесс превращения жидкости в пар, который происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри нее, т.е. это процесс парообразования во всей массе жидкости.

Газообразная фаза воды в зависимости от температуры и давления может быть в виде сухого насыщенного, перегретого и влажного насыщенного пара.

Сухой насыщенный пар - это пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью на границе раздела фаз, не содержащий частиц жидкой фазы.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то его температура будет возрастать и пар становится перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой сухого насыщенного пара называется степенью перегрева.

Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плотность меньше плотности сухого ненасыщенного пара, а удельный объем больше.

Влажный пар является гетерогенной системой, которая может быть двух- или трехфазной.

При температуре выше 0 °С и давлении больше 0,61 кПа (для плоской поверхности раздела фаз) влажный пар состоит из водяного пара и воды; при температуре 0 °С и давлении 0,61 кПа влажный пар состоит из водяного пара, воды и льда, а при температуре ниже 0 °С и давлении меньше 0,61 кПа - из водяного пара и льда.

Указанные выше параметры характеризуют тройную точку воды, которой соответствует давление 0,61 кПа и температура 0,01 °С. В тройной точке внутренняя энергия, энтальпия и энтропия воды условно принимаются равными нулю.

3.3 Влажный воздух

В термодинамике атмосферный воздух рассматривают как смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара, который может быть в перегретом, насыщенном или в сконденсированном взвешенном состоянии в виде капельного или ледяного (при отрицательной температуре) тумана.

Последнее состояние является неустойчивым и изучается обычно при решении некоторых специальных задач, например в холодильной технике.

При расчетах систем вентиляции и кондиционирования атмосферный воздух считают бинарной гомогенной смесью, в состав которой входят сухой воздух и водяной пар.

Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется ненасыщенным влажным воздухом, а смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром - насыщенным влажным воздухом. При этом условие насыщения рассматривается как равновесное состояние между водяным паром во влажном воздухе и водой в жидкой или твердой фазах при одинаковой температуре на плоской поверхности раздела.

Количество водяного пара во влажном воздухе изменяется от нуля (сухой воздух) до некоторого максимального значения, которое зависит от температуры и барометрического давления, и в процессах кондиционирования обычно не превышает 3 ... 4%.

Поэтому с достаточной для технических расчетов точностью влажный воздух можно считать идеальным газом, который подчиняется всем законам смеси идеальных газов, хотя в ряде случаев необходимо учитывать реальные свойства водяного пара. Термодинамические свойства сухого воздуха и водяного пара различны, поэтому свойства влажного воздуха зависят от его количественного состава.

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Согласно закону Дальтону можно записать:

(1)

где Р_вв - давление влажного воздуха (смеси);

Р_{с в} - парциальное давление сухого воздуха в смеси;

Р_п - парциальное давление пара.

Рисунок 1 – pv диаграмма водяного пара

Если температура влажного воздуха t_воз выше температуры насыщения t_H, соответствующей парциальному давлению пара, то пар во влажном воздухе является перегретым, а влажный воздух является насыщенным. Такое состояние пара соответствует точке 1 на pv-диаграмме (рисунок 1).

Если ненасыщенный влажный воздух охлаждать при p = const, то может наступить момент начала конденсации, когда р_п = p_H (p_H - давление насыщенного пара).

Это состояние пара во влажном воздухе соответствует точке А на верхней пограничной кривой х = 1. При этом справедливо соотношение:

(2)

В этом случае пар во влажном воздухе становится сухим насыщенным.

При дальнейшем охлаждении смеси пар начнет конденсироваться, то есть будет наблюдаться образование тумана (выпадение росы). Температура, при которой в изобарном процессе охлаждения парциальное давление пара р_п становится равным давлению насыщения р_н, называется температурой точки росы.

Изложенное показывает, что парциальное давление пара во влажном воздухе не может быть выше давления насыщения, то есть

pn < pH.

(3)

Из (3) следует, что массовая доля пара во влажном воздухе ограничена парциальным давлением пара, которое не может быть выше давления насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха.

Чем выше p_H относительно p_n, тем воздух менее влажен. Содержание влаги в воздухе характеризуют абсолютная, относительная влажность и влагосодержание во влажном воздухе.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м³ влажного воздуха. Она обозначается через ρ_п и измеряется в кг/м³ или г/м³. Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе:

		(4)
	(5)

Отношение действительной абсолютной влажности воздуха ρ_п к максимально возможной абсолютной влажности ρ_н при той же температуре называется относительной влажностью.

,

(6)

где Р_п – парциальное давление водяного пара во влажном воздухе;

Р_н – максимально возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Относительная влажность обычно выражается в процентах и изменяется в пределах . Для сухого воздуха , для насыщенного .

При повышении температуры (при p= const) относительная влажность уменьшается, а абсолютная влажность не меняется.

Отношение массы водяного пара m_п, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха m_с.в. называется влагосодержанием d воздуха и измеряется в килограммах на килограмм

(7)

где и - парциальные плотности водяного пара и воздуха, кг/м³.

Влагосодержание ненасыщенного влажного воздуха определяется формулой

(8)

Влагосодержание воздуха в состоянии насыщения определяется как

(9)

откуда

(10)

В процессах изменения состояния влажного воздуха влага может вводиться или удаляться из смеси и содержание пара вследствие фазового перехода может изменяться. Стабильным остается только масса сухого воздуха.

Энтальпия влажного воздуха Н массой (1 + d) кг складывается из удельной энтальпии 1 кг сухого воздуха и энтальпии d кг пара, в нем содержащегося, (кДж/кг сухого воздуха):

Н = hс.в. + d; hn = Ср с.в.t+dhп.

(11)