Парообразование и конденсация

Жидкость превращается в пар (газ) при испарении и кипении. Эти процессы объединяются одним названием «парообразование», но между этими процессами существует разница.

Испарение происходит со свободной поверхности любой жидкости постоянно. Физическая природа испарения – вылет с поверхности молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения. Жидкость при этом охлаждается. В промышленности этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды.

Кипение (как и испарение) – переход вещества в парообразное состояние, но оно происходит по всему объему жидкости и только при подведении к жидкости теплоты. При дальнейшем нагревании температура жидкости остается постоянной, а жидкость продолжает кипеть.

Температура кипения зависит от давления пара над жидкостью, с понижением давления температура кипения снижается и наоборот. Снижая давление пара над жидкостью, можно снизить температуру кипения жидкости до точки ее замерзания, а выбирая вещества с нужными свойствами можно получить практически любую низкую температуру.

Количество теплоты необходимое для перехода 1кг жидкости в парообразное состояние называют удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Температура, при которой происходит испарение, называется температурой насыщения. Пар может быть влажным и сухим (без капель жидкости). Пар может быть перегретым и иметь температуру перегрева выше температуры насыщения.

Эти процессы используются в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящей жидкостью является хладагент, а аппарат, в котором он кипит, забирая тепло от охлаждаемого вещества – испарителем. Количество теплоты, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

Q=Mr

где M - масса жидкости превращающейся в пар; r - теплота парообразования.

Температура кипения жидкости зависит от давления. Эта зависимость изображается кривой упругости насыщения пара.

Для наиболее распространенного в холодильной промышленности хладагента – аммиака, такая кривая приведена на рис. 3, из которого видно, что при давлении равном атмосферному (0,1МПа) соответствует температура кипения аммиака -30°С, а при 1,2Мпа - +30°С.

Превращение насыщенного пара в жидкость называется конденсацией, которая происходит при температуре конденсации, зависящей также от давления. Температура конденсации и кипения при определенном давлении однородного вещества одинаковы. Этот эффект используется в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации воздуху.

Сублимация

Вещество может переходить из твердого состояния непосредственно в пар. Этот процесс называется сублимацией. Поглощаемая из окружающего воздуха теплота, расходуется на преодоление сил сцепления молекул и влияния внешнего давления, препятствующего этому процессу.

В обычных условиях сублимируют не многие вещества – твердый диоксид углерода (сухой лед), йод, камфара и др.

Для охлаждения и получения низких температур применяют сухой лед, обеспечивающий при атмосферном давлении температуру -78,3°С, а понижая давление можно достичь -100°С.