Сухой пар: что это такое, отличительные особенности, основные параметры (температура, давление, энтальпия, плотность, испарение), энтропия, как определяется степень сухости?

Что именуют «запаркой»?

Издавна наши предки использовали для здоровья лекарственные травы и их сборы. Запаривая их на пару, они вдыхали его и вместе с купанием получали оздоровительный эффект. Не зря все хвори выгоняли при помощи русской баньки с веником да запарками.

На протяжении теплого времени года знающие люди собирали всевозможные травы, собирали их в букеты, сушили, а затем использовали как лекарство или запарку.

В настоящее время у любителей попариться в сауне или бане нет времени на то, чтобы искать места, собирать необходимые травы, а затем обрабатывать их и сушить. Поэтому следует обратиться в любой магазин с аксессуарами для бани и приобрести там специальные запарки. Они имеют вид небольших тканевых мешочков (обязательно из натурального полотна), наполненных измельченной травой или их смесью, а также упакованных одноразовых пакетиков (похожих на чайные).

Что это такое?

Сухой насыщенный пар – это прозрачный газ, образующийся из кипящей воды более высокой температуры. Сухим он назван из-за минимального содержания влаги, молекулы его находятся в газообразном состоянии, что создает динамическое равновесие с жидкостью.

Вода при нагревании поглощает тепло от источника, движение ее молекул ускоряется, она закипает. При дальнейшем нагревании вода «парит», образовавшийся газ имеет высокую температуру и давление.

Такой газ, образовавшийся непосредственно над водой, назван сухим насыщенным паром, он практически не имеет водяных частиц.

Состояние вещества неустойчиво. В процессе парообразования в емкость постоянно попадают капли воды. При незначительном охлаждении он начинает образовывать мельчайшие частички воды (конденсат). Так сухой пар переходит во влажный.

Если же емкость с сухим насыщенным паром дополнительно нагреть отдельно от воды, то его температура и объем продолжат увеличиваться. Температура полученного газа намного выше температуры кипения воды при одинаковом давлении, такой вид называется перегретым паром. При современных технологиях шкала перегретого пара доходит до 600°C.

Основные параметры

Состав формируется из соотношения частиц пара и воды. Весовая часть сухого пара в 1 кг влажного называется степенью сухости и обозначается «x».

Рассмотрим основные параметры пара:

Энтальпия (теплосодержание) – это количество энергии, необходимое для получения 1 кг пара из 1 кг воды при неизменном давлении. Для того, чтобы нагреть воду до температуры кипения 100°C, нужно затратить 100 ккал тепла.

При переходе 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар требуется дополнительная энергия, которая поможет преодолеть сцепление между молекулами воды. Причем объем полученного газа превышает прежний объем воды. Плотность – физическая величина, которая определяется соотношением массы к объему. Плотность не зависит от объема при постоянной температуре, что связано с динамическим равновесием между веществами.

Так выглядит нагрев сухого насыщенного пара на графике:

Температура и давление насыщенного пара зависят друг от друга. Для определения этой зависимости используются специальные таблицы. Такие таблицы включают значения температуры (t), давления (p), удельную энтальпию (h), удельный объем (v).

В таблицах содержится данные о точке насыщения – точке кипения, внутри которой жидкость и газ сосуществуют при постоянных температуре и давлении.

Примерная таблица изменения температуры насыщенного пара в зависимости от давления:

p – давление;
t – точка кипения (насыщения);
vf – удельный объем насыщенной жидкости;
vg – удельный объем насыщенного сухого пара;
hf – удельная энтальпия насыщенной воды (энергия, затраченная на подогрев воды от 0°C до точки кипения);
hfg – скрытое тепло испарения (энергия, израсходованная на преобразование жидкости в насыщенный пар);
hg – удельная энтальпия насыщенного сухого пара (расход энергии для получения пара из воды температуры 0°C).

В многообразии сила

Как хорошо известно, суть банных процедур заключается в воздействии на человеческое тело повышенной температуры. Из школьного курса физики все прекрасно помнят, что воздух, в чистом виде, без посторонних примесей является плохим проводником тепла. Именно это свойство в свое время использовали китайцы при изобретении термоса.

Ситуация кардинально меняется, если в воздухе присутствуют водяные пары. Его теплопроводность кардинально повышается. Научно обосновано, что наиболее мягко, комфортно и прогнозируемо происходит передача тепла из окружающей среды человеческому телу при содержании 40-60 грамм воды в 1 кг. воздуха. При меньшей абсолютной влажности для прогрева тела температура должна быть очень высокой, что чревато получением теплового удара, при содержании воды 70 гр. в кубометре воздуха и выше создаются дискомфортные условия, связанные, прежде всего, с переувлажнением воздушной среды, конденсацией избыточной влаги и аномальной передачей тепловой энергии человеческому телу.

Из сферы физиологии

Особенности строения человеческого тела таковы, что кожные покровы не имеют распределенных рецепторов, которые могут декодировать отдельно параметры окружающей температуры и влажности. Моторика отстроена так, что организм воспринимает огрубленный параметр: тепло или холодно. Это прямо пропорционально зависит от того, сколько энергии воспринято кожными покровами за определенный промежуток времени.

Виды пара

Парных дел мастера выделяют несколько разновидностей пара, в зависимости от его свойств, параметров и качеств:

Крепкий пар — классический влажный пар с содержание воды в кубометре воздуха в районе 70-82 грамм при температуре 82-90 градусов Цельсия;
Расслабляющий пар имеет следующие параметры: влажность 38-62 гр. воды на 1 кубометр воздуха при окружающей температуре 68-82 градуса;
Нормальный или свежий пар: влажность 40-62 грамма на кубометр при температуре 82-90 градусов;
Колкий или жгучий пар: 55-60 грамм воды на кубометр воздуха при окружающей температуре 92-105 градусов Цельсия.

Немного о комфорте

Учитывая температурное распределение зон в помещении парной, или говоря банным языком, «теплового расслоения» можно рекомендовать как наиболее комфортную зону, имеющую приемлемую температуру и влажность в области головы и верхней части тела, ту которая находиться ниже уровня потолка парной примерно на расстоянии 105-125 см.

Исходя из стандартных потолков в банях, высотой 200-230 см. это примерно в 1 метре от уровня пола. В этом случае достаточно легко выполнить золотое правило парного помещения: оборудуй верхнюю кромку каменки на уровне ступней сидящего на полке человека.

Отвечая на вопрос, сухой пар что это такое, можно процитировать старую финскую поговорку: «лучше потратить лишнюю охапку дров, чем отплевываться водой», что в переводе на общепонятный язык означает, что для комфортного времяпровождения в парном отделении стоит поднять температуру, но вряд ли нужно злоупотреблять поливанием водой каменки и создавать избыточную влажность.

В качестве наглядного примера приводим таблицу зависимости естественной влажности воздуха от температуры окружающей среды при нормальном атмосферном давлении:

Температура окружающей среды, градусов Цельсия	Насыщенность воздуха водяным паром, грамм в метре кубическом
	4,85
5	6,80
10	9,41
15	12,84
20	17,32
25	23,07
30	29,98

Давление насыщенного пара

Величина давления насыщенного пара зависит от температуры и типа вещества. При повышении температуры давление насыщенного пара обычно увеличивается. Для каждого вещества существует зависимость, которая представляется в виде графика.

Давление насыщенного пара играет важную роль в различных отраслях науки и промышленности. Например, в гидрологии оно используется для изучения и прогнозирования погодных явлений, таких как образование облаков и выпадение атмосферных осадков. В технике и энергетике давление насыщенного пара используется для работы паровых двигателей и котлов.

Знание давления насыщенного пара является важным для рассмотрения физических процессов, связанных с переходом вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. Кроме того, оно является основой для расчета конденсационных и испарительных процессов, используемых в различных технических системах.

Понимание давления насыщенного пара позволяет более полно и точно описывать физические свойства вещества и его взаимодействие с окружающей средой.

Энтальпия насыщенного пара

Энтальпия насыщенного пара является функцией состояния и зависит от температуры и давления среды. Она позволяет оценить тепловой потенциал пара и изучить его свойства, например, при проектировании теплообменных аппаратов и систем пароустановок.

Параметры	Единицы измерения
Температура	Градус Цельсия (°C)
Давление	Мегапаскаль (МПа)
Энтальпия	Килоджоуль на килограмм (кДж/кг)

С помощью таблиц насыщенного пара и графиков можно определить энтальпию насыщенного пара при заданных условиях, что позволяет проводить расчеты и анализ процессов, связанных с тепломассообменом и парогенерацией.

Климатические эффекты

Таблица зависимости

Зависимость различных параметров насыщенного пара от его температуры приведена ниже.

°C	ABS — кгс/см2	U — м3/кг	P — кг/м3	hf-кДж/кг	h — кДж/кг	L — кДж/кг
0,006	206	0,004	2493	2493
5	0,008	147	0,006	20	2502	2481
10	0,01	106	0,009	41	2512	2470
20	0,02	57	0,01	83	2532	2448
30	0,04	32	0,03	125	2551	2425
40	0,07	19	0,05	167	2570	2403
50	0,12	12	0,08	209	2589	2380
60	0,20	7,6	0,13	251	2608	2356
70	0,31	5,	0,19	293	2626	2333
80	0,48	3,41	0,2	335	2644	2310
90	0,71	2,3	0,4	377	2662	2285
100	1,03	1,6	0,5	419	2679	2260
374	225	0,0031	332	2100	2100

Согласно таблице, можно проследить следующие зависимости от температурного параметра:

рост абсолютного давления пара (ABS);
снижение его объема (U);
увеличение плотности (P);
увеличение энтальпии жидкости (hf) и энтальпии пара (h);
снижение удельной теплоты парообразования (L).

Исключением является температурный порог сверхкритической воды 374 градуса. При такой температуре прослеживается: равенство энтальпии пара и воды, полное отсутствие удельной теплоты парообразования.

Как определяется степень сухости?

Для техники, работающей на его основе, увеличение влажности приводит к дополнительным затратам из-за коррозии и порчи оборудования. Чтобы избежать материальных потерь, следует использовать сухой насыщенный водяной пар.

Сухость пара влияет на количество отдаваемой энергии (скрытой теплоты), от которой напрямую зависит качество нагрева.

Степень сухости определяется его коэффициентом, который показывает долю воды в паре. Для этого отбирается проба пара, измеряется его температура, затем проба нагревается. Измеряется давление до нагрева пробы и после, по результатам полученных данных вычисляется сухость.

Сухость пара (x) определяется по формуле:

Где:

mc – масса сухого пара;
mk – масса капельной влаги в том же объеме пара.

Что такое абсолютная плотность водяного пара?

Абсолютной плотностью пара принято считать показатель насыщенного пара в динамическом равновесии испарения и конденсации.

Плотность насыщенного пара при различных термических показателях варьирует, определяется по формуле:

= 216,49 * P / (Z * (T°+ 273)), где:– плотность насыщенного пара в кг/м;P – абсолютное давление в барах;T° – температура в градусах Цельсия, изменяемая в шкалу Кельвина (+ 273);Z – коэффициент, выражающий зависимость от способности сжатия насыщенного пара при показателе давления Р и температуре T°.

С абсолютной плотностью пара связано понятие абсолютной влажности воздуха. Значение абсолютной влажности отличается от плотности в связи с измерением ее согласно Международной метрической системе мер с коррекцией температуры по шкале Кельвина.Как меняется плотность пара при изменении температуры?

Зависимость плотности пара от температуры прямая, но не линейная. Этим водяной пар отличается от сухого газа.

При достижении температуры, соответствующей точке росы, линейная зависимость плотности от температуры модифицируется в экспоненциальную (плотность стремительно растет до полного испарения зарезервированной воды). Когда вся жидкость переходит в газообразное состояние – линейная зависимость возобновляется. Эти переходы изображены на графике.

График зависимости плотности насыщенного пара от Т° при полном испарении воды (А–В – кривая зависимости насыщенного пара;В–С – линейная зависимость ненасыщенного пара).

Насыщенный (сухой) пар

Черная линия вышеприведенного графика показывает, что насыщенный пар появляется при такой температуре и давлении, при которых пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, он образуется тогда, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.

Преимущества использования насыщенного пара для подогрева

Свойства насыщенного пара делают из него отличный источник тепла особенно при температуре 100 °C и выше. Вот некоторые из этих свойств:

Свойства	Преимущества
Обеспечивает быстрое и равномерное нагревание за счет передачи скрытой теплоты	Улучшает качество продукта и повышает производительность
Давление может контролировать температуру	Температура устанавливается быстро и точно
Гарантирует высокий коэффициент теплопередачи	Требуемая площадь теплообмена меньше, что позволяет снизить первоначальные затраты на оборудование
Образовывается из воды	Безопасный, чистый и недорогой

Полезные советы

С учетом сказанного, при подогреве насыщенным паром необходимо помнить о следующих моментах:

эффективность подогрева может уменьшиться, если в данном процессе используется любой другой пар, кроме сухого. Вопреки общераспространенному мнению, фактически весь пар, производимый в котле — это не сухой насыщенный пар, а влажный, содержащий часть неиспарившихся молекул воды.
Потеря теплового излучения приводит к тому, что часть пара конденсируется. Получившийся влажный пар становится еще более влажным, к тому же образуется конденсат, который надо удалить, установив там, где это необходимо, конденсатоотводчики.
Образованный из пара тяжелый конденсат может быть выведен конденсатоотводчиками в специальные коллекторы. Однако этот влажный пар снизит эффективность нагрева, поэтому его следует удалить через устройства очистки или распределительные сборники.
В паре, в котором снижается давление за счет трения в трубопроводе и т.д., также может понизиться температура.

§ 9. Испарение и конденсация. Насыщенный пар

Насыщенный пар.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называют насыщенным паром.

Давление такого пара называют давлением насыщенного пара.

Насыщенный пар обладает свойствами, отличающимися от свойств идеального газа.

Первое отличие состоит в том, что давление насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Число молекул, переходящих из жидкости в пар через единичную площадку за единичный промежуток времени, зависит только от состава жидкости и её температуры. Число молекул, переходящих из пара в жидкость, зависит от концентрации пара, а значит, от его давления. Поэтому сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию числа молекул, переходящих в жидкость. В результате число молекул пара уменьшается и спустя некоторый промежуток времени устанавливается прежнее давление, если температура жидкости сохранялась неизменной. При увеличении объёма пара его давление, наоборот, уменьшается. Вместе с этим уменьшается и число молекул, переходящих из пара в жидкость. В результате число молекул, которые покидают поверхность жидкости (оно не изменяется при T = const), превышает число молекул, возвращающихся в жидкость. Равновесие опять восстанавливается при достижении первоначального значения давления.

Второе отличительное свойство: при увеличении температуры давление p_н насыщенного пара возрастает значительно быстрее, чем давление р_и.г идеального газа. В случае идеального газа рост давления обусловлен только увеличением его температуры (p = nkT, V = const). В случае же насыщенного пара рост температуры приводит к увеличению числа молекул, переходящих из жидкости в пар, т. е. к росту концентрации молекул пара. В соответствии с формулой p = nkT давление пара увеличивается не только в результате непосредственного повышения температуры, но и в результате увеличения концентрации молекул пара, вызванного всё тем же повышением.

Давление насыщенного пара зависит также и от рода жидкости. Чем меньше силы взаимодействия между молекулами жидкости, тем больше концентрация молекул насыщенного пара, а значит, тем больше его давление и плотность.

При изменении объёма насыщенного пара его масса также изменяется. Поэтому законы идеального газа для изопроцессов можно применять к пару только в том случае, если он далёк от насыщения и его масса остаётся неизменной.

Однако уравнение Клапейрона–Менделеева можно использовать для нахождения любых параметров (p, V, T, m, ρ) насыщенного пара.

Давление (плотность) насыщенного пара при данной температуре — максимальное давление (плотность), которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью при этой температуре.

От теории к практике

1. В сосуде находится жидкость и её насыщенный пар. Зависит ли давление насыщенного пара от: а) рода жидкости; б) объёма сосуда; в) температуры жидкости; г) площади свободной поверхности жидкости?

2. Значение температуры жидкости, находящейся в динамическом равновесии со своим паром, t = 100 C°. Как изменится давление пара, если при неизменной температуре его объём медленно: а) вдвое увеличить; б) вдвое уменьшить?

Испарение и конденсация

Что такое насыщенный пар

Заключение

Влажность пара очень важная составляющая банной процедуры, которая определяет ее эффективность и общий комфорт. Свойства нагретого влажного воздуха напрямую отождествляются законами физики и особенностями физиологии. Пар с пониженной влажностью, традиционная прерогатива сухопарной финской сауны. Ее предопределили традиции народа, а в какой то степени, и особенности быта. Дело в том, что по статистике на 2 млн. финских семей приходится 1 млн. саун, причем, большое их количество расположено в цокольных этажах многоквартирных зданий и подвальных помещениях. Низкая влажность пара гарантирует низкое водопоглощение и отсутствие сырости в элементах сооружений и, как следствие, долгие годы эксплуатации без ремонта. Что делать, видимо финны даже куда большие прагматики, чем немцы.