水蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)
水在一定的壓力下加熱達(dá)到某個(gè)溫度,例如沸點(diǎn)溫度或稱飽和溫度Ts 時(shí)水就開始沸騰。達(dá)到飽和溫度的水稱飽和水,繼續(xù)加熱水便逐漸汽化,這時(shí)水和蒸汽的溫度保持不變,水完全變成蒸汽時(shí),溫度仍保持不變。這時(shí)的蒸汽稱干飽和蒸汽或飽和蒸汽。水還沒完全變成飽和蒸汽之前,飽和水和飽和蒸汽共存,這時(shí)的蒸汽稱為濕飽和蒸汽,或稱濕蒸汽。如果對(duì)飽和蒸汽再加熱,蒸汽溫度開始上升。這時(shí)蒸汽的溫度超過飽和溫度,此時(shí)的蒸汽稱作過熱蒸汽。在不同的壓力下,水的飽和溫度也不同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:水的飽和溫度隨壓力的提高而上升。只有在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力760(×133 Pa)下,水的沸點(diǎn)溫度才是100℃,在其他的壓力下水的飽和溫度可查表獲得。
假設(shè)有一個(gè)容器,裝進(jìn)一定量的水(不裝滿),然后將留在容器中水面上方的空氣抽走,并將容器封閉。空氣抽出后,水面上方不可能是真空狀態(tài),而是充滿了水蒸汽(由水蒸發(fā)而得)。水蒸汽分子處于紊亂的熱運(yùn)動(dòng)中,它們相互碰撞并和水面碰撞。在和水面碰撞時(shí),有的仍然彈回來,有的就掉進(jìn)水面變成水分子。水蒸汽的壓力愈大,在單位時(shí)間內(nèi)掉進(jìn)水里的水蒸汽分子的數(shù)目就愈多。另一方面,容器中水的分子在做不停息的熱運(yùn)動(dòng),水面附近動(dòng)能較大的水分子有可能掙脫水面,變成水蒸汽分子。水的溫度愈高,分子運(yùn)動(dòng)愈劇烈,在單位時(shí)間內(nèi)脫離水面的分子就愈多。在一定溫度下,水蒸汽的壓力總會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定在一定數(shù)值上,這時(shí)進(jìn)入水面和脫離水面的分子數(shù)相等,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),也就是所謂的飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)下的水稱飽和水;飽和狀態(tài)下的水蒸汽稱飽和水蒸汽;飽和蒸汽的壓力成為飽和壓力Ps,飽和液體(或飽和蒸汽)的溫度成為飽和溫度Ts。改變飽和溫度,飽和壓力也會(huì)相應(yīng)的變化。一定的飽和溫度總是對(duì)應(yīng)著一定的飽和壓力;一定的飽和壓力總是對(duì)應(yīng)著一定的飽和溫度。飽和溫度愈高,飽和壓力也愈高。
由實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出飽和溫度與飽和壓力的關(guān)系,如圖1 所示。當(dāng)溫度超過一定的數(shù)值tK 時(shí),液態(tài)水不可能存在,而只可能是水蒸汽,tK 稱為臨界溫度。與臨界溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力PK 稱為臨界壓力。所以臨界溫度和臨界壓力是最高的飽和溫度和飽和壓力。水(或者水蒸汽)的臨界狀態(tài)參數(shù)值為:
當(dāng)壓力低于一定的數(shù)值PA 時(shí),液態(tài)水也不可能存在,而只能是水蒸汽或者冰。PA 稱為三相點(diǎn)壓力。與三相點(diǎn)壓力相應(yīng)的飽和溫度tA 稱為三相點(diǎn)溫度。所以三相點(diǎn)壓力和三相點(diǎn)溫度是最低的飽和壓力和飽和溫度。水的三相點(diǎn)溫度和三相點(diǎn)壓力為:
使1 kg 的飽和水在一定壓力下,完全變成相同溫度的飽和水蒸汽,所需加入的熱量稱為水的汽化潛熱,用符號(hào)r 表示,它的單位是kJ/kg。
水的汽化與凝結(jié)
在液體的內(nèi)部進(jìn)行汽化的過程稱為沸騰,它必須在一定條件下進(jìn)行。它的溫度t 要比飽和溫度tS 稍高一些,即液體必須處于過熱的情況下才能沸騰,過熱度Δt=(t- tS)越高,則沸騰愈強(qiáng)烈。在液體表面進(jìn)行汽化的過程稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)在任何狀態(tài)下都在進(jìn)行。
當(dāng)蒸汽與溫度t 低于飽和溫度tS 的壁面接觸時(shí)蒸汽就會(huì)在壁面上凝結(jié)為液體。潤(rùn)濕性液體(液體對(duì)固體壁面的附著能力和液體能否潤(rùn)濕壁面有關(guān),邊角θ<90°的液體叫做潤(rùn)濕性液體(如水θ=50°) 的蒸汽凝結(jié)時(shí),在壁面上形成完整的液膜,把冷卻面和蒸汽隔開。蒸汽凝結(jié)時(shí)所放出的潛熱必須要通過液膜才能傳給壁面,膜層凝結(jié)時(shí),由于受重力場(chǎng)影響,凝結(jié)的液體沿著冷卻壁面向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蒸汽中混雜空氣或其它不可凝結(jié)的氣體時(shí),凝結(jié)放熱就要受到影響,因?yàn)橹挥姓羝拍苣Y(jié)在冷表面上,而空氣仍將保持氣態(tài),積集在壁面附近,阻止蒸汽向冷壁面的擴(kuò)散流動(dòng)影響換熱效果,有真空泵不斷抽氣,空氣的影響會(huì)大大減小。