Взаимные превращения жидкостей и газов

В природе и в технике мы часто встречаемся с изменением агрегатного состояния вещества (рис. 57), в частности с превращением жидких и твердых тел в газообразное состояние. Для жидкостей существуют два способа перехода в газообразное состояние:

• испарение;

• кипение.

Испарение происходит с открытой, свободной поверхности, отделяющей жидкость от газа, например с поверхно­сти жидкости в открытом сосуде, с поверхности водоема и т. д.

Испарение происходит при ЛЮБОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ, но для каждой жидкости скорость испарения увеличивается с повышением температуры.

• Если испарение происходит в замкнутом сосуде, то температура во всех точках сосуда одинакова, а ее величина ниже, чем температура кипения. В таком случае внутри сосуда достигается состояние равновесия между жид­костью и паром, и процесс испарения прекращается с достижением в этом паре парциального давления насыщения, соответствующего температуре в сосуде.

• Если испарение происходит в открытом сосуде, равновесие не достигается практически никогда, а скорость испарения зависит от многих факторов. Обычно скорость испарения пропорциональна разности между давлени­ем насыщенного пара при температуре испарения и действительным давлением пара над поверхностью жидко­сти.

• Если давление насыщенных паров жидкости и фактическое давление паров равны, испарение сопровождается обратным процессом, который называется конденсацией.

Конденсация — переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое.

При испарении молекулы, вылетевшие с поверхности жидкости, должны преодолеть силу притяжения соседних молекул, следовательно, совершить некоторую работу. Поэтому, чтобы произошло испарение, веществу необходимо сообщить некоторое количество теплоты, черпая ее из запаса внутренней энергии самой жидкости.

Количество теплоты, которое надо сообщить жидкости, находящейся при данной температуре и фиксированном давлении, чтобы преобразовать ее в пар при тех же условиях, называется СКРЫТОЙ ТЕПЛОТОЙ ИСПАРЕНИЯ (парообразования).

Эта величина обозначается как r и измеряется в Дж/кг. Если к испаряющейся жидкости не подводить теплоту извне, то она будет охлаждаться.

Рис. 57 Иллюстрация смена агрегатных состояний вещества.

Кипение. Второй способ преобразования жидкости в пар — кипение, которое отличается от испарения тем, что образование паров происходит во всем объёме жидкости.

Кипение становится возможным только в том случае, если давление насыщенных паров жидкости равно внешнему давлению.

Поэтому данная жидкость, находясь под определенным давлением, кипит при вполне конкретной температур.

Обычно температуру кипения той или иной жидкости, в том числе и сжиженных газов, приводят для атмосферно­го давления.

Пузырьки газа, возникающие в процессе кипения, насыщены пара­ми груза:

pн =pь ⁺ (ρ • g • h),

где рb — барометрическое давление; h — высота столба жидкости; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; рb — давление насыщенных паров; ρ • g • h — давление столба жидкости.

‘ Когда давление насыщенного пара внутри пузырьков превышает дав­ление на поверхности жидкости, пузырьки всплывают и лопаются. Жид­кость начинает кипеть (рис. 38). Если увеличить давление над

жид­костью, то температура кипения увеличится, если давление понизить, то и температура кипения уменьшится. На практике это факт использу­ется очень часто. Например, в паровых установках вода кипит при тем­пературе 28 °С при давлении 65 бар, а в установках по производству дистиллированной воды вода кипит при температуре 40° С и при давлении насыщенных паров 0,0738 бар. На высоте около 5000 м

атмосферное давление составляет 513 мбар, что соответствует температре кипения Рис. 58. Условия, при которых воды 82° С. Простейший способ охладить до самой низкой температуры происходит кипение жидкости сжиженный газ — сделать так, чтобы его давление насыщенных паров ‘ было равно атмосферному давлению, т. е. сообщить атмосферу грузового танка с окру­жающей атмосферой, что и достигается при срабатывании предохранительного клапана на грузовом танке.

Для того чтобы подсчитать количество теплоты, необходимое для превращения жидкости любой массы в пар, нужно удельную теплоту парообразования г умножить на массу:

Q= r • т Дж.

Эту формулу часто используют при определении необходимого количества жидкого груза для захолаживания грузо­вых танков без судовой установки повторного сжижения (см. раздел «Подготовка грузовых танков»).