مبحث 2. مبانی مهندسی حرارت.

مهندسی حرارتعلمی است که روشهای بدست آوردن، تبدیل، انتقال و استفاده از گرما را مطالعه می کند. انرژی حرارتی با سوزاندن به دست می آید مواد آلیسوخت نامیده می شود.

مبانی مهندسی حرارت عبارتند از:

1. ترمودینامیک - علمی که تبدیل انرژی گرمایی به انواع دیگر انرژی (مثلا: انرژی حرارتی به مکانیکی، شیمیایی و غیره) را مطالعه می کند.

2. انتقال حرارت - انتقال حرارت بین دو حامل گرما را از طریق یک سطح گرما مطالعه می کند.

سیال کار یک خنک کننده (بخار یا آب گرم) است که قادر به انتقال گرما است.

در اتاق دیگ بخار، حامل حرارت (سیال کار) آب گرم و بخار آب با دمای 150 درجه سانتیگراد یا بخار آب است. از جانبدرجه حرارت تا 250 درجه سانتیگراد آب گرم برای گرمایش ساختمان های مسکونی و عمومی استفاده می شود، این امر به دلیل شرایط بهداشتی و بهداشتی، امکان تغییر آسان دمای آن بسته به دمای بیرون است. آب در مقایسه با بخار چگالی قابل توجهی دارد که باعث می شود مقدار قابل توجهی گرما در فواصل طولانی با حجم کم مایع خنک کننده منتقل شود. آب به منظور جلوگیری از سوزاندن گرد و غبار بر روی وسایل گرمایشی و سوختگی ناشی از سیستم های گرمایشی در دمایی بیش از 95 درجه سانتیگراد به سیستم گرمایش ساختمان ها عرضه می شود. بخار برای گرمایش ساختمان های صنعتی و در سیستم های صنعتی و تکنولوژیکی استفاده می شود.

پارامترهای بدنه کاری

مایع خنک کننده با دریافت یا انتشار انرژی حرارتی، حالت خود را تغییر می دهد.

مثلا:آب در دیگ بخار گرم می شود، به بخار تبدیل می شود که دما و فشار خاصی دارد. بخار وارد بخاری آب گرم می شود، خود را خنک می کند و به میعانات تبدیل می شود. دمای آب گرم شده افزایش می یابد، دمای بخار و میعانات کاهش می یابد.

پارامترهای اصلی سیال کار دما، فشار، حجم مخصوص، چگالی است.

t، P- توسط ابزار تعیین می شود: فشار سنج، دماسنج.

حجم و چگالی خاص یک مقدار محاسبه شده است.

1. حجم خاص- حجم اشغال شده توسط واحد جرم یک ماده در

0 درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر 760 میلی متر جیوه. (در شرایط عادی)

که در آن: V- حجم (m 3)؛ m جرم ماده (kg) است. شرایط استاندارد: R=760mm R.st. t=20 o C

2. تراکمنسبت جرم یک ماده به حجم آن است. هر ماده چگالی خاص خود را دارد:

در عمل از چگالی نسبی استفاده می شود - نسبت چگالی یک گاز معین به چگالی یک ماده استاندارد (هوا) در شرایط عادی (t ° \u003d 0 ° C: 760 میلی متر جیوه)

با مقایسه چگالی هوا با چگالی متان، می‌توانیم محل نمونه‌برداری متان را تعیین کنیم.

ما گرفتیم

گاز سبکتر از هوا است، به این معنی که قسمت بالایی هر حجمی را پر می کند، نمونه از قسمت بالای کوره دیگ بخار، چاه، اتاق ها، اتاق ها گرفته می شود. آنالایزرهای گاز در قسمت بالایی محل نصب شده است.

(روغن سوخت سبک تر است، قسمت بالایی را اشغال می کند)

چگالی مونوکسید کربن تقریباً مشابه چگالی هوا است، بنابراین نمونه مونوکسید کربن 1.5 متر از کف گرفته شده است.

3. فشارنیرویی است که در واحد سطح سطح اعمال می شود.

نیروی فشار برابر با 1 Hتوزیع یکنواخت روی سطح 1 متر مربع به عنوان واحد فشار در نظر گرفته می شود و برابر با 1Pa است. (N/m2)در سیستم SI (اکنون در مدارس، در کتاب ها همه چیز به Pa می رود، دستگاه ها نیز به Pa تبدیل شدند).

مقدار Pa از نظر مقدار کم است، به عنوان مثال: اگر 1 کیلوگرم آب برداریم و آن را در 1 متر بریزیم، 1 mm.w.st به دست می آید. بنابراین، ضرب کننده ها و پیشوندها معرفی می شوند - MPa، KPa ...

در مهندسی از واحدهای اندازه گیری بزرگتر استفاده می شود

1kPa \u003d 10 3 Pa. 1MPa=10b Pa; 1GPa=109 Pa.

واحدهای فشار بیرونی کیلوگرم بر متر مربع؛ kgf / cm2؛ mm.v.st؛ mm.r.st.

1 kgf / m 2 = 1 mm.v st \u003d 9.8 Pa

1 kgf / cm2 = 9.8. 10 4 Pa ​​~ 10 5 Pa = 10 4 کیلوگرم بر متر مربع

فشار اغلب در جو فیزیکی و فنی اندازه گیری می شود.

جو فیزیکی- فشار متوسط ​​هوای اتمسفر در سطح دریا در n.o.

1atm = 1.01325. 10 5 Pa = 760 میلی متر جیوه = 10.33 متر آب. st \u003d 1.0330 میلی متر اینچ هنر \u003d 1.033 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع.

جو فنی -فشار ناشی از نیروی 1 kgf به طور مساوی بر روی سطح نرمال با آن به مساحت 1 سانتی متر مربع توزیع می شود.

1 در \u003d 735 میلی‌متر جیوه. هنر = 10 m.v. هنر = 10000 میلی متر اینچ هنر \u003d \u003d 0.1 مگاپاسکال \u003d 1 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

1 میلی مترکه در. هنر - نیرویی برابر با فشار هیدرواستاتیک یک ستون آب 1 میلی مترروی یک پایه صاف 1 میلی مترکه در. st \u003d 9.8 Pa.

1 میلی متر rt st - نیرویی برابر با فشار هیدرواستاتیک ستونی از جیوه با ارتفاع 1 میلی مترروی یک پایه صاف یکی میلی متر rt هنر = 13.6 میلی متر.که در. هنر

که در مشخصات فنیپمپ ها به جای فشار از اصطلاح فشار استفاده می شود. واحد فشار متر آب است. هنر مثلا:فشار ایجاد شده توسط پمپ 50 است متراب. هنر یعنی می تواند آب را تا ارتفاع 50 بلند کند متر

انواع فشار: اضافی، خلاء (خلاء، رانش)، مطلق، جوی .

اگر فلش به سمت بزرگتر از صفر منحرف شود، این فشار اضافی است، به سمت پایین - خلاء.

فشار مطلق:

R abs \u003d Rho + R atm

R abs \u003d R vac + R atm

R abs \u003d R atm -R razr

جایی که: R atm \u003d 1 kgf / cm 2

فشار اتمسفر- فشار متوسط ​​هوای اتمسفر در سطح دریا در t° = 0 درجه سانتی گراد و اتمسفر معمولی آر=760 میلی متر rt هنر

فشار بیش از حد- فشار بالاتر از اتمسفر (در حجم بسته). در دیگ‌خانه‌ها، آب، بخار در دیگ‌ها و خطوط لوله تحت فشار بیش از حد هستند. R izb. با مانومتر اندازه گیری می شود

خلاء (خلاء)- فشار در حجم های بسته کمتر از فشار اتمسفر (خلاء) است. کوره ها و دودکش های دیگ ها تحت خلاء هستند. خلاء با پیش نویس ها اندازه گیری می شود.

فشار مطلق- فشار بیش از حد یا کمیاب شدن، با در نظر گرفتن فشار اتمسفر.

با قرار ملاقات، فشار عبارت است از:

یک). کانال - بالاترین فشار در t=20 o C

2). کار - حداکثر فشار اضافی در دیگ بخار، که عملکرد طولانی مدت دیگ را در شرایط عملیاتی عادی تضمین می کند (که در دستورالعمل های تولید ذکر شده است).

3). مجاز - حداکثر فشار مجاز، تعیین شده توسط نتایج یک معاینه فنی یا یک محاسبه کنترل برای قدرت.

4). محاسبه شده - حداکثر فشار بیش از حد که در آن قدرت عناصر دیگ محاسبه می شود.

پنج). تست R - فشار بیش از حد که در آن تست های هیدرولیک عناصر دیگ برای استحکام و چگالی انجام می شود (یکی از انواع معاینه فنی).

4. دما- این درجه حرارت بدن است که در درجه اندازه گیری می شود. جهت انتقال حرارت خود به خود از جسم گرمتر به سردتر را تعیین می کند.

انتقال حرارت تا زمانی انجام می شود که دماها برابر شوند، یعنی تعادل دما رخ دهد.

دو مقیاس استفاده می شود: بین المللی - کلوین و عملی سانتیگراد t ° С.

صفر در این مقیاس نقطه ذوب یخ و صد درجه نقطه جوش آب در اتمسفر است. فشار (760 میلی متر rt هنر.).

برای نقطه مرجع در مقیاس دمای ترمودینامیکی کلوین، از صفر مطلق استفاده می شود (پایین ترین دمای ممکن از لحاظ نظری که در آن هیچ حرکتی از مولکول ها وجود ندارد). نشان داده شده است تی.

قدر 1 کلوین برابر با 1 درجه سانتیگراد است

دمای ذوب یخ 273 کلوین است. نقطه جوش آب 373K است

T=t+273; t=T-273

نقطه جوش بستگی به فشار دارد.

مثلا،در R ab c \u003d 1,7 کیلوگرم بر سانتی متر 2.آب به جوش می آید t = 115 درجه سانتی گراد

5. گرما -انرژی که می تواند از یک جسم گرمتر به یک جسم سردتر منتقل شود.

واحد SI برای گرما و انرژی ژول (J) است. واحد گرمای خارج از سیستم کالری است ( کال.).

1 cal.- مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن 1 گرم H 2 O در دمای 1 درجه سانتیگراد در

P = 760 میلی متر HG

1 cal.=4.19J

6. ظرفیت گرمایی – توانایی بدن برای جذب گرما . برای گرم کردن دو ماده مختلف با جرم یکسان به یک دما، باید مقادیر متفاوتی گرما صرف شود.

ظرفیت گرمایی ویژه آب - مقدار گرمایی که باید توسط یک واحد از یک ماده گزارش شود تا t آن را 1 درجه سانتیگراد افزایش دهد، برابر با 1 است. کیلو کالری/کیلوگرم درجه

روش های انتقال حرارت

سه نوع انتقال حرارت وجود دارد:

هدایت حرارتی 1.

2.تابش (تابش);

3. همرفت.

رسانایی گرمایی-

انتقال حرارت در اثر حرکت حرارتی مولکول ها، اتم ها و الکترون های آزاد.

هر ماده رسانایی حرارتی خاص خود را دارد، به ترکیب شیمیایی، ساختار، رطوبت ماده بستگی دارد.

مشخصه کمی هدایت حرارتی ضریب هدایت حرارتی است، این مقدار حرارتی است که از طریق یک واحد سطح گرمایش در واحد زمان با اختلاف منتقل می شود. تیدر o C و ضخامت دیواره 1 متر.

ضریب هدایت حرارتی ( ):

مس = 330 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

چدن = 5 4 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

فولاد = 39 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

مشاهده می شود که: فلزات هدایت حرارتی خوبی دارند، مس بهترین است.

آزبست \u003d 0.15 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

دوده \u003d 0.05-0، کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

مقیاس \u003d 0.07-2 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

هوا = 0.02 کیلو کالری . میلی متر 2. ساعت . تگرگ

اجسام متخلخل حرارتی ضعیف (آزبست، دوده، فلس).

دودهمانع از انتقال گرما از گازهای دودکش به دیواره دیگ می شود (حرارت 100 برابر بدتر از فولاد را هدایت می کند) که منجر به مصرف بیش از حد سوخت، کاهش تولید بخار یا آب گرم. در حضور دوده، دمای گازهای دودکش افزایش می یابد. همه اینها منجر به کاهش راندمان دیگ می شود. در حین کار دیگ بخار ساعتیبا توجه به ابزار (لگومتر) t گازهای دودکش کنترل می شود که مقادیر آنها در نشان داده شده است. نقشه رژیمدیگ بخار اگر t گاز دودکش افزایش یافته باشد، سطح گرمایش دمیده می شود.

مقیاسدر داخل لوله ها تشکیل می شود (30-50 برابر بدتر از فولاد گرما را هدایت می کند)، در نتیجه انتقال حرارت از دیواره دیگ به آب کاهش می یابد، در نتیجه دیواره ها بیش از حد گرم می شوند، تغییر شکل می دهند و می ترکند (پارگی لوله های دیگ). ترازو 30-50 برابر بدتر از فولاد گرما را هدایت می کند

همرفت -

انتقال حرارت با اختلاط یا حرکت ذرات بین خود (مشخصه فقط برای مایعات و گازها). همرفت طبیعی و اجباری را تشخیص دهید.

همرفت طبیعی- حرکت آزاد مایعات یا گازها به دلیل تفاوت در چگالی لایه‌های گرم شده نابرابر.

همرفت اجباری- حرکت اجباری مایع یا گازها به دلیل فشار یا کمیاب شدن، ایجاد شده توسط پمپ ها، اگزوزهای دود و پنکه.

راه های افزایش انتقال حرارت همرفتی:

§ افزایش سرعت جریان.

§ آشفتگی (چرخش)؛

§ افزایش سطح گرمایش (به دلیل نصب پره ها).

§ افزایش اختلاف دما بین گرمایش و محیط گرم.

§ حرکت متقابل رسانه (جریان متقابل).

انتشار (تابش) -

تبادل حرارت بین اجسامی که در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند به دلیل انرژی تابشی که حامل آن نوسانات الکترومغناطیسی است: تبدیل انرژی حرارتی به انرژی تابشی و بالعکس از انرژی تابشی به انرژی گرمایی وجود دارد.

تابش بیشتر روش موثرانتقال حرارت، به خصوص اگر بدن مورد مطالعه دمای بالایی داشته باشد و پرتوها عمود بر سطح گرم شده هدایت شوند.

برای بهبود انتقال حرارت توسط تشعشع در کوره های دیگهای بخار، شیارهای مخصوصی از مواد نسوز گذاشته می شود که هم ساطع کننده حرارت و هم تثبیت کننده احتراق هستند.

سطح گرمایش دیگ، سطحی است که از یک طرف توسط گازها و از طرف دیگر توسط آب شسته می شود.

در بالا بحث شد 3 نوع تبادل حرارتنادر به شکل خالص تقریباً یک نوع انتقال حرارت با دیگری همراه است. هر سه نوع انتقال حرارت در دیگ وجود دارد که به آن انتقال حرارت پیچیده می گویند.

در کوره دیگ بخار:

الف) از شعله مشعل تا سطح بیرونی لوله های دیگ - توسط تشعشع.

ب) از شکل گرفته گازهای دودکشبه دیوار - همرفت

ج) از سطح بیرونی دیواره لوله به داخل - هدایت حرارتی.

د) از سطح داخلی دیواره لوله تا آب، گردش در امتداد سطح - همرفت.

انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر از طریق دیواره جداکننده را انتقال حرارت می گویند.

آب، بخار آب و خواص آن

آب ساده ترین ترکیب شیمیایی هیدروژن و اکسیژن است که در شرایط عادی پایدار است، بالاترین چگالی آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب در t \u003d 4 درجه سانتیگراد است.

آب نیز مانند هر مایعی تابع قوانین هیدرولیکی است. تقریباً منقبض نمی شود، بنابراین این توانایی را دارد که فشار وارد شده بر آن را در همه جهات با نیروی یکسان منتقل کند. اگر چندین رگ با اشکال مختلف به یکدیگر متصل شوند، سطح آب در همه جا یکسان خواهد بود (قانون رگ های ارتباطی).

چه مواد دیگری به جز گازها در هوا وجود دارد؟

1. توزیع بخار آب در هوا.بعد از باران، همه شما تماشا می‌کردید که چگونه سقف خانه‌ها، تنه درختان و برگ‌ها خیس می‌شوند، گودال‌هایی در همه جا شکل می‌گیرد. پس از پراکندگی ابرها، خورشید ظاهر می شود و همه چیز در اطراف خشک می شود. کجا بدون اثری ناپدید می شود؟ آب باران? به بخار آب تبدیل می شود. از آنجایی که مانند هوا بی رنگ است، نمی توانیم آن را ببینیم.
تمام هوا حاوی مقدار معینی آب به شکل بخار آب است. ذرات آب به شکل بخار نیز در ترکیب هوای اتاق وجود دارد. به راحتی قابل توجه است. در زمستان به اشیای فلزی (قفل نمونه کارها، اسکیت ها و ...) که از خیابان به خانه آورده می شوند توجه کنید. پس از مدتی آنها شروع به "عرق کردن" می کنند. این بدان معنی است که هوای گرم اتاق در تماس با یک جسم سرد، قطرات آب را آزاد می کند.
مرطوب سطح زمیناز خاک، مرداب ها، رودخانه ها، دریاچه ها، دریاها و اقیانوس ها به شکل بخار آب به جو تبخیر می شود. مقدار زیادی آب (86%) از اقیانوس ها و دریاها تبخیر می شود.
در طبیعت، بخار آب در گردش مداوم است. بخار آب که از روی اقیانوس ها و خشکی ها بالا می رود، وارد جو می شود. جریان هوا آن را با خود به جاهای دیگر می برد. بخار آب نیز به نوبه خود سرد می شود، به ابر تبدیل می شود و به صورت بارش دوباره به سطح زمین باز می گردد.

2. وابستگی بخار آب موجود در هوا به دما.محتوای بخار آب در هوا به وضعیت سطح تبخیر شده و درجه حرارت بستگی دارد. بخار آب زیادی در هوا روی اقیانوس وجود دارد، اما در خشکی کمی وجود دارد. علاوه بر این، هر چه دما بالاتر باشد، میزان بخار آب موجود در هوا نیز بیشتر می شود.

همانطور که از جدول مشاهده می شود، هوا می تواند به ترتیب دارای بخار آب در دمای معینی باشد. اگر در یک دمای معین، هوا به اندازه ای که می تواند بخار آب داشته باشد، به آن اشباع می گویند. به عنوان مثال، برای اشباع 1 متر مکعب هوا با بخار آب در دمای 30+ درجه سانتیگراد، 30 گرم بخار آب مورد نیاز است. اگر مقدار بخار آب فقط 25 گرم باشد، هوا غیراشباع و خشک می شود.
با افزایش دما، هوای اشباع شده غیر اشباع می شود. به عنوان مثال، برای اشباع 1 متر مکعب هوا در دمای 0 درجه سانتیگراد، 5 گرم بخار آب مورد نیاز است. اگر دمای هوا به + 10 درجه سانتیگراد افزایش یابد، 4 گرم بخار آب برای اشباع هوا کافی نخواهد بود.

3. رطوبت مطلق و نسبی.میزان بخار آب موجود در هوا با رطوبت مطلق و نسبی تعیین می شود.
رطوبت مطلق - مقدار بخار آب بر حسب گرم در هر متر مکعب هوا (گرم بر متر مکعب).
رطوبت نسبی نسبت مقدار رطوبت موجود در 1 متر مکعب هوا به مقدار بخار آبی است که هوا را در دمای معین اشباع می کند. رطوبت نسبی به صورت درصد بیان می شود.
رطوبت نسبی میزان اشباع هوا از بخار آب را نشان می دهد. به عنوان مثال، 1 متر مکعب هوا می تواند حاوی 1 گرم بخار آب در دمای 20- درجه سانتیگراد باشد. هوا حاوی 0.5 گرم رطوبت است. سپس رطوبت نسبی 50٪ است. هنگامی که هوا با بخار آب اشباع می شود، رطوبت نسبی به 100٪ می رسد.

4. تراکم بخار آب.پس از اشباع هوا با بخار آب، بقیه بخار به قطرات آب تبدیل می شود. اگر در 1 متر مکعب هوا در دمای 10- درجه سانتیگراد، به جای 2 گرم بخار آب، 3 گرم بخار آب جمع شود، 1 گرم بخار اضافی به قطرات آب تبدیل می شود. هنگامی که دمای هوای اشباع کاهش می یابد، نمی تواند آنقدر بخار آب را در خود نگه دارد. به عنوان مثال، برای اشباع 1 متر مکعب هوا در دمای 10+ درجه سانتیگراد، 9 گرم بخار آب مورد نیاز است. اگر دما به 0 درجه کاهش یابد، هوا فقط 5 گرم بخار آب را در خود نگه می دارد و 4 گرم اضافی به قطرات آب تبدیل می شود.
تحت شرایط خاصی، انتقال بخار آب به حالت مایع (قطرات آب) را متراکم (در لاتین) می نامند. متراکم شدن- ضخیم شدن). در دمای 0 درجه سانتیگراد، بخار آب به حالت جامد می رسد، یعنی. تبدیل به کریستال های یخ می شود

5. اندازه گیری رطوبت هوا.رطوبت نسبی با ابزار اندازه گیری می شود - رطوبت سنج مو(به یونانی هیگروس -خیس، متر- اندازه گرفتن). این دستگاه از خاصیت موی انسان، بلند شدن با افزایش رطوبت استفاده می کند. با کاهش رطوبت، مو کوتاه می شود. مو به عقربه صفحه متصل می شود، در حالی که موها را بلند یا کوتاه می کند، فلش که در امتداد صفحه حرکت می کند، رطوبت نسبی را بر حسب درصد نشان می دهد (شکل 54).

برنج. 54. رطوبت سنج مو.

یک رطوبت سنج مانند دماسنج در یک غرفه هواشناسی قرار می گیرد.
در ایستگاه های هواشناسی، رطوبت هوا با استفاده از ابزار دقیق تر و با استفاده از جداول مخصوص تعیین می شود.

1. چرا بخار آب در هوای بالای استوا بیشتر از منطقه معتدل است؟

2. با تغییر ارتفاع چه اتفاقی برای بخار آب موجود در هوا می افتد؟
3. دمای هوا +10°С. رطوبت مطلق 6 گرم بر متر مکعب. در چه شرایطی هوا از بخار آب اشباع می شود؟ (به 2 روش حل کنید.)
4. با ساختار رطوبت سنج آشنا شوید و رطوبت نسبی را اندازه بگیرید.

پنج*. دمای هوا 30+ درجه سانتی گراد و رطوبت مطلق 20 گرم بر متر مکعب است. رطوبت نسبی را محاسبه کنید.

آب شگفت انگیزترین ماده روی زمین است. این است که ما زندگی خود را مدیون او هستیم، زیرا او در تمام فرآیندهای زندگی شرکت می کند. آب غیرمعمول ترین خواص را دارد و دانشمندان هنوز نتوانسته اند همه آنها را توضیح دهند. به عنوان مثال، معلوم شد که او حافظه دارد و می تواند به کلمات مختلف پاسخ دهد. و معروف ترین خاصیت آب این است که تنها ماده ای است که می تواند در هر سه حالت تجمع باشد. مایع در واقع آب است، جامد یخ است. ما می توانیم به طور مداوم حالت گازی آب را به صورت بخار، مه یا ابر مشاهده کنیم. یک فرد معمولی به این فکر نمی کند که این همه آب است، او عادت دارد این کلمه را فقط مایع بخواند. بسیاری حتی نمی دانند حالت گازی آب چه نامیده می شود. اما دقیقاً همین ویژگی است که حیات روی زمین را تضمین می کند.

ارزش آب

این رطوبت شگفت انگیز حدود 70 درصد از سطح زمین را اشغال می کند. علاوه بر این، می توان آن را در اعماق زیاد - در ضخامت پوسته زمین و بالا در جو - یافت. کل جرم آب به صورت مایع، یخ و بخار را هیدروسفر می گویند. برای همه اشکال حیات روی زمین حیاتی است. تحت تأثیر آب است که آب و هوا و آب و هوا در سراسر جهان شکل می گیرد. و وجود حیات بستگی به توانایی آن در حرکت از یک حالت تجمع به حالت دیگر دارد. این ویژگی چرخه آب در طبیعت را تضمین می کند. آب در حالت گازی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این خاصیت به انتقال توده های بزرگ رطوبت در مسافت های طولانی کمک می کند. دانشمندان محاسبه کرده اند که خورشید در یک دقیقه یک میلیارد تن آب از سطح زمین تبخیر می کند که به مکان دیگری منتقل می شود و سپس باران می بارد.

حالت گازی آب

یکی از ویژگی های آب این است که مولکول های آن می توانند ماهیت پیوند با یکدیگر را در هنگام نوسان دما تغییر دهند. خواص اصلی آن بدون تغییر باقی می ماند. اگر آب را گرم کنید، مولکول های آن با سرعت بیشتری شروع به حرکت می کنند. آنهایی که با هوا در تماس هستند پیوندهای خود را می شکند و با مولکول های آن مخلوط می شوند. آب در حالت گازی تمام خصوصیات خود را حفظ می کند، اما خواص گاز را نیز به دست می آورد. ذرات آن در فاصله زیادی از یکدیگر قرار دارند و به شدت حرکت می کنند. اغلب به این حالت بخار آب می گویند. این یک گاز شفاف بی رنگ است که در شرایط خاص دوباره به آب تبدیل می شود. در همه جا روی زمین وجود دارد، اما اغلب قابل مشاهده نیست. نمونه هایی از آب در حالت گازی، غبار یا آبی است که هنگام جوشیدن مایع به وجود می آید. علاوه بر این، در همه جا در هوا است. دانشمندان متوجه شده اند که وقتی مرطوب می شود، نفس کشیدن راحت تر می شود.

بخار چگونه است؟

بیشتر اوقات، آب با تغییر دما به حالت گاز تبدیل می شود. بخار معمولی که برای همه آشناست در هنگام جوشاندن تشکیل می شود. این ابر داغ سفید رنگ است که ما آن را بخار آب می نامیم. هنگامی که یک مایع، هنگام گرم شدن، در فشار معمولی به یک درجه می رسد، این در 100 درجه رخ می دهد، مولکول های آن به شدت شروع به تبخیر می کنند. هنگامی که بر روی اجسام سردتر می افتند، به شکل قطرات آب متراکم می شوند. اگر گرم شود تعداد زیادی ازمایع، سپس بخار اشباع شده در هوا تشکیل می شود. این حالتی است که گاز و آب با هم وجود دارند زیرا سرعت یکسان است. در مواردی که بخار آب زیادی در هوا وجود دارد، از رطوبت زیاد آن می گویند. هنگامی که دما کاهش می یابد، چنین هوایی به شدت رطوبت را به شکل قطرات شبنم یا مه متراکم می کند. اما برای تشکیل مه، شرایط خاصی از دما و رطوبت وجود ندارد. لازم است مقدار مشخصی ذرات گرد و غبار در هوا وجود داشته باشد که رطوبت در اطراف آن متراکم می شود. بنابراین در شهرها مه ناشی از گرد و غبار بیشتر تشکیل می شود.

انتقال آب از حالتی به حالت دیگر

فرآیند تشکیل بخار را تبخیر می نامند. این مورد توسط هر خانمی هنگام آشپزی رعایت می شود. اما یک فرآیند معکوس نیز وجود دارد، زمانی که گاز دوباره به آب تبدیل می‌شود و به شکل قطرات ریز روی اجسام می‌نشیند. این تراکم نامیده می شود. چگونه تبخیر اغلب رخ می دهد؟ در شرایط طبیعی به این فرآیند تبخیر می گویند. آب به طور مداوم تحت تأثیر گرما یا باد خورشیدی تبخیر می شود. به طور مصنوعی، تشکیل بخار می تواند ناشی از جوشاندن آب باشد.

تبخیر

این فرآیند زمانی است که حالت گازی آب به دست می آید. می توان آن را طبیعی یا با کمک دستگاه های مختلف شتاب داد. آب مدام در حال تبخیر است. این ویژگی از دیرباز توسط مردم برای خشک کردن کتانی، ظروف، هیزم یا غلات مورد استفاده قرار می گرفته است. هر جسم مرطوب به تدریج به دلیل تبخیر رطوبت از سطح آن خشک می شود. مولکول های آب در حرکت خود یکی یکی می شکند و با مولکول های هوا مخلوط می شوند. از طریق مشاهدات، مردم متوجه شدند که چگونه این فرآیند را تسریع کنند. برای این، آنها حتی ایجاد شده اند وسایل مختلفو لوازم خانگی

چگونه سرعت تبخیر را افزایش دهیم؟

1. مردم متوجه شدند که این روند سریعتر پیش می رود درجه حرارت بالا. به عنوان مثال، در تابستان، یک جاده مرطوب فورا خشک می شود، که نمی توان در مورد پاییز گفت. بنابراین، مردم چیزها را در مکان های گرمتر خشک می کنند، و در اخیراخشک کن های گرم شده ویژه ایجاد شده است. و در هوای یخبندان، تبخیر نیز اتفاق می افتد، اما بسیار کند. از این خاصیت برای خشک کردن با ارزش استفاده می شود
کتب و نسخ خطی باستانی با قرار دادن آنها در فریزرهای مخصوص.

2. اگر منطقه تماس با هوا زیاد باشد، تبخیر سریعتر اتفاق می افتد، به عنوان مثال، آب از یک بشقاب سریعتر از یک شیشه ناپدید می شود. این خاصیت هنگام خشک کردن سبزیجات و میوه ها و برش دادن آنها به ورقه های نازک استفاده می شود.

3. مردم همچنین متوجه شده اند که اجسام تحت تأثیر باد سریعتر خشک می شوند. این اتفاق می افتد زیرا مولکول های آب توسط جریان هوا منتقل می شوند و فرصتی برای متراکم شدن دوباره روی این جسم ندارند. از این ویژگی در ساخت سشوار و سشوار بادی استفاده شد.

خواص آب در حالت گازی

بخار آب در بیشتر موارد نامرئی است. اما در دمای بالا، زمانی که مقدار زیادی آب به یکباره تبخیر می شود، می توان آن را به شکل یک ابر سفید مشاهده کرد. همین اتفاق در هوای سرد می افتد، زمانی که مولکول های آب به صورت قطرات ریز متراکم می شوند که متوجه آن می شویم.

آب در حالت گازی می تواند در هوا حل شود. بعد می گویند رطوبتش زیاد شده. حداکثر غلظت ممکن بخار آب وجود دارد که به آن "نقطه شبنم" می گویند. بالاتر از این حد به صورت مه، ابر یا قطرات شبنم متراکم می شود.

مولکول های آب در حالت گازی بسیار سریع حرکت می کنند و حجم زیادی را اشغال می کنند. این امر به ویژه در دمای بالا قابل توجه است. بنابراین، می توانید مشاهده کنید که درب کتری هنگام جوشیدن چگونه می پرد. همین خاصیت منجر به این واقعیت می شود که هنگام سوزاندن هیزم، صدای ترقه شنیده می شود. این آب در حال تبخیر الیاف چوب را می شکند.

بخار آب خاصیت ارتجاعی دارد. این می تواند با تغییرات دما منقبض و منبسط شود.

کاربرد خواص بخار آب

همه این خواص از دیرباز مورد مطالعه مردم بوده و برای نیازهای خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

• برای اولین بار، حالت گازی آب در سالهای متمادی مورد استفاده قرار گرفت و تنها راه به حرکت درآوردن وسایل نقلیه و ماشین آلات در صنعت بود. امروزه توربین های بخار هنوز در حال استفاده هستند وسیله نقلیهاوه موتور گازسوزمدت طولانی است که بخار را جایگزین کرده است. و اکنون لوکوموتیو را فقط در موزه ها می توان دید.
• بخار برای مدت طولانی در آشپزی به طور گسترده استفاده می شود. بخارپز کردن گوشت یا ماهی آن را برای همه لطیف و سالم می کند.
• از بخار داغ برای گرم کردن خانه ها و فرآیندهای صنعتی نیز استفاده می شود. بسیار موثر و به سرعت در بین مردم محبوبیت یافت.
• حالت گازی آب در حال حاضر در کپسول های آتش نشانی با طراحی خاص استفاده می شود که برای خاموش کردن فرآورده های نفتی و سایر مایعات قابل احتراق استفاده می شود. بخار گرم شده دسترسی هوا به منبع احتراق را مسدود می کند و احتراق را متوقف می کند.
• که در سال های گذشتهشروع به استفاده از حالت گازی آب برای مراقبت از لباس کرد. بخارپزهای مخصوص نه تنها چیزهای ظریف را صاف می کنند، بلکه برخی از لکه ها را نیز از بین می برند.
• استفاده از بخار آب برای استریل کردن اقلام و ابزار پزشکی بسیار موثر است.

بخار آب چه زمانی مضر است؟

مکان هایی روی زمین وجود دارد که تقریبا همیشه آب در حالت گازی یافت می شود. اینها دره های آبفشان ها و مجاورت آتشفشان های فعال هستند. محال است که انسان در چنین فضایی زندگی کند. نفس کشیدن در آنجا سخت است و رطوبت بالا از تبخیر رطوبت از پوست جلوگیری می کند که می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد شود. شما همچنین می توانید توسط بخاری که هنگام جوشیدن آب ایجاد می شود به شدت بسوزید. و مه می تواند دید را کاهش دهد و منجر به تصادف شود. اما در تمام موارد دیگر، از خاصیت تبدیل شدن آب به حالت گازی، شخص به نفع خود استفاده می کند.

تبخیر مقدار بخار آب تبخیر شده و آزاد شده در هوا است. میزان تبخیر به عوامل زیادی بستگی دارد، اما عمدتاً به دمای هوا و باد بستگی دارد. واضح است که هر چه دما بالاتر باشد تبخیر بیشتر می شود. اما با حرکت مداوم هوای اشباع شده از بخار آب، حجم های جدید و جدیدی از هوای خشک را به یک مکان معین می آورد. حتی باد ضعیف با سرعت 2-3 متر بر ثانیه تبخیر را سه برابر افزایش می دهد. تبخیر نیز تحت تأثیر طبیعت، پوشش گیاهی و ... است.

با این حال، به دلیل کمبود رطوبت در یک منطقه مشخص، تبخیر بسیار کمتر از آن چیزی است که در شرایط معین می تواند باشد. مقدار آبی که در شرایط معین می تواند تبخیر شود، فرار نامیده می شود. به عبارت دیگر، تبخیر و تعرق تبخیر بالقوه در یک منطقه معین است که اغلب با استفاده از یک اواپراتور یا با تبخیر از سطح آب آزاد یک مخزن بزرگ طبیعی (آب شیرین) یا از خاک بیش از حد مرطوب شده تعیین می شود.

تبخیر، مانند تبخیر، در میلی متر از لایه آب تبخیر شده (میلی متر) بیان می شود. برای یک دوره خاص - میلی متر / سال و غیره.

در سطح زمین، دو فرآیند مخالف به طور مداوم رخ می دهد: زمین با بارش و خشک شدن آن توسط تبخیر. اما درجه مرطوب شدن قلمرو با نسبت بارندگی و تبخیر تعیین می شود. رطوبت قلمرو با ضریب رطوبت (K) مشخص می شود که به عنوان نسبت مقدار بارندگی (Q) به تبخیر (I) درک می شود: K = (اگر K در کسری از واحد بیان شود - کسری ) و K = 100٪ (اگر به درصد). به عنوان مثال، در اروپا، بارندگی 300 میلی متر است، و تبخیر تنها 200 میلی متر است، یعنی. بارش 1.5 برابر بیشتر از تبخیر است. ضریب رطوبت 1.5 یا 150٪ است.

هنگامی که K> 1، یا > 100٪، رطوبت بیش از حد است. طبیعی زمانی که K = 1، یا 100٪. زمانی که کافی نیست< 1, или < 100%. По степени увлажнения выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) территории. Коэффициент увлажнения характеризует условия , развитие и другое. он равен примерно 1,0-1,5, в 0,6-1,0, в 0,3-0,6, 0,1-0,3, пустынях менее 0,1.

رطوبت مطلق (a) مقدار واقعی بخار آب موجود در هوا در لحظه است که بر حسب گرم بر متر مکعب اندازه گیری می شود. نسبت رطوبت مطلق به حداکثر، که به صورت درصد بیان می شود، رطوبت نسبی (f) نامیده می شود، یعنی. f=100%. هوای با حداکثر رطوبت را اشباع می گویند. در مقابل، هوای غیراشباع هنوز توانایی جذب بخار آب را دارد. با این حال، هنگامی که گرم می شود، هوای اشباع شده غیر اشباع می شود و زمانی که سرد می شود، فوق اشباع می شود. در مورد دوم، شروع می شود تراکم عبارت است از تراکم بخار آب اضافی و تبدیل آنها به حالت مایع، تشکیل قطرات ریز آب. هوای اشباع و غیراشباع می تواند در هنگام صعود فوق اشباع شود، زیرا به شدت خنک می شود. خنک شدن نیز با سرد شدن خاک در یک مکان معین و با نفوذ هوای گرم به یک منطقه سرد امکان پذیر است.

تراکم می تواند نه تنها در هوا، بلکه در سطح زمین، روی اجسام مختلف نیز رخ دهد. در این حالت بسته به شرایط شبنم، یخبندان، مه، یخ تشکیل می شود. شبنم و یخبندان در یک شب صاف و آرام، عمدتاً در ساعات قبل از صبح، زمانی که سطح زمین و اجسام آن خنک می شوند، تشکیل می شوند. سپس رطوبت هوا روی سطح آنها متراکم می شود. در همان زمان، یخبندان در دمای منفی و شبنم در دمای مثبت تشکیل می شود. در صورتی که هوای سرد وارد یک سطح گرم شود یا هوای گرم به شدت سرد شود، ممکن است مه ایجاد شود. از قطرات کوچک یا بلورهایی تشکیل شده است که گویی در هوا معلق هستند. در هوای بسیار آلوده، مه یا مه با ترکیبی از دود تشکیل می شود - دود. هنگامی که قطرات باران فوق سرد یا بر روی سطحی که در دمای زیر 0 درجه سانتیگراد سرد شده است و در دمای 0 تا -3 درجه سانتیگراد می ریزند، یک لایه تشکیل می شود. یخ متراکم، روی سطح زمین و روی اشیاء، عمدتاً از سمت باد - یخ رشد می کند. از یخ زدن قطرات باران فوق سرد، مه یا نم نم نم نم باران می آید. یک پوسته یخی می تواند به ضخامت چندین سانتی متر برسد و به یک فاجعه واقعی تبدیل شود: برای عابران پیاده، وسایل نقلیه، شکستن شاخه های درختان، شکستن سیم ها و غیره خطرناک می شود.

دلایل دیگر باعث ایجاد پدیده ای به نام. یخ سیاه معمولاً پس از یخ زدگی یا باران در نتیجه یک سرمای ناگهانی، زمانی که دما به شدت به زیر 0 درجه سانتیگراد کاهش می یابد، رخ می دهد. برف مرطوب، باران یا نم نم باران یخ می زند. لعاب همچنین زمانی تشکیل می شود که این رسوبات مایع بر روی یک سطح شدیداً فوق خنک از زمین می افتند که باعث یخ زدن آنها نیز می شود. بنابراین، یخ یخ روی سطح زمین است که در نتیجه یخ زدن برف مرطوب یا بارش مایع ایجاد شده است.

پوشش ابر با تأخیر، به سطح زمین می رود، آن را منعکس و پراکنده می کند. در عین حال، ابرها تابش حرارتی سطح زمین به جو را به تاخیر می اندازند. بنابراین اثر ابری روی بسیار زیاد است.

حالت میانی ماده بین حالت گاز واقعی و مایع معمولاً نامیده می شود بخارداریا به سادگی کشتیتبدیل مایع به بخار است انتقال فازاز یک حالت کل به حالت دیگر در طول یک انتقال فاز، یک تغییر ناگهانی در خواص فیزیکی یک ماده مشاهده می شود.

نمونه ای از این انتقال فاز، فرآیند است غلیانمایعات با بخار اشباع مرطوبو انتقال بعدی آن به عاری از رطوبت بخار اشباع خشکیا فرآیند جوشیدن معکوس متراکم شدنبخار اشباع شده

یکی از خواص اصلی بخار اشباع خشک این است که تامین بیشتر گرما به آن منجر به افزایش دمای بخار می شود، یعنی تبدیل آن به حالت بخار فوق گرم و حذف گرما منجر به انتقال به بخار می شود. حالت بخار اشباع مرطوب که در

حالت های فازی آب

شکل 1. نمودار فاز برای بخار آب در مختصات T، s.

منطقهمن- حالت گازی (بخار فوق گرم که دارای خواص گاز واقعی است)؛

منطقهII– حالت تعادل آب و بخار آب اشباع (حالت دو فازی). منطقه II همچنین منطقه تبخیر نامیده می شود.

منطقهIII- حالت مایع (آب). منطقه III توسط ایزوترم EK محدود شده است.

منطقهIV- حالت تعادل فازهای جامد و مایع؛

منطقهV- حالت جامد؛

مناطق III، II و I از هم جدا شده اند خطوط مرزی AK (خط چپ) و KD (خط راست). نقطه مشترک K برای خطوط مرزی AK و KD ویژگی های خاصی دارد و نامیده می شود نقطه بحرانی. این نقطه دارای پارامترهایی است پkr, vkrو تی کر، که در آن آب جوش با دور زدن ناحیه دو فاز به بخار فوق گرم می رود. بنابراین، آب نمی تواند در دمای بالاتر از Tcr وجود داشته باشد.

نقطه بحرانی K دارای پارامترهایی است:

پkr= 22.136 مگاپاسکال؛ vkr\u003d 0.00326 متر 3 / کیلوگرم؛ تیkr\u003d 374.15 درجه سانتیگراد.

ارزش های p, t, vو سبرای هر دو خط مرزی در جداول خاصی از خواص ترمودینامیکی بخار آب آورده شده است.

فرآیند بدست آوردن بخار آب از آب

شکل‌های 2 و 3 فرآیندهای گرم کردن آب تا زمان جوش، تبخیر و فوق‌گرم شدن بخار را نشان می‌دهند. p,v- و تی، س-نمودارها

حالت اولیه آب مایع تحت فشار پ 0 و دمای 0 درجه سانتیگراد در نمودارها نشان داده شده است p,vو تی، سنقطه ولی. وقتی گرما در پ= const دمای آن افزایش می یابد و حجم مخصوص افزایش می یابد. در نقطه ای دمای آب به نقطه جوش می رسد. در این حالت حالت آن با یک نقطه نشان داده می شود ببا عرضه بیشتر گرما، تبخیر با افزایش شدید حجم آغاز می شود. در این مورد، یک محیط دو فاز تشکیل می شود - مخلوطی از آب و بخار، به نام بخار اشباع مرطوب. دمای مخلوط تغییر نمی کند، زیرا گرما در تبخیر فاز مایع صرف می شود. فرآیند تبخیر در این مرحله به صورت ایزوباریک- همدما بوده و در نمودار به صورت مقطعی نشان داده شده است. قبل از میلاد مسیح. سپس در یک نقطه از زمان، تمام آب به بخار تبدیل می شود، به نام خشک اشباع شده. این حالت در نمودار با یک نقطه نشان داده شده است. ج.

شکل 2. نمودار P، v برای آب و بخار.

شکل 3. نمودار T، s برای آب و بخار.

با تامین گرمای بیشتر، دمای بخار افزایش می یابد و فرآیند گرم شدن بیش از حد بخار ادامه می یابد. ج - د. نقطه دوضعیت بخار فوق گرم را نشان می دهد. فاصله نقطه ای داز نقطه از جانببستگی به دمای بخار فوق گرم دارد.

نمایه سازی برای تعیین مقادیر مربوط به حالت های مختلف آب و بخار:

• مقدار با شاخص "0" به وضعیت اولیه آب اشاره دارد.
• مقدار با شاخص "'" به آب گرم شده تا نقطه جوش (اشباع) اشاره دارد.
• مقدار با شاخص "″" به بخار اشباع خشک اشاره دارد.
• مقدار با شاخص " ایکس» به بخار اشباع مرطوب اشاره دارد.
• مقدار بدون شاخص به بخار فوق گرم اشاره دارد.

فرآیند تبخیر در بیشتر فشار بالا p1 > p0می توان به این نکته اشاره کرد که آ،نشان دهنده وضعیت اولیه آب در دمای 0 درجه سانتیگراد و فشار جدید، عملاً در همان حالت عمودی باقی می ماند، زیرا حجم خاص آب تقریباً مستقل از فشار است.

نقطه ب(وضعیت آب در دمای اشباع) به سمت راست تغییر می کند p,vنمودار و صعود به تی، اس-نمودار زیرا با افزایش فشار، دمای اشباع و در نتیجه حجم ویژه آب نیز افزایش می یابد.

نقطه ج(وضعیت بخار اشباع خشک) به سمت چپ تغییر می کند، زیرا با افزایش فشار، حجم مخصوص بخار با وجود افزایش دما کاهش می یابد.

اتصال چند نقطه بو جدر فشارهای مختلف منحنی های مرزی پایین و بالایی ایجاد می کند akو kcاز جانب p,vنمودار نشان می دهد که با افزایش فشار، تفاوت در حجم های خاص است v″و vکاهش می یابد و در برخی فشارها برابر با صفر می شود. در این نقطه که نقطه بحرانی نامیده می شود، منحنی های مرزی همگرا می شوند akو kcحالت مربوط به یک نقطه ک، نامیده میشود بحرانی.مشخصه آن این است که با آن، بخار و آب دارای حجم های خاص هستند و از نظر خواص با یکدیگر تفاوتی ندارند. منطقه ای که در یک مثلث منحنی قرار دارد bkc(که در p,vنمودار)، مربوط به بخار اشباع مرطوب است.

حالت بخار فوق گرم با نقاطی که بالای منحنی مرز بالایی قرار دارند نشان داده می شود kc.

در تی، س-منطقه نمودار 0 شکممربوط به مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن آب مایع تا دمای اشباع است.

مقدار گرمای عرضه شده، J/kg برابر با گرمای تبخیر rبر اساس منطقه بیان می شود s'bcs،و این رابطه را دارد:

r = تی(s″ - s′).

مقدار گرمای تامین شده در فرآیند بخار آب فوق گرم توسط منطقه نشان داده می شود s″cds.

در تی، س- نمودار نشان می دهد که با افزایش فشار، گرمای تبخیر کاهش می یابد و در نقطه بحرانی برابر با صفر می شود.

معمولا تی، س- نمودار در مطالعات نظری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا استفاده عملی از آن به شدت با این واقعیت که مقادیر گرما توسط مناطق شکل های منحنی بیان می شود، مانع می شود.

بر اساس مطالب یادداشت های سخنرانی من در مورد ترمودینامیک و کتاب درسی "مبانی انرژی". نویسنده G. F. Bystritsky. ویرایش دوم، برگردان و اضافی - M.: KNORUS، 2011. - 352 ص.