Парова енергія води

СХЕМА T S

На діаграмі температурного/температурного режиму поверхні представляють кількість тепла.
На ординаті Т температура починається з -273,15 ° C, тобто абсолютний нуль (всі атоми нерухомі).
На абсцисі S = ентропія: кількість, використана в термодинаміці, яку не потрібно знати, щоб зрозуміти діаграму (для цікавого S = Сума dQ/T).
Щоб рідина під тиском P1 переходила від температури TA до TB, необхідно додати кількість тепла, рівну поверхні, нарізаній апельсином. Чим більше поверхня, тим вище ТБ.
Для води ми виміряли кількість тепла, необхідного для переходу з одного стану (тиск, температура) в інший: після багатьох вимірювань ми отримуємо діаграму TS води нижче, з'єднавши точки того самого тиску (зелені криві).

СХЕМА ВОДИ

Давайте слідуватимемо зеленій кривій 1b (1 бар = атмосферний тиск):
Якщо воду нагріти до 1b при 0 ° C, її температура підніметься від 0 до 100 ° C. Площа під цією кривою (жовте штрихування) вказує кількість використаного тепла (числове значення = 426 кіло джоулів на кг води: кдж/кг).
Якщо продовжувати нагрівати, температура залишатиметься на рівні 100 ° C, а вода випаровуватиметься. Площа під кривою (червоне штрихування) вказує на кількість використаного тепла (числове значення = 2271 кДж/кг). Якщо ми використовуємо 3/4 цього тепла, буде 75% пари і 25% води: ми говоримо, що титр пари становить 0,75. (точка на кривій буде всередині кривої синього дзвоника)
Якщо ми продовжимо нагріватись, температура пари зростатиме. Площа під кривою (оранжеве штрихування) вказує на кількість використаного тепла (чим більше площа збільшується, тим більше зростає температура).

Ми бачимо інші зелені криві для тиску 10b, 20b та 100b. Якщо з’єднати початкову і кінцеву точки кипіння для різних тисків, ми отримаємо блакитну дзвоноподібну криву (її верх відповідає критичній точці 220 b 374 ° C).

При атмосферному тиску для випаровування 1 кг води потрібно в 5,3 рази більше тепла, ніж для нагрівання від 0 до 100 ° C.
При тиску 20 b це співвідношення змінюється до 2,1 (920 кДж/кг для нагрівання води та 1941 кдж/кг для випаровування).
Для води під критичним тиском все тепло використовується для нагрівання води (більше не відбувається випаровування).

Чим вище тиск, тим більше тепла потрібно, щоб вода закипіла.
Для низьких тисків важлива енергія перетворення водяної пари: ми бачимо важливість використання в машинах пари до мінімально можливого тиску, щоб відновити якомога більше енергії. (Приклад машини "Титанік": турбіна, яка працює лише від 0,6 до 0,07 бар, забезпечує потужність, що дорівнює 60% потужності поршневих машин з потрійним розширенням, які тим не менше використовують пару при 15 - 0,6 бар.

Чим більше піднімається тиск, тим ближче криві тиску. Таким чином, площа між кривими 1b і 10b більша, ніж між кривими 10b і 20b.
Приклад:
на нагрівання від 0 ° C, потім для випаровування при тиску 42 мб (30 ° C) 1 кг води потрібно витратити 2570 кДж.
якщо ми підійдемо до 1 б (100 ° С), ми повинні додати 127 кДж
якщо ми підійдемо до 10 b (180 ° C), ми повинні додати 127 kj
якщо ми підійдемо до 20 b (213 ° C), ми повинні додати 30 kj
(кількість тепла, яке потрібно додати, невелике при збільшенні тиску: точка перетину зелена крива/синя крива піднімається, що збільшує поверхню, але також рухається вліво, що зменшує її)

Завантажте PDF-файл діаграми T S: Diagramme-Ts-eau.pdf
Сторінка для перетворення енергетичних одиниць (кВт-год, ккал, кДж, кг вугілля/год год): перетворювач

Небезпека пари

Погода додаток

Зміна стану води/пари відіграє важливу роль у погодних явищах і в передачі сонячної енергії:
На екваторі сонце нагріває повітря і воду: утворюється вологе повітря, яке поглинає енергію, нагрівається і піднімається, створюючи депресію. Ця енергія повертається, коли повітря опускається в максимумах.
Піднімаючись, вологе повітря розширюється, і тому його температура падає, поки не конденсується в дощ. Енергія конденсації дозволяє висотному повітрю бути менш холодним, ніж якби повітря було сухим на початку.
Це тепло повертається до нас, коли повітря опускається (повітря стискається і тому його температура зростає).
приклад: енергія, що міститься в одному кг повітря, порівняно із сухим повітрям при 0 ° C:
сухе повітря при 30 ° C містить 30 кДж, тоді як при 100% вологості воно містить 100 кДж. (різниця 70 кДж відповідає теплу, що міститься в 27 г пари/кг повітря).

Вплив вологості на стійкість повітряної маси:
Розглянемо середню масу повітря. Його тиск зменшується з висотою, а також його температура (-6,5 ° C на 1000 м).

Якщо ми зробимо сухе повітря підніматися по висоті (рельєф з вітром або депресією), його тиск зменшується, і тому воно охолоджується розслабленням (-10 ° C на 1000 м). Він буде охолоджуватися швидше, ніж навколишнє повітря, і, як правило, повертатиметься на початкове місце: повітря стабільне.

Якщо вологе повітря піднято на висоту, воно також охолоджується розслабленням. Але якщо для даного тиску температура занадто низька, щоб пара залишалася стабільною, частина пари буде конденсуватися, віддаючи тепло теплу повітря. Таким чином, вологе повітря може охолоджуватися менш швидко, ніж навколишнє (наприклад, -4 ° C на 1000 м). Буде спекотніше за неї і, як правило, підніметься ще більше: повітря нестійке.

Ці явища дуже важливі в метеорології. Вони беруть участь у формуванні гроз, ураганів.

Застосування в повсякденному житті

Переваги ставлення кришки на каструлю:
Коли вода нагрівається в каструлі, до досягнення 100 ° C існує рівновага між водою та напругою (парціальний тиск, див. Попередню сторінку) пари, присутньої в повітрі. У міру підвищення температури вода буде випаровуватися, збільшуючи тиск пари в повітрі над посудиною, щоб відновити рівновагу. Тепло, яке використовується для випаровування цієї води, не буде використано для нагрівання каструлі. На схемі ми бачимо, що ця теплота випаровування є важливою.
Те саме явище, коли ви піднімаєте кору гратену, щоб вона охолола.

Переваги видування на столовій ложці:
Вода в супі випаровується, щоб збільшити тиск пари в повітрі. Тепло, яке використовується для випаровування цієї води, буде використано для зниження температури ложки.
Водяна пара над ложкою не миттєво дифундує, і утворюється більш волога бульбашка повітря. Видування (на додаток до поліпшення конвекції) оновлює повітря і, отже, підтримує низький тиск пари, що прискорює випаровування та охолодження.
Числові значення: для охолодження 15 мл ложки (15 г) води від 90 ° C до 30 ° C потрібно 60 * 15 = 900 кал. (3,7 кДж). Для випаровування води при температурі 60 ° C потрібно 2,37 кДж/р. Для охолодження ложки досить випарувати приблизно 3,7/2,37 = 1,5 г води.

Піт:
Вода, яка випаровується на шкірі при 37 ° C, займає 2423 кДж/кг (579 ккал/літр): 1 літр води, яка випаровується при 37 ° C, дозволяє температурі знизитися на 60 літрів води 9,6 ° C (= 579/60).
Мало є тварин, які використовують зовнішній піт для регулювання своєї температури (людина, кінь тощо). Це дає змогу підтримувати зусилля з часом (марафон,.). Здається, деякі племена ведуть дичину досить довго, щоб викликати "тепловий удар" у здобичі, яка тим самим ослаблена (див. Паралізована). Дійсно, його система охолодження менш ефективна, ніж у людини, для тривалих зусиль.

"Важкий" час:
Людський організм чутливий до енергії (температури та вологості) в повітрі. Кажуть, перед грозою "важко". Якщо повітря занадто вологе, потовиділення більше не дозволяє нам охолоджуватися, звідси і дискомфорт. Для вимірювання цього дискомфорту існує індекс humidx.
Дізнайтеся більше про Humidex

Конденсаційний котел:
Після згоряння газу або палива в димових газах залишається водяна пара. Якщо зворотна вода від радіаторів досить холодна, можна конденсувати цю пару і відновити тепла, яке вона містить.

«Курити як пожежник»:
Виникнення цього виразу сягає тих часів, коли вогнезахисного одягу не існувало, і коли наші сміливі пожежники, одягнені в просту бавовна або шерсть, обприскували рясною кількістю води перед тим, як потрапити у запалене місце. Опинившись у пеклі, ця вода з високою температурою перетворилася на пару (охолоджуючи пожежника). А коли вони вийшли, з їхнього одягу витекла велика кількість диму та водяної пари.