Сжижение газов. Влажность

Из эксперимента известно, что любой газ может быть переведен в жидкое состояние. Причем некоторые газы можно сделать жидкими при обычных температурах, сжимая их в компрессорах. Другие газы поддаются сжижению только после охлаждения до очень низких температур. Известно, что для каждого газа существует критическая температура Т_К, ниже которой газ можно перевести в жидкое состояние, а при Т > Т_К газ не может быть жидким ни при каких давлениях. Например для газов аммиак и хлор критическая температура выше обычной комнатной, поэтому их можно сделать жидкими, увеличивая давление. А для таких газов как кислород, азот, водород, гелий Т_К значительно ниже комнатной, поэтому для сжижения их сначала нужно сильно охладить.

Рассмотрим газ в цилиндре под поршнем. Охладим газ до температуры ниже критической и будем его изотермически сжимать, измеряя давление. Сначала газ ведет себя согласно изотерме Ван- дер-Ваальса, то есть при уменьшении объема давление газа возрастает. Но, начиная с некоторого момента, давление перестает изменяться; объем уменьшается, а давление не меняется. На этом участке газ конденсируется. Содержимое цилиндра на этом участке представляет собой смесь жидкости и насыщенного пара. Наконец, начиная с некоторого момента, давление опять начинает увеличиваться, причем очень быстро. Это говорит о том, что весь пар сконденсировался, и мы начинаем сжимать жидкость. Примерный вид этой изотермы приведен на рисунке. Если провести этот опыт при более высокой температуре, то получим аналогичную изотерму, проходящую выше первой, у которой горизонтальный участок будет меньше. Наконец при температуре Т = Т_К горизонтальный участок превращается в точку К. В этой точке, называемой критической, газ мгновенно превращается в жидкость. В точке К свойства пара и жидкости абсолютно идентичны и их невозможно различить.

На горизонтальном участке изотермы пар и жидкость находятся в состоянии термодинамического равновесия. При этом жидкость постоянно испаряется, а пар постоянно конденсируется. Но скорость испарения жидкости равна скорости конденсации пара, поэтому при постоянной температуре концентрация пара над поверхностью жидкости все время остается постоянной. Пар, находящийся в состоянии термодинамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Давление насыщенного пара не зависит от его объема, а определяется только температурой. При увеличении температуры давление насыщенного пара растет. Причем эта зависимость гораздо более сильная, чем зависимость давления от температуры для идеального газа. Это объясняется тем, что при повышении температуры равенство скоростей испарения и конденсации наступает при более высокой концентрации пара. Поэтому давление пара увеличивается как за счет увеличения температуры, так и за счет увеличения концентрации пара. На рисунке приведен примерный график зависимости давления насыщенного пара от температуры. Для сравнения там же приведен график зависимости давления от температуры для идеального газа в изохорическом процессе. Аналитически зависимость давления насыщенного пара от температуры получить не удается. Однако эту зависимость очень легко измерить экспериментально.

Для насыщенного пара можно применять уравнение Менделеева – Клапейрона, однако надо при этом учитывать, что масса пара изменяется из-за испарения и конденсации.

Критическая температура для воды равна 374 °С. Поэтому при обычных температурах вода может существовать как в виде газа (водяной пар) так и в виде жидкости (вода). В дальнейшем, говоря о влажности, мы, в основном, будем подразумевать водяной пар.

Если пар не находится в равновесии с жидкостью, то он скорее всего ненасыщенный. Давление ненасыщенного пара меньше, чем давление насыщенного при той же температуре. Степень ненасыщенности пара принято характеризовать относительной влажностью - φ. Она определяется выражением:

где Р и Р₀ – парциальное давление данного пара и давление насыщенного пара при той же температуре. Так как пар – это газ, то давление пара однозначно связано с его плотностью:

Значит, относительная влажность может быть выражена через плотность:

где ρ и ρ₀ – плотность пара и его насыщенная плотность при той же температуре.

Давление и плотность насыщенного водяного пара при различных температурах – это экспериментально измеренные величины и приведены в соответствующих таблицах. Относительная влажность может изменяться от 0 до 100%. Максимальная относительная влажность 100% соответствует насыщенному пару. При попытках увеличить влажность выше 100% (например, сжимая пар) приводит к конденсации излишков пара, при этом относительная влажность остается постоянной и равной 100%.

Пусть ненасыщенный пар находится в закрытом сосуде. Его давление меньше, чем давление насыщенного пара, а относительная влажность меньше 100%. При охлаждении пара будет уменьшаться как давление пара, так и давление насыщенного пара. Но давление насыщенного пара уменьшается гораздо быстрее, чем само давление. Это означает, что с уменьшением температуры относительная влажность будет возрастать. И если при некоторой начальной температуре она была меньше 100%, то при некоторой температуре меньше начальной она станет равна 100%. Эта температура называется точкой росы. Смысл этого названия заключается в том, что при дальнейшем охлаждении пара ниже точки росы начинается конденсация пара, то есть выпадает роса. Точку росы достаточно легко определить экспериментально. Для этого предназначены простые приборы, называемые гигрометрами. Измерив точку росы для воздуха в комнате, можно легко узнать его относительную влажность по формуле:

Где Р₀(Т) и Р₀(Т_р) – давление насыщенного пара при данной температуре в комнате и при температуре точки росы.

Имеется еще понятие абсолютной влажности. Это просто плотность водяного пара, выраженная в г/м³.

Кипение жидкости. Жидкость испаряется при любой температуре. Обычно испарение жидкости происходит с поверхности. Однако при некоторой температуре начинается бурное объемное испарение жидкости. Этот процесс называется кипением. Правда и в этом случае жидкость испаряется с поверхности. Рассмотрим кипение воды. Дело в том, что в воде всегда имеется множество мельчайших пузырьков воздуха. Вода испаряется внутрь этих пузырьков и пар внутри них находится в насыщенном состоянии. Если давление окружающей воды больше, чем давление насыщенного пара при данной температуре, то внешнее давление не дает пузырькам расти. Если воду нагревать, то давление насыщенного пара внутри пузырьков начинает резко возрастать и при некоторой температуре становится равным внешнему давлению. Начиная с этого момента внешнее давление уже не может препятствовать росту пузырьков. Вода испаряется внутрь пузырьков, они увеличиваются в размерах и всплывают на поверхность воды. Начинается кипение воды. Значит, кипение жидкости происходит при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара становится равно внешнему давлению. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что давление насыщенного водяного пара при 100 °С равно 10⁵ Па.

Давление насыщенного пара зависит от температуры. Значит, температура кипения жидкости сильно зависит от внешнего давления. При понижении давления температура кипения уменьшается. Хорошо известно, что высоко в горах вода закипает при температуре меньше 100 °С.