Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_1529_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана.pdf
В старой системе единиц единицей теплоты была калория. 1 калория
(1 кал) — количество теплоты, необходимое для повышения
температуры 1 г воды на 1°C. 1 килокалория (1 ккал) — это
количество теплоты, необходимое для повышения температуры1 кг
воды на 1°C.
Для нагрева 1 г воды на 1°C требуется 4,2 Дж. Это гораздо
больше, чем для других материалов. Таким образом, вода при
определенной температуре содержит больше теплоты, чем другие
материалы при той же температуре.
Но, разумеется, энергии для нагревания этой воды до этой
температуры тоже требуется больше. Количество теплоты,
необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1°C, называется
удельной теплоемкостью.
Удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты,
необходимое для нагревания 1 кг данного вещества на 1°C. Величина
называется удельной, так как зависит от вида вещества. Сравните
удельные теплоемкости разных материалов:
Для жидкостей (воды) удельная теплоемкость обозначается hf:
(теплоемкость жидкости). Горячая вода содержит много теплоты, а
поскольку она может течь, то ее часто используют для переноса
тепла, например, в системах центрального отопления домов. Это
свойство воды(высокая теплоемкость) используется также при
очищении, деконтаминации и стерилизации.
5.1.4.2.2.
Полное теплосодержание/энтальпия
Общее количество теплоты, которое содержит вещество,
называется теплосодержанием или энтальпией. Это теплосодержание
обусловлено не только его температурой, но и давлением, как мы
увидим далее.
В наших целях мы принимаем теплосодержание воды при O°C за
ноль. После нагревания 1 кг воды до температуры 50ºC ее
теплосодержание будет 50×hf = 50×4
200 = 210 000 Дж, или 210 кДж.
После нагревания воды до100°C теплосодержание составит
100×hf = 100x4 200 = 420 000 Дж, или 420 кДж.
189
5.1.5.
Парообразование из воды
5.1.5.1.
Нагревание воды
Вода, когда ее оставляют стоять, медленно, но верно исчезает в
воздухе. Вода становится газом, или паром — испаряется.
Парообразование происходит с поверхности воды. И происходит
оно при всех температурах.
Вода, подобно любому веществу, состоит из молекул. Это
мельчайшие частицы любого вещества. Молекулы в воде движутся и
вибрируют. Они обладают определенным количеством энергии. У
большинства молекул недостаточно энергии, чтобы «убежать» из
жидкости.
Однако некоторые из них движутся достаточно быстро, и им
удается оторваться от поверхности жидкости и перейти в воздух над
ней. Это и есть парообразование жидкого вещества.
Когда вода нагревается, молекулы движутся быстрее, и убежать
удается уже большему числу молекул. Таким образом,
парообразование ускорится. Под действием теплоты температура
воды медленно, но верно растет.
5.1.5.2.
Кипение
Мы продолжаем нагревать воду, температура повышается, и в
какой-то момент вы услышите, что вода производит шум («поет»).
Когда вода достаточно нагреется, примерно до 100°C, она вдруг
начнет испаряться гораздо интенсивнее, чем прежде, — закипит.
При этой температуре вода более не может существовать в жидком
состоянии. Тогда парообразование происходит и внутри воды:
пузырьки пара поднимаются изнутри воды и устремляются с
поверхности в воздух.
При дальнейшем нагревании температура уже не будет расти, а
вода будет испаряться быстрее и яростнее. Все тепло будет
расходоваться на испарение. При этом будет образовываться водяной
пар. Пока вода и пар находятся в одном и том же сосуде, температура
пара и воды, из которой он образуется, будет одинаковая.
5.1.5.3.
Теплосодержание парообразования
Теперь мы знаем, что, как только вода закипит, ее температура
уже не растет. Вся теплота используется для испарения воды. На
самом деле вода расширяется (занимает большее пространство).
190
Вообще, каждый литр воды превращается в более чем 1600 литров
пара. Такое превращение воды в пар требует огромного количества
теплоты. По сравнению с другими жидкостями для испарения воды
требуется больше теплоты:
-
спирт 880 Дж/кг
-
эфир 375 Дж/кг
-
бензин 395 Дж/кг
- вода 2260 Дж/кг
Количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг воды и
образования пара, называется удельная теплоемкость
парообразования. Используется также термин удельная энтальпия
парообразования. (Обозначение: hfg — теплота, необходимая для
превращения жидкости в газ). Поскольку можно сказать, что теплота
парообразования в некотором роде скрыта в паре, ее называют также
скрытой теплотой.
5.1.5.4.
Конденсация
Конденсация — это превращение пара обратно в жидкое
состояние. Когда Вы кипятите воду в чайнике, Вы видите, как из
носика идет пар. Но на самом деле, водяной пар — невидимый газ. То,
что мы видим, — это капельки воды (туман).
Если вода кипит как следует, у носика Вы ничего не увидите.
Там пар. Температура этого пара та же, что у кипящей воды — 100°C.
Но, соприкасаясь с более холодным воздухом, он остывает и
конденсируется (вновь превращается в воду). Это тот пар (точнее,
туман), которые Вы видите, когда кипятите воду.
Итак, конденсация противоположна испарению. Когда пар
охлаждается, например, от соприкосновения с более холодным
материалом, он переносит свою теплоту на этот материал, и водяной
пар конденсируется. Очевидно, что при этом теплота, необходимая
для испарения воды, снова выделится.
Теплота, необходимая для парообразования, равна теплоте,
которая выделяется при конденсации.
Итак, когда водяной пар конденсируется на холодном предмете,
теплота конденсации выделится и будет перенесена на этот более
холодный предмет. Это вызовет очень быстрое нагревание данного
материала. Пар является эффективным стерилизующим агентом
именно из-за этой высокой теплоты конденсации. Совсем
191
небольшими количествами пара можно легко нагреть любой объект
до нужной температуры стерилизации.
5.1.5.5.
Насыщенный пар
Если кипятить воду в открытой кастрюле, над ней будет слой
воздуха. Вода начнет испаряться, затем закипать, пар будет толкать
воздух вверх. Если удалить весь воздух, пространство над водой
будет содержать один только пар. Этот чистый пар называется
насыщенным, потому что при этой температуре данное пространство
не может вместить больше пара (воды в газообразном состоянии).
Как только температура снизится, пар будет конденсироваться, вновь
превращаясь в воду.
После кипения в течение нескольких минут воздух, что был в
камере над водой, будет вытолкнут паром через спускное отверстие.
В камере останется только чистый пар, который называется
насыщенным.
Когда насыщенный пар соприкасается с любым материалом,
который холоднее, он немедленно конденсируется, отдавая всю свою
теплоту этому материалу и быстро нагревая его. Поэтому
насыщенный пар — очень эффективный теплоноситель. Именно
благодаря этому качеству он используется для нагревания
материалов.
Из-за огромной теплоты конденсации насыщенный пар является
самым эффективным теплоносителем в процессе стерилизации.
Удельное теплосодержание насыщенного пара
Теплосодержание каждого килограмма чистого пара (h
g
) — это
сумма тепла, необходимого для нагревания этой воды до
температуры 100°C (h
f
) и тепла, необходимого для испарения этой
воды (h
fg
). То есть h
g
= h
f
+h
fg
. Это и есть удельное теплосодержание
насыщенного пара.
Нагревание воды при атмосферном давлении (100 кПа). Вода
закипает при 100°C. Если усилить нагрев, кипение продолжится, но
температура будет оставаться прежней, пока вся вода не
преобразуется в пар. Пар, в который преобразовалась вся вода и
который не содержит больше никаких других газов, называют
насыщенным.
192
Рис. Нагревание воды при атмосферном давлении (100 кПа).
5.1.5.6.
Проникающая способность пара
В процессе превращения пара в воду(конденсации) происходит
колоссальное уменьшение его объема. Так, 1600 литров насыщенного
пара конденсируются всего в 1 литр воды. Это вызывает сильное
всасывание окружающего пара в точку, где происходит конденсация.
Поэтому, когда пар конденсируется, например, внутри
стерилизационной упаковки, конденсация вызывает всасывание,
притягивание новой порции пара в упаковку. Итак, пар обладает
большой способностью глубоко проникать в текстильные и пористые
загрузки.
Во время превращения пара в воду (конденсация) происходит
колоссальное уменьшение его объема (1600х), причем большая часть
пара притягивается к данному месту. Окружающий пар или воздух
засасывается в место конденсации пара.
Наиболее важные свойства насыщенного пара:
1.
Насыщенный пар – самый влажный вид пара. Присутствие
влаги важно для уничтожающего действия на микроорганизмы.
2.
Как только пар
немного остывает,
он конденсируется,
превращаясь в воду, выделяя огромную теплоту конденсации.
3.
Благодаря изменению объема при конденсации, пар может
очень хорошо проникать в предметы.
193
4.
Существует постоянное соотношение между температурой и
давлением насыщенного пара, благодаря чему легко контролировать
процесс.
Последнее из этих свойств более детально будет рассмотрено в
следующем разделе.
5.1.5.7.
Образование пара при
температуре выше 100°C
Мы убедились, что пар — отличный агент для нагревания
материалов, подлежащих стерилизации. Но температуры пара 100°C,
полученного из обычной кипящей воды, недостаточно для
уничтожения всех микроорганизмов.
Выше говорилось, что споры бактерий выживают в течение
долгого времени в кипящей воде(например, споры столбняка).
Поэтому нужен способ получения влажного жара (пара) более
высокой температуры.
Если мы используем открытую кастрюлю, вода не нагреется
выше 100°C. Чтобы получить воду горячее, чем обычный кипяток,
надо помешать пару «сбегать». Ограничив количество пара,
способного убегать, мы вызовем увеличение давления.
Это затруднит испарение воды, и многие молекулы, покинувшие
воду, упадут в нее обратно. Таким образом, парообразование, в
общем, снизится. Вода будет кипеть, но при более высокой
температуре.
Чем выше давление над водой, тем труднее будет проходить
дальнейшее парообразование и тем более высокая температура
понадобится, чтобы вода кипела. Справедливо и обратное: если мы
откачаем воздух над водой (создав вакуум), большему числу молекул
удастся вырываться из воды, парообразование будет легче. Потому
кипение воды будет происходить при более низкой температуре.
Температура кипения воды, как и других жидкостей, зависит от
давления газа (воздуха или водяного пара) над ней.
Итак, температура кипения воды зависит от давления над ее
поверхностью.
Когда выделение пара ограничено (маленьким впускным
отверстием), давление над водой растет. Молекулам становится
труднее покидать воду. Поэтому вода будет кипеть при более
высокой температуре.
194
Пар может свободно уходить через большое впускное отверстие
и вода будет кипеть при 100°С.
В случае, когда водяной пар отсасывается насосом, молекулам
становится проще «уйти» и вода будет кипеть при более низкой
температуре.
Температура кипения воды зависит от давления над ее
поверхностью.
Следующая диаграмма (Рисунок) показывает, что температу-ра
кипения воды повышается, когда давление над водой растет. И
понижается, когда давление над водой уменьшается. Эта диаграмма
называется диаграммой давления-температу-ры насыщенного пара
(P-T-диаграмма).
Рис. Диаграмма давления-температуры насыщенного пара
(Р-Т-
диаграмма).
195
С помощью представленной выще диаграммы можно открыть
секреты воды и пара. Она показывает, как они ведут себя при
различных величинах температуры и давления. Кривая указывает,
при какой температуре вода закипает при данном давлении. При
давлении/температуре в правой части кривой вода остается
преимущественно в жидком состоянии.
Итак, температура кипения воды повышается, когда давление над
водой растет и наоборот, понижается, когда давление над водой
уменьшается. Примеры: при атмосферном давлении (100 кПа) вода
остается жидкой, пока не нагреется до 100°C. Затем резко закипает, и
дальше ее температура не повышается. При 200 кПа вода закипит
лишь при 119 градусах. Вы также можете видеть, что снижение
давления заставляет воду закипеть при более низкой температуре.
Контролируя пар, который может «уйти», мы можем
контролировать давление над водой и, следовательно, ее температуру
кипения. Если пар вообще не может уйти, а мы продолжаем
нагревать воду, то давление вырастет настолько, что сорвет крышку.
Если воду хорошо нагреть в закрытом сосуде, то внутреннее
давление вырастет настолько, что сосуд может, взорватся и лопнет он
в самом уязвимом месте. Необходимо предотвращать такие случаи.
Поэтому надо выпускать некоторое количество пара, чтобы
ограничить давление.
Для поддержания желаемого давления пара есть специальное
устройства — клапан регулировки давления или иные средства
регулировки, в том числе сенсоры, переключатели
давления/температуры, которые контролируют подачу энергии для
нагревания парогенератора.
Для безопасной стерилизации используется температура не выше
138°C, получаемая при давлении 340 кПа.
В доступной литературе описаны случаи, когда неисправный
клапан привел к нежелательным последствиям. Например,
предохранительный клапан заклинило. Крышку снесло, она улетела,
пробив крышу стерилизационного отделения. Образовались трещины
в толстой металлической стенке, оторвало петлю и болты крепления
крышки.
196
5.1.6.
Качество воды и пара
Качество воды, так же, как и пара, оказывает серьезное влияние
на работу автоклава. Плохое качество воды может вызвать коррозию,
засорение и в итоге поломку оборудования.
Плохое качество пара может привести к нарушению процесса
стерилизации. Более подробно о качестве воды и о том, какая вода
требуется для стерилизации и очистки/дезинфекции, можно
прочитать в другой главе.
5.1.6.1.
Качество пара
5.1.6.1.1.
Перегретый пар
Пока нагревание продолжается и есть вода в сосуде, температура
и воды, и образованного из нее пара, будет оставаться на уровне
температуры кипения. В определенный момент вода испарится,
останется лишь пар.
Если продолжать нагрев, после того как вся вода испарилась,
температура пара увеличится, т.е. пар перегреется. У этого пара более
высокая температура, чем у насыщенного пара, поэтому его
называют перегретым паром.
Рис. Если нагревание продолжить после того как вся
вода
испарилась, пар перегреется
197
Именно превращение воды в пар вызывает быстрый рост
давления в закрытом сосуде. Поэтому после того как вода
испарилась, расширение станет ограниченнее, а давление пара будет
расти гораздо меньше, чем когда вода еще была. Перегретый пар
начнет вести себя так же, как любой другой газ.
Перегретый пар не может переносить теплоту на предмет так же
эффективно. В этом плане он даже хуже воздуха. Сначала перегретый
пар должен остыть до температуры конденсации, и лишь затем
высвободится его скрытая теплота. На охлаждение, конденсацию
такого пара требуется больше времени.
Процесс уменьшения пара в объеме также будет более
длительным; вакуум будет хуже, а проникающая способность
перегретого пара уменьшится. Перегретый пар требует лишних
затрат энергии. Поэтому перегретый пар не подходит для
стерилизации.
В промышленности перегретый пар используют, чтобы
приводить в движение турбины (колесо с лопастями, как у флюгера,
которое движется под действием давления пара). Из-за огромных
скоростей пара одна капля воды может повредить лопасть.
Для предотвращения образования конденсата используется
перегретый пар. В свою очередь, турбина приводит в движение
всевозможные механизмы. Например, приводы электрогенераторов
на крупных электростанциях.
5.1.6.1.2.
Влажный пар
Если пар контактирует с более холодными телами, он отдает им
некоторое количество своей теплоты. Это может происходить в
трубах, через которые транспортируется пар в наши квартиры. Тогда
часть пара сконденсируется, и образуются мелкие капли воды.
В трубах у пара высокая скорость движения, и капли будут
захватываться, двигаться вместе с ним. Пар с мелкими каплями воды
называется влажным паром. Влажный пар уже утратил часть своей
теплоты из-за конденсации и, соответственно, стал гораздо менее
эффективным для теплопереноса.
Влажный пар забивает поры упаковочных материалов и
препятствует проникновению пара в упакованные наборы
инструментов и запечатанные пакеты.
Та же проблема возникает с текстильными упаковками,
внутренний слой которых может промокать. Влага помешает
198