В статье рассказывается о том, что такое конденсация, из-за чего возникает подобный физический процесс, и где его можно заметить в повседневной жизни.
Начало
Физика является одной из важнейших для человечества дисциплиной. Конечно, таковой считает «свою» науку любой ее последователь, но тем не менее именно физика наряду с другими естественными техническими науками позволила хоть немного, но разобраться в устройстве нашего мира. Во все времена находились те, кого не устраивало библейское описание Вселенной и природы в целом, и они, будучи первопроходцами, стремились разобраться в положении дел самостоятельно, как, к примеру, сам Михайло Ломоносов.
К сожалению, с популяризацией физики все не так просто, но определенные успехи есть, если вспомнить «Занимательную физику» Перельмана и ряд научных трудов Стивена Хокинга.
А еще физика интересна тем, что вокруг нас ежесекундно происходит множество процессов, к которым мы привыкли и не обращаем внимания, а они довольно интересны с научной точки зрения, к примеру, такое явление, как конденсация. Так что такое конденсация? В этом мы и разберемся.
Определение
Если обратиться к энциклопедии, то, согласно ей, конденсация - это переход того или иного вещества из газообразного в жидкое или твердое. Говоря проще, это процесс превращения пара в нечто иное, к примеру, жидкость. На первый взгляд, все довольно просто, все мы привыкли к тому, что пар в помещении постепенно осаждается в виде капель воды на предметах, и это так. Так что теперь мы знаем, что такое конденсация. Однако где еще встречается подобное явление, и чем оно полезно?
Дождь
Конденсацию можно заметить и при приготовлении пищи, когда пар поднимается из кастрюли с кипящей водой и оседает на стенах или предметах мелкими капельками жидкости. Также наиболее ярко этот процесс заметен и в парилке бани: если вылить воду на раскаленный очаг, она перейдет в газообразное состояние и по мере падения температуры начнет конденсироваться на стенах и полу.
Так что теперь мы знаем, что такое К слову, согласно закону сохранения вещества и энергии, обратно в жидкое состояние перейдет ровно столько пара, сколько и испарилось.
Что такое конденсация, как она происходит в природе и к чему приводит?
- Конденса#769;ция паров (лат. condense уплотняю, сгущаю) переход вещества в жидкое или тврдое состояние из газообразного. Температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической. Пар, из которого может происходить конденсация, бывает насыщенным или ненасыщенным.
Виды конденсацииСоотношения для разных видов конденсации выведены на основе опытных данных, а также статистической физики и термодинамики.
править Давление насыщенных паров
При наличии жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона Клаузиуса определяет параметры этого равновесия в частности, выделение тепла при конденсации, и охлаждение при испарении.
править Конденсация перенасыщенного пара
Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:
* отсутствие жидкой или тврдой фазы того же вещества.
* отсутствие ядер конденсации взвешенных в атмосфере тврдых частиц или капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации) .
* конденсация в атмосфере другого газа в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.Прибор ядерной физики камера Вильсона основана на явлении конденсации на ионах.
При отсутствии ядер конденсации пересыщение может достигать 8001000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флюктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества) .
править Конденсация ненасыщенного пара
Конденсация ненасыщенного пара возможна в присутствии порошкообразных или тврдых пористых тел. Кривая (в данном случае вогнутая) поверхность изменяет равновесное давление и инициирует капиллярную конденсацию.
править Конденсация в тврдую фазу
Конденсация, минуя жидкую фазу, происходит через образование мелких кристалликов (десублимация) . Это возможно в случае давления паров ниже давления в тройной точке при пониженной температуре.
- Здравствуйте!
Конденсация - это переход вещества из газообразного состояния вещества в жидкое. Для конденсации водяного пара в атмосфере необходимы два условия:
1) Насыщение воздуха водяным паром (это происходит при понижении температуры) ;
2) Наличие ядер конденсации - частиц микроаэрозолей, на которых произойдт отложение микрокапелек воды см. про микровзвеси:
http://otvet.mail.ru/question/24108702/
(в очищенном от микроаэрозолей воздухе конденсация не происходит даже при пересыщении) .
При конденсации водяного пара на поверхности Земли наблюдается роса, при конденсации в нижнем слое атмосферы наблюдается туман, при конденсации водяного пара на высотах - облака разных форм и на разных высотах (см приложение) , которые и приносят на Землю осадки. При отрицательной температуре воздуха происходит непосредственный переход водяного пара в кристаллы (сублимация) и соответственно возникает на Земле - иней, в нижнем слое атмосферы - морозный туман, а на высотах - формы облаков, состоящие из кристаллов. Интересна форма облаков и антропогенная - Перисто-кучевых конденсационных (Cc tract), вызванная пролтом самолта на больших высотах, вызванная сублимацией пара на продуктах сгорания, выбрасываемых двигателями самолта, см. подробнее мой ответ на вопрос:
Конденсация– это переход вещества из газообразного в жидкое состояние.
Молекулы жидкости, покинувшие ее в процессе испарения, находятся в воздухе в состоянии непрерывного теплового движения. Так как движение молекул хаотичное, то какая-то часть молекул вновь попадает в жидкость.Число таких молекул тем больше, чем больше давление пара над жидкостью. Пар конденсируется.
Процесс превращения пара в жидкость идет с выделением некоторого количества тепла.
Количество теплоты, выделяющееся при конденсации определяется по формуле:
где L - удельная теплота парообразования.
Приведенная выше формула годится одновременнодля расчета количества теплоты необходимого для превращения жидкости в пар (при кипении) и для количества теплоты, выделяющейсяпри конденсации.
Скорость конденсации зависитот: рода жидкости, наличия центров конденсации и от температуры.
Температура вещества в процессе конденсации не изменяется.
Температура конденсации паров вещества равна температуре кипения этого вещества.
КАК ПОЯВЛЯЮТСЯ ТУМАН И РОСА
В воздухе всегдаесть водяные пары, хотя их плотность в сотни раз меньше плотности воздуха. Количество водяных паров в воздухе не может быть бесконечно большим. Существует предельная масса воды, которая при данной температуре может содержаться в 1 куб.м воздуха. Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров может содержаться в воздухе.
При понижениитемпературы воздуха водяные пары в какой-то момент становятся насыщенными.
При дальнейшем охлаждении начинают конденсироватьсяи проявляются в виде мельчайших капель на центрахконденсации – пылинках, частицах дыма, ионах газа.
Появившиеся капли в воздухе называются туманом.
А капли на поверхности земли, на листьях и траве называют росой.
Туманы не долговечны. Капли в воздухе могут сливаться, тогда выпадает дождь, или испаряться, тогда туман рассеивается.
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ
Что, белый след на небе от летящего самолета – туман, образующийся из паров воды, поставщиком которых служит сгорающее топливо. Горячий выхлопной газ, насыщенный водяными парами, попадает в холодную атмосферу и образует туман.
ИНТЕРЕСНО
Если на газовой плите с предельно большим пламенем горелки стоит открытая кастрюля с водой, близкой к кипению, то как только выключить газ, над кастрюлей появляетсяобильный пар. Оказывается, что при работе горелки конденсация пара происходила на большом расстоянии от кастрюли, конденсат уносился конвекционными потоками воздуха, поэтому сконденсированные частицы пара не были видны. Когда горелку выключили, пар стал конденсироваться над кастрюлей и поэтому стал видимым.
Почему холодильник время от времени приходится выключать и размораживать Большинство продуктов содержит воду. Испаряясь, она затем замерзает на самой холодной части холодильника - испарителе, и он покрывается толстой снеговой шубой, обладающей низкой теплопроводностью. Это приводит к уменьшению теплоотвода из камеры, и температура в холодильнике понижается недостаточно.
А НУ-КА
Почему стакан с холодной водой покрывается снаружи каплями воды, когда его приносим в теплую комнату?
Почему эти капли через некоторое время исчезают?
Конденсация
Лекция № 21
Теплообменные процессы
Литература:
1. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.
План лекции:
1. Общая характеристика процесса конденсации.
2. Теплоотдача при конденсации пара.
3. Теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара внутри труб.
4. Основные типы конденсаторов.
Контрольные вопросы:
1. Что называется конденсацией? При каких условиях происходит конденсация паров и газов?
2. Какие виды конденсации Вы знаете? Дайте им краткую характеристику.
3. Как рассчитывается термическое сопротивление передаче теплоты от пара к стенке при пленочной конденсации?
4. В каких аппаратах осуществляется поверхностная конденсация? От чего зависит расход охлаждающей воды?
5. Чем различаются мокрые и сухие конденсаторы?
6. Какие теплообменники по принципу действия относятся к смесительным?
7. Как устроен и работает мокрый прямоточный конденсатор? От чего зависят расход охлаждающей воды и объем воздуха, отсасываемого из конденсатора?
Конденсация - переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация пара (газа) может быть осуществлена либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Далее рассмотрены только процессы конденсации, проводимые путем охлаждения паров водой и холодным воздухом.
Данный процесс часто встречается на практике - в конденсаторах выпарных аппаратов, в теплообменниках холодильных и других установок. Конденсацию паров часто используют при выпаривании, вакуум-сушке и др., для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводят из аппарата, где они образуются, в отдельный закрытый аппарат - конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом.
Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. В результате в конденсаторе создается разреженное пространство, причем разрежение увеличивается с уменьшением температуры конденсации. Последняя, в свою очередь, тем ниже, чем больше (при прочих равных условиях) расход охлаждающего агента и ниже его конечная температура. Одновременно с процессом конденсации в рабочем пространстве конденсатора происходит накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также проникают через неплотности аппаратуры из окружающего воздуха. По мере накопления неконденсирующихся газов и возрастания их парциального давления уменьшается разрежение в аппарате. Поэтому для поддержания вакуума на требуемом уровне необходимо непрерывно отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. Обычно эти газы откачивают с помощью вакуум-насоса, который одновременно предотвращает колебания давления, обусловленные изменением температуры охлаждающего агента.
Конденсация происходит как в объеме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае образование конденсата происходит самопроизвольно при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения на холодных жидких или твердых частицах, вводимых в пар. Конденсация пара осуществляется на границе с охлаждаемой поверхностью какого-либо тела или на каких-либо «центрах», способных конденсировать охлаждаемый пар в объеме (ионизированные молекулы газа, различные взвешенные частицы и т. п.).
Если пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения (t ст < t H), то пар конденсируется и конденсат оседает на стенке. При охлаждении пара на поверхности тела в зависимости от состояния его поверхности и свойств поверхностного слоя может образоваться пленка конденсата с толщиной, намного превышающей расстояние эффективного действия межмолекулярных сил (пленочная конденсация пара), или поверхность может быть покрыта отдельными каплями конденсата (капельная конденсация пара) (рис.1).
Рис.1. Конденсация на поверхности:
а- пленочная; б-капельная
Пленочной называется конденсация, когда жидкая конденсированная фаза образуется на поверхности теплообмена в виде устойчивой пленки. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает данную поверхность теплообмена. Если же конденсат не смачивает поверхность, то происходит капельная конденсация.
Капельная конденсация наблюдается при пуске теплообменного аппарата, когда на поверхностях стенок имеются различные, в том числе и масляные загрязнения, и в некоторых других случаях. Она может быть вызвана с помощью специальных веществ, называемых лиофобизаторами (при конденсации водяного пара - гидрофобизаторами). Эти вещества наносятся на поверхность теплообмена или вводятся в пар.
Капельная конденсация водяного пара по сравнению с пленочной, при прочих одинаковых условиях, обеспечивает более интенсивную теплоотдачу. Это объясняется тем, что пленка конденсата обладает большим терми-1еским сопротивлением передаче теплоты фазового перехода от поверхности конденсации к стенке. При капельной конденсации в силу разрыва Пленки это сопротивление гораздо меньше. В ходе конденсации пара на поверхности охлаждаемой стенки осуществляется конвективный перенос пapa из окружающего пространства к месту конденсации. Для осуществления непрерывного процесса конденсации пара необходимо обеспечить соответствующий отвод освобождаемой энергии охлаждением поверхностного слоя жидкости. При этом перенос теплоты к охлаждаемой стенке в условиях пленочной конденсации пара осуществляется в основном теплопроводностью через пленку конденсата. Толщина его пленки на поверхности охлаждаемой стенки зависит от интенсивности конденсации пара и от условий стока жидкости. В промышленных теплообменных аппаратах чаще имеет место пленочная конденсация.
). Конденсация происходит при изотермич. сжатии, адиабатич. расширении и охлаждении или одноврем. понижении его и т-ры, к-рое приводит к тому, что конденсиров. фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом и т-ра выше, чем в для данного в-ва, образуется (сжижение), если ниже - в-во переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация). К онденсация широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством , при и очистке в-в и др., в , напр. в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсации рабочего тела, в опреснит. установках и др. При конденсации в узких порах последние могут поглощать значит. кол-ва в-ва из газовой фазы (см. ). Следствие конденсации водяного в - дождь, снег, роса, иней. Конденсация в жидкое состояние. В случае конденсации в объеме или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсир. фаза образуется в виде мелких капель (тумана) или мелких . Для этого необходимо наличие центров конденсации, к-рыми могут служить очень мелкие капельки (зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрич. заряд (). При отсутствии центров конденсации может в течение длит. времени находиться в т. наз. метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомог. конденсация начинается при т. наз. критич. пересыщении П кp =p к /p н где р к - равновесное , соответствующее критич. диаметру зародышей, р н - насыщ. над плоской пов-стью (напр., для водяного в , очищенном от твердых частиц или , П кр =5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технол. аппаратах, напр. при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, влажных . Конденсация на пов-сти насыщенного или перегретого происходит при т-ре пов-сти, к-рая меньше, чем т-ра насыщения при его равновесном над ней. Наблюдается во многих пром. аппаратах, к-рые служат для конденсации целевых продуктов, подогрева разл. сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных и т.д. При сжижении на пов-сти , хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка (пленочная конденсация); на пов-сти, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация); на пов-сти с неоднородными св-вами (напр., на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) - зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная конденсация). При пленочной конденсации чистых коэф. теплоотдачи определяется в осн. термич. сопротивлением пленки конденсата, к-рое зависит от режима ее течения. Последний в случае практически неподвижного определяется числом Рейнольдса пленки: Rе пл =w d /v к, где w, d - соотв. средняя по сечению скорость и толщина пленки конденсата, v к - кинематич. конденсата. Для конденсации на вертикальной или трубе при Rе пл менее 5-8 течение пленки чисто ламинарное, при превышении этих значений Rе пл - ламинарно-волновое, при Re пл >>350-400 - турбулентное. На вертикальных пoв-стях значит. высоты могут наблюдаться области с разл. режимами течения пленки конденсата. При ламинарном течении увеличение Re пл с возрастанием толщины пленки приводит к уменьшению коэф. теплоотдачи, при турбулентном течении - к его увеличению. Если перегрет, конденсация сопровождается конвективной теплоотдачей от к конденсату, т-ра поверхности к-рого практически равна т-ре насыщения при . Для в-в с большой теплотой конденсации (напр., ) теплота перегрева обычно незначительна по сравнению с теплотой конденсации, и ею можно пренебречь. В случае пленочной конденсации движущегося касательное напряжение на пов-сти раздела фаз, обусловленное межфазным и переносом импульса частицами сконденсировавшегося , к-рые присоединяются к пленке конденсата, вызывает при нисходящем потоке увеличение скорости и уменьшение толщины пленки, в результате чего коэф. теплоотдачи увеличивается. При более высоких скоростях парового потока воздействие его на пленку конденсата может приводить не только к изменению ее скорости и толщины, но и к возмущению течения (образование волн, турбулизация), интенсифицирующему теплоперенос в пленке. Если поток направлен вверх, движение ламинарной пленки конденсата тормозится, толщина ее увеличивается и коэф. теплоотдачи уменьшается по мере возрастания скорости до тех пор, пока действие межфазного не вызовет т. наз. обращенное (направленное вверх) течение пленки конденсата. При конденсации движущегося внутри трубы (канала) режимы течения и характер взаимод. паровой и жидкой фаз могут значительно изменяться в результате изменения по мере образования конденсата скорости , касательного напряжения на межфазной пов-сти и Re пл. При больших скоростях (когда действие силы тяжести на пленку конденсата пренебрежимо мало и течение ее определяется в осн. силой ) местные и средние по длине трубы коэф. теплоотдачи не зависят от пространств. ориентации трубы. Если силы тяжести и соизмеримы, условия конденсации определяются углом наклона трубы и взаимным направлением движения фаз. В случае конденсации внутри горизонтальной трубы и малой скорости кольцевая пленка конденсата образуется только на верх, части внутренней пов-сти трубы. На ниж. части возникает "ручей", в зоне к-рого в результате относительно большой толщины слоя теплоотдача значительно менее интенсивна, чем на остальном участке пов-сти. В случае конденсации на пучке горизонтальных труб расход стекающего конденсата увеличивается сверху вниз вследствие натекания конденсата с вышележащих труб на нижележащие, а расход по пути его движения снижается. В пучке с постоянным или относительно немного уменьшающимся по высоте живым сечением между трубами скорость нисходящего потока постепенно снижается, а конденсат натекает с верх, труб на нижние. Вначале это приводит к уменьшению местных коэф. теплоотдачи (осредненных по периметру труб) при увеличении отсчитываемого сверху номера горизонтального ряда труб. Однако, начиная с нек-рого ряда, в результате натекания конденсата течение пленки возмущается и ее термич. сопротивление снижается. Благодаря этому коэф. теплоотдачи могут стабилизироваться, а при возрастающем воздействии возмущения течения пленки на ниж. трубках - увеличиваться с возрастанием номера ряда. Интенсификация теплоотдачи при пленочной конденсации может достигаться профилированием ее пов-сти (напр., применением т, наз. мелковолнистой пов-сти), к-рое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на пов-сти искусств, шероховатости, приводящей к тур-булизации пленки, воздействием на нее при диэлектрич. жидкой фазе (напр., при конденсации ) электростатич. полем, отсосом конденсата через пористую пов-сть и др. При конденсации жидких жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термич. сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термич. сопротивление, обусловленное молекулярно-кинетич. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная конденсация на пов-сти сопровождается гомог. конденсацией в прилегающем к пов-сти раздела фаз слое . Если образование тумана при этом нежелательно (напр., в произ-ве H 2 SO 4 нитрозным способом или при улавливании летучих р-рителей), процесс проводят при макс. пересыщении ниже П кр. При капельной конденсации первичные мелкие капли, образовавшиеся на сухой вертикальной или наклонной пов-сти, растут в результате продолжения процесса, слияния близко расположенных и касающихся друг друга капель и подтягивания к ним возникающей между каплями и быстро разрывающейся конденсата. Капли, достигшие "отрывного" диаметра, стекают вниз, объединяясь (коалес-цируя) с нижележащими мелкими каплями, после чего на освободившейся пов-сти опять образуются мелкие капли, и цикл повторяется. Условия, определяющие самопроизвольное возникновение капельной конденсации, наблюдаются редко. Обычно же для осуществления капельной конденсации на твердую пов-сть наносят тонкий слой лиофобизатора - в-ва, обладающего низким и несмачиваемого конденсатом (напр., ). В случае капельной конденсации коэф. теплоотдачи намного выше (в 5-10 раз и более), чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации пром. аппаратов устойчивой капельной конденсации затруднительно. Поэтому конденсац. устройства хим. пром-сти, как правило, работают в режиме пленочной конденсации. Конденсация на пов-сти того же в-ва происходит в технол. аппаратах на пов-сти подаваемых в объем диспергированных (напр., с помощью распылит, форсунок) струй или стекающих по . или распределение на позволяет сильно развить пов-сть контакта фаз. В ряде случаев конденсация наблюдается при поступлении в объем в виде струй или пузырьков (барботаж), а также при образовании паровых пузырьков в объеме , напр. при кавитации. К онденсация из смеси его с неконденсирующимися (или неконденсирующимися при данной т-ре ) на пов-сти