Тема 2. Основы теплотехники.

Теплотехника - это наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических веществ, называемых топливом.

Основы теплотехники составляют:

1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие виды энергии (например: тепловая энергия в механическую, хими­ческую и т. д.)

2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносите­лями через поверхность нагрева.

Рабочим телом является теплоноситель (водяной пар или горячая вода), который способен передавать теплоту.

В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и обще­ственных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее темпера­туры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с тем­пературой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах ото­пления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.

Параметры рабочего тела

Теплоноситель, получая или отдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.

Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар, ко­торый имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в па­роводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсат. Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конден­сата понижается.

Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.

t, P- определяется приборами: манометрами, термометрами.

Удельный объем и плотность является расчетной величиной.

1. Удельный объем - объем занимаемый единицеймассы вещества при

0°С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. (при нормальных условиях)

где: V- объем (м 3); m- масса вещества (кг); стандартное условие: Р=760мм р.ст. t=20 о С

2. Плотность - отношение массы вещества к его объему. каждое вещество имеет свою плотность:

В практике применяется относительная плотность – отношение плотности данного газа к плотности стандартного вещества (воздуха) при нормальных условиях (t° = 0°С: 760 мм. рт.ст.)

Сравнивая плотность воздуха с плотностью метана, мы можем определить из каких мест брать пробу на наличие метана.

получаем,

газ легче воздуха, значит, он заполняет верхнюю часть любого объема, проба берется из верхней части топки котла, колодца, камер, помещения. Газоанализаторы устанавливаются в верхней части помещений.

(мазут легче, занимает верхнюю часть)

Плотность угарного газа почти, такая как у воздуха, поэтому проба на угарный газ берется в 1.5 метров от пола.

3. Давление - эта сила, действующая на единицу площади поверхности.

Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверх­ности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ (сейчас в школах, в книгах все идет в Па, приборы тоже стали в Па).

Величина Па мала по значению, пример: если взять 1 кг воды разлить на 1 метр получаем 1 мм.в.ст. ,поэтому вводятся множители и приставки- МПа, КПа…

В технике применяются более крупные единицы измерения

1кПа=10 3 Па; 1МПа=10 б Па; 1ГПа=10 9 Па.

Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 ;мм.в.ст;мм.р.ст.

1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па

1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2

Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах.

Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при н.у.

1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .

Техническая атмосфера- давление вызываемое силой в 1кгс равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью в 1см 2 .

1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2

1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного сто­лба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.

1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.

В технических характеристиках насосов вместо давления употреб­ляется термин напор. Единицей измерения напора является м. вод. ст. Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.

Виды давления : избыточное, вакуум (разрежение, тяга), абсолютное, атмосферное .

Если стрелка отклоняется в строну большую нуля то это избыточное давление, в меньшую – разряжение.

Абсолютное давление:

Р абс =Р изб +Р атм

Р абс =Р вак +Р атм

Р абс =Р атм -Р разр

где: Р атм =1 кгс/см 2

Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.

Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме). В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р изб. измеряется приборами манометрами.

Вакуум (Разрежение) - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением. Разрежение измеряется приборами тягомерами.

Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с уче­том атмосферного давления.

По назначению давление бывает:

1). Русловное - наибольшее давление при t=20 o С

2). Ррабочее – максимально избыточное давление в котле, при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации (указывается в производственной инструкции).

3). Рразрешенное - максимально допустимое давление, установленное по результатам технического освидетельствования или контрольного расчета на прочность.

4). Ррасчетное – максимально избыточное давление, на котором производится расчет прочность элементов котла.

5). Рпробное - избыточное давление, при котором производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (один из видов технического освидетельствования).

4. Температура - это степень нагретости тела, измеряется в градусах. Определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому те­лу.

Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие.

Используются две шкалы: международная - Кельвина и практическая Цельсия t °С.

За ноль в этой шкале принята температура плавления льда, за сто градусов – температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).

За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.

1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия

Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К

Т=t + 273; t = T-273

Температура кипения зависит от давления.

Например, При Р аб c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.

5. Теплота - энергия, которая может передаваться от более нагретого те­ла к менее нагретому.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 кал. - количество теплоты необходимое для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при

Р = 760 мм. рт.ст.

1 кал. =4,19Дж

6.Теплоемкость – способность тела поглощать теплоту. Для того чтобы два различных вещества с одинаковой массой нагреть до одинаковой температуры, нужно затратить различное количество теплоты.

Удель­ная теплоемкость воды – количество тепла которое необходимо сообщить единицей вещества чтобы повысить его t на 1°С, равна 1 ккал/кг град.

Способы передачи теплоты.

Различают, три способа переноса теплоты:

1.теплопроводность;

2.излучение (радиация);

3.конвекция.

Теплопроводность-

Перенос теплоты вследствие теплового движе­ния молекул, атомов и свободных электронов.

Каждое вещество имеет свою теплопроводность, она зависит от хими­ческого состава, структуры, влажности материала.

Количественной характеристикой теплопроводности является коэф­фициент теплопроводности этоколичество теплоты, передаваемые через единицу поверхности нагрева в единицу времени при разности t в о С и толщине стенки в 1 метр.

Коэффициент теплопроводности ( ):

Медь = 330 ккал . м/м 2. ч . град

Чугун = 5 4 ккал . м/м 2. ч . град

Сталь =39 ккал . м/м 2. ч . град

Видно что: хорошей теплопроводностью обладают металлы, лучше всего медь.

Асбест =0,15 ккал . м/м 2. ч . град

Сажа =0,05-0, ккал . м/м 2. ч . град

Накипь =0,07-2 ккал . м/м 2. ч . град

Воздух =0,02 ккал . м/м 2. ч . град

Слабо проводят теплоту пористые тела (асбест, сажа, накипь).

Сажа затрудняет передачу тепла от топочных газов к стенке котла (проводит тепло хуже стали в 100 раз), что приводит к перерасходу топлива, снижению выработки пара или горячей воды. При наличии сажи повышается температура уходящих газов. Все это ведет и уменьшению КПД котла. При работе котлов ежечасно по приборам (логометр) контролируется t ух.газов, значения которых указаны в режимной карте котла. Если t ух.газов повысилась то производится обдувка поверхности нагрева.

Накипь образуется внутри труб (в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь), тем самым уменьшает теплопередачу от стенки котла к воде, в резуль­тате стенки перегреваются, деформируются, разрываются (разрыв труб котла). На­кипь в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь

Конвекция -

Перенос теплоты перемешиванием или перемещением частиц между собой (характерна только для жидкостей и газов). Различают конвекцию естественную и принудительную.

Естественная конвекция - свободное движение жидкости или газов за счет разности плотностей неравномерно нагретых слоев.

Принудительная конвекция - вынужденное движение жидкости или газов за счет давления или разрежения, создаваемых насосами, дымосо­сами и вентиляторами.

Способы увеличения конвективного теплообмена:

§ Увеличение скорости потока;

§ Турбулизация (завихрение);

§ Увеличение поверхности нагрева (за счет установки ребер);

§ Увеличение разности температур между греющей и нагреваемой средами;

§ Противоточное движение сред (противоток) .

Излучение (радиация)-

Теплообмен между телами находящимися на расстоянии друг от друга за счет лучистой энергии, носителями которой являются электромагнитные колебания: происходит превращение тепловой энергии в лучистую и наоборот, из лучистой в тепловую.

Излучение наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если изучающее тело имеет высокую температуру, а лучи на­правлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Для улучшения теплообмена излучением в топках котлов выкладываются из огнеупорных материалов специальные щели, которые одновременно являются излучателями теплоты и стабилизаторами горения.

Поверхность нагрева котла – поверхность, с которой с одной стороны омывается газами с другой стороны водой.

Рассмотренные выше 3 вида теплообмена в чистом виде встреча­ются редко. Практически один вид теплообмена сопровождается другим. В котле присутствуют все три вида теплообмена, который называется сложным теплообменом.

В топке котла:

А) от факела горелки к внешней поверхности труб котла- излучением.

Б) от образующихся дымовых газов к стенке –конвекцией

В) от внешней поверхности стенки трубы к внутренней- теплопроводностью.

Г) от внутренней поверхности стенки трубы к воде, циркуляцией вдоль поверхности – конвекцией.

Перенос теплоты от одной среды к другой через разделительную стенку называется теплопередачей.

Вода, водяной пар и его свойства

Вода простейшая устойчивая в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, наибольшая плотность воды 1000кг/м 3 при t=4 о С.

Вода, как и всякая жидкость, подчиняется гидравлическим законам. Она почти не сжимается, поэтому обладает способностью передавать давление, оказываемое на нее во все стороны с одинаковой силы. Если несколько сосудов разной формы соединить между собой, то уровень воды будет одинаковый везде (закон сообщающихся сосудов).

ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ

Влажностью воздуха называют содержание водяного пара в атмосфере. Водяной пар является одной из важнейших состав­ных частей земной атмосферы.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения воды с поверхности водоемов , почвы, снега, льда и растительного покрова, на что затрачивается в среднем 23 % солнечной радиации, приходящей на земную поверхность.

В атмосфере содержится в среднем 1,29 1013 т влаги (водяно­го пара и жидкой воды), что эквивалентно слою воды 25,5 мм.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами: абсолютной влажностью , парциальным давлением водяного пара, давлением насыщенного пара, относительной влажнос­тью, дефицитом насыщения водяного пара, температурой точки росы и удельной влажностью.

Абсолютная влажность а (г/м3) - количество водяного пара, выраженное в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха.

Парциальное давление (упругость) водяного пара е - фактичес­кое давление водяного пара, находящегося в воздухе, измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), миллибарах (мб) и гектопаскалях (гПа). Упругость водяного пара часто называют абсолютной влажностью. Однако смешивать эти разные понятия нельзя, так как они отражают разные физические величины ат­мосферного воздуха.

Давление насыщенного водяного пара, или упругость насыщения, Е- максимально возможное значение парциального давления при данной температуре; измеряют в тех же единицах, что и е. Упру­гость насыщения возрастает с увеличением температуры. Это зна­чит, что при более высокой температуре воздух способен содер­жать больше водяного пара, чем при более низкой температуре.

Относительная влажность f - это отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Выража­ют ее обычно в процентах с точностью до целых:

Относительная влажность выражает степень насыщения воз­духа водяными парами.

Дефицит насыщения водяного пара (недостаток насыщения) d - разность между упругостью насыщения и фактической упругос­тью водяного пара:

= E - e .

Дефицит насыщения выражают в тех же единицах и с той же точностью, что и величины е и Е. При увеличении относитель­ной влажности дефицит насыщения уменьшается и при/= 100 % становится равным нулю.

Так как Е зависит от температуры воздуха, а е - от содержа­ния в нем водяного пара, то дефицит насыщения является комп­лексной величиной, отражающей тепло - и влагосодержание воз­духа. Это позволяет шире, чем другие характеристики влажнос­ти, использовать дефицит насыщения для оценки условий про­израстания сельскохозяйственных растений.

Точка росы td (°С) - температура, при которой водяной пар, со­держащийся в воздухе при данном давлении, достигает состояния насыщения относительно химически чистой плоской поверхности воды. При/= 100 % фактическая температура воздуха совпадает с точкой росы. При температуре ниже точки росы начинается кон­денсация водяных паров с образованием туманов, облаков, а на поверхности земли и предметов образуются роса, иней, изморозь.

Удельная влажность q (г/кг) - количество водяного пара в граммах, содержащееся в 1 кг влажного воздуха:

q = 622 е/Р,

где е - упругость водяного пара, гПа; Р- атмосферное давление, гПа.

Удельную влажность учитывают в зоометеорологических рас­четах, например, при определении испарения с поверхности ор­ганов дыхания у сельскохозяйственных животных и при опреде­лении соответствующих затрат энергии.

ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ С ВЫСОТОЙ

Наибольшее количество водяного пара содержится в нижних слоях воздуха, непосредственно прилегающих к испаряющей поверхности. В вышележащие слои водяной пар проникает в ре­зультате турбулентной диффузии

Проникновению водяного пара в вышележащие слои способ­ствует то обстоятельство, что он легче воздуха в 1,6 раза (плот­ность водяного пара по отношению к сухому воздуху при 0 "С равна 0,622), поэтому воздух, обогащенный водяным паром, как менее плотный стремится подняться вверх.

Распределение упругости водяного пара по вертикали зависит от изменения давления и температуры с высотой, от процессов конденсации и облакообразования. Поэтому трудно теоретичес­ки установить точную закономерность изменения упругости во­дяного пара с высотой.

Парциальное давление водяного пара с высотой уменьшается в 4...5 раз быстрее, чем атмосферное давление. Уже на высоте 6 км парциальное давление водяного пара в 9раз меньше, чем на уровне моря. Это объясняется тем, что в приземный слой атмосферы водяной пар поступает непрерывно в результате ис­парения с деятельной поверхности и его диффузии за счет тур­булентности. Кроме того, температура воздуха с высотой пони­жается, а возможное содержание водяного пара ограничивается температурой, так как понижение ее способствует насыщению пара и его конденсации.

Уменьшение упругости пара с высотой может чередоваться с ее ростом. Например, в слое инверсии упругость пара обычно растет с высотой.

Относительная влажность распределяется по вертикали не­равномерно, но с высотой в среднем она уменьшается. В при­земном слое атмосферы в летние дни она несколько возрастает с высотой за счет быстрого понижения температуры воздуха, за­тем начинает убывать вследствие уменьшения поступления во­дяного пара и снова возрастает до 100 % в слое образования об­лаков. В слоях инверсии она резко уменьшается с высотой в ре­зультате повышения температуры. Особенно неравномерно из­меняется относительная влажность до высоты 2...3 км.

СУТОЧНЫЙ И ГОДОВОЙ ХОД ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

В приземном слое атмосферы наблюдается хорошо выражен­ный суточный и годовой ход влагосодержания, связанный с со­ответствующими периодическими изменениями температуры.

Суточный ход упругости водяного пара и абсолютной влажности над океанами, морями и в прибрежных районах суши аналогичен суточному ходу температуры воды и воздуха: минимум перед вос­ходом Солнца и максимум в 14...15 ч. Минимум обусловлен очень слабым испарением (или его отсутствием вообще) в это время су­ток. Днем по мере увеличения температуры и соответственно ис­парения влагосодержание в воздухе растет. Таков же суточный ход упругости водяного пара и над материками зимой.

В теплое время года в глубине материков суточный ход влаго-содержания имеет вид двойной волны (рис. 5.1). Первый мини­мум наступает рано утром вместе с минимумом температуры. После восхода Солнца температура деятельной поверхности по­вышается, увеличивается скорость испарения, и количество во­дяного пара в нижнем слое атмосферы быстро растет. Такой рост продолжается до 8...10 ч, пока испарение преобладает над переносом пара снизу в более высокие слои. После 8...10ч воз­растает интенсивность турбулентного перемешивания, в связи с чем водяной пар быстро переносится вверх. Этот отток водяного пара уже не успевает компенсироваться испарением, в результа­те чего влагосодержание и, следовательно, упругость водяного пара в приземном слое уменьшаются и достигают второго мини­мума в 15...16 ч. В предвечерние часы турбулентность ослабева­ет, тогда как довольно интенсивное поступление водяного пара в атмосферу путем испарения еще продолжается. Упругость пара и абсолютная влажность в воздухе начинают увеличиваться и в 20...22ч достигают второго максимума. В ночные часы испаре­ние почти прекращается, в результате чего содержание водяного пара уменьшается.

Годовой ход упругости водяного пара и абсолютной влажности совпадают с годовым ходом температуры воздуха как над океа­ном, так и над сушей. В Северном полушарии максимум влаго-содержания воздуха наблюдается в июле, минимум - в январе. Например, в Санкт-Петербурге средняя месячная упругость пара в июле составляет 14,3 гПа, а в январе - 3,3 гПа.

Суточный ход относительной влажности зависит от упруго­сти пара и упругости насыщения. С повышением температуры испаряющей поверхности увеличивается скорость испарения и, следовательно, увеличивается е. Но Е растет значительно быстрее, чем е, поэтому с повышением температуры поверх­ности, а с ней и температуры воздуха относительная влаж­ность уменьшается [см. формулу (5.1)]. В итоге ход ее вблизи земной поверхности оказывается обратным ходу температуры поверхности и воздуха: максимум относительной влажности наступает перед восходом Солнца, а минимум - в 15ч (рис. 5.2). Дневное ее понижение особенно резко выражено над континентами в летнее время, когда в результате турбу­лентной диффузии пара вверх е у поверхности уменьшается, а вследствие роста температуры воздуха Е увеличивается. По­этому амплитуда суточных колебаний относительной влажно­сти на материках значительно больше, чем над водными по­верхностями.

В годовом ходе относительная влажность воздуха, как правило, также меняется обратно ходу температуры. Например, в Санкт-Петербурге относительная влажность в мае в среднем составляет 65 %, а в декабре - 88 % (рис. 5.3). В районах с муссонным кли­матом минимум относительной влажности приходится на зиму, а максимум - на лето вследствие летнего переноса на сушу масс влажного морского воздуха: например, во Владивостоке летом /= 89%, зимой/= 68 %.

Ход дефицита насыщения водяного пара параллелен ходу температуры воздуха. В течение суток дефицит бывает наи­большим в 14...15 ч, а наименьшим - перед восходом Солнца. В течение года дефицит насыщения водяного пара имеет мак­симум в самый жаркий месяц и минимум в самый холодный. В засушливых степных районах России летом в 13 ч ежегодно отмечается дефицит насыщения, превышающий 40 гПа. В Санкт-Петербурге дефицит насыщения водяного пара в июне в среднем составляет 6,7 гПа, а в январе - только 0,5 гПа

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА В РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ

Растительный покров оказывает большое влияние на влаж­ность воздуха. Растения испаряют большое количество воды и тем самым обогащают водяным паром приземный слой атмос­феры, в нем наблюдается повышенное влагосодержание воздуха по сравнению с оголенной поверхностью. Этому способствует еще и уменьшение растительным покровом скорости ветра, а следовательно, и турбулентной диффузии пара. Особенно резко это выражено в дневные часы. Упругость пара внутри крон дере­вьев в ясные летние дни может быть на 2...4 гПа больше, чем на открытом месте, в отдельных случаях даже на 6...8 гПа. Внутри агрофитоценозов возможно повышение упругости пара по срав­нению с паровым полем на 6...11 гПа. В вечерние и ночные часы влияние растительности на влагосодержание меньше.

Большое влияние растительный покров оказывает и на отно­сительную влажность. Так, в ясные летние дни внутри посевов ржи и пшеницы относительная влажность на 15...30 % больше, чем над открытым местом, а в посевах высокостебельных куль­тур (кукуруза, подсолнечник, конопля) - на 20...30 % больше, чем над оголенной почвой. В посевах наибольшая относитель­ная влажность наблюдается у поверхности почвы, затененной растениями, а наименьшая - в верхнем ярусе листьев (табл. 5.1).. Распределение по вертикали относительной влажности и дефицита насыщения

Дефицит насыщения водяного пара соответственно в посевах значительно меньше, чем над оголенной почвой. Его распреде­ление характеризуется понижением от верхнего яруса листьев к нижнему (см. табл. 5.1).

Ранее отмечалось, что растительный покров значительно влияет на радиационный режим (см. гл. 2), температуру почвы и воздуха (см. гл. 3 и 4), существенно изменяя их по сравнению с открытым местом, т. е. в растительном сообществе формируется свой, особый метеорологический режим - фитоклимат. На­сколько сильно он выражен, зависит от вида, габитуса и возрас­та растений, густоты насаждения, способа посева (посадки).

Влияют на фитоклимат и погодные условия - в малооблачную и ясную погоду фитоклиматические особенности проявляются сильнее.

ЗНАЧЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Водяной пар, содержащийся в атмосфере, имеет, как отмеча­лось в главе 2, большое значение в сохранении тепла на земной поверхности, так как он поглощает излучаемое ею тепло. Влаж­ность воздуха относится к числу элементов погоды, имеющих су­щественное значение и для сельскохозяйственного производства.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на растение. Она в значительной степени обусловливает интенсивность транспирации. При высокой температуре и пониженной влаж­ности (/"< 30 %) транспирация резко увеличивается и у растений возникает большой недостаток воды, что отражается на их росте и развитии. Например, отмечается недоразвитие генеративных органов, задерживается цветение.

Низкая влажность в период цветения обусловливает пересы­хание пыльцы и, следовательно, неполное оплодотворение, что у зерновых, например, вызывает череззерницу. В период налива зерна чрезмерная сухость воздуха приводит к тому, что зерно получается щуплым, урожай снижается.

Малое влагосодержание воздуха приводит к мелкоплодности плодовых, ягодных культур, винограда , слабой закладке почек под урожай будущего года и, следовательно, снижению урожая.

Влажность воздуха отражается и на качестве урожая. Отмече­но, что низкая влажность снижает качество льноволокна, но по­вышает хлебопекарные качества пшеницы, технические свой­ства льняного масла, содержание сахара в плодах и т. д.

Особенно неблагоприятно снижение относительной влажно­сти воздуха при недостатке почвенной влаги. Если жаркая и су­хая погода длится продолжительное время, то растения могут за­сохнуть.

Отрицательно сказывается на росте и развитии растений и длительное повышение влагосодержания (/> 80 %). Избыточно высокая влажность воздуха обусловливает крупноклеточное строение ткани растений, что приводит в дальнейшем к полега­нию зерновых культур. В период цветения такая влажность воз­духа препятствует нормальному опылению растений и снижает урожай, так как меньше раскрываются пыльники, уменьшается лёт насекомых.

Повышенная влажность воздуха задерживает наступление полной спелости зерна, увеличивает содержание влаги в зерне и соломе, что, во-первых, неблагоприятно отражается на работе уборочных машин, а во-вторых, требует дополнительных затрат на просушку зерна (табл. 5.2).

Снижение дефицита насыщения до 3 гПа и более приводит практически к прекращению уборочных работ из-за плохих ус­ловий.

В теплое время года повышенная влажность воздуха способ­ствует развитию и распространению ряда грибных заболеваний сельскохозяйственных культур (фитофтороз картофеля и тома­тов, милдью винограда, белая гниль подсолнечника, различные виды ржавчины зерновых культур и др.). Особенно усиливается влияние этого фактора с увеличением температуры (табл. 5.3).

5.3. Число растений яровой пшеницы Цезиум 111, пораженных головней в зависимости от влажности и температуры воздуха (по, От влажности воздуха зависят и сроки проведения ряда сель­скохозяйственных работ: борьбы с сорняками, закладки кормов на силос, проветривания складских помещений, сушки зерна и ДР-

В тепловом балансе сельскохозяйственных животных и чело­века с влажностью воздуха связан теплообмен. При температуре воздуха ниже 10 "С повышенная влажность усиливает теплоотда­чу организмов, а при высокой температуре - замедляет.

Ты, конечно, замечал, если выйти из речки и не обтираться полотенцем, то через некоторое время твоя кожа станет сухой.

Это говорит о том, что вода с поверхности твоего тела испарилась. Процесс испарения представляет собой переход жидкого состояния воды в парообразное. Ты можешь наблюдать это явление в природе повсеместно.

Испарение постоянно происходит с поверхностного слоя морей и океанов, влажных предметов (например, когда ты протираешь школьную доску мокрой тряпкой).

Для всех живых существ и растений тоже свойственен процесс испарения. Благодаря этому явлению живые организмы способны регулировать температуру своего тела. Ты, наверняка, замечал, что вода с поверхности тела испаряется быстрее, если на улице ветрено или ярко светит солнышко.

Действительно, при повышении температуры и наличии ветра испарение происходит интенсивней, поэтому летом лужи высыхают быстрее, чем осенью. Зимой этот процесс и вовсе замедляется, но не останавливается. Даже мокрое белье, вывешенное на улицу и покрытое коркой льда, все равно станет сухим. Процесс испарения даже при таких условиях все равно продолжается. При температуре +100°С жидкое состояние воды благодаря кипению переходит в парообразное. В этот момент наблюдается самый активный процесс испарения.

Образовавшийся пар с поверхности земли начинает подниматься. Ты ведь знаешь, что теплый воздух гораздо легче холодного, поэтому он и начинает подниматься, устремляясь ввысь. Но с увеличением высоты температура воздуха резко начинает снижаться, и водяной охлаждается, образуя мелкие капельки воды. Так возникают облака, которые ты можешь каждый день наблюдать на небе. В их состав могут входить многочисленные капельки воды. Это водяные облака. В некоторых из них могут присутствовать мелкие кристаллы. Такие облака называют ледяными. А если в составе наблюдаются и капельки воды и кристаллы, то они являются смешанными. Ледяные облака образуются на самых больших высотах.

Процесс образования капель воды из пара является обратным процессу испарения, он получил название - конденсация (от латинского - "сгущение"). В природе этот процесс ты можешь наблюдать при выпадении росы и возникновении туманов.

Явление конденсации активно применяют и в фармакологии. Таким образом очищают воду, которая используется при лабораторных исследованиях и в изготовлении лекарств. Процесс состоит из трех этапов: воду преобразуют в пар, пар вновь переходит в жидкое состояние, а образовавшиеся капли собирают путем стекания (дистилляцией). Получилась дистиллированная вода. Но она не является абсолютно чистой, потому что к ней примешиваются частицы атмосферного воздуха. Почти аналогичный состав наблюдается у очищенной снеговой или дождевой воды.

СОВМЕСТИТЕ ПОЛЕЗНОЕ С ПРИЯТНЫМ!

Откуда берётся вода?

Цель

Познакомить с процессом конденсации.

Материалы

• ёмкость с горячей водой
• зеркало.

Я подержала охлажденное зеркало над паром. Я рассмотрела капельки воды, которые появились на нём. Откуда взялась эта вода?

Это пар осел на зеркале и охладился, превратившись в воду. Тоже повторили, но с тёплым зеркалом - капель воды очень мало.

Почему?

Процесс превращения пара в воду происходит при охлаждении пара.

Куда исчезает вода?

Цель

Выявить процесс испарения воды, зависимость скорости испарения от условий (температура воздуха, наличие ветра).

Материалы

• Три одинаковые ёмкости с одинаковым количеством воды.

Нужно налить одинаковое количество воды в ёмкости, сделать отметку уровня и поместить в разные условия: на батарею, около окна и в прохладное место (тумба).

Теперь наблюдаем за процессом испарения воды, фиксируют в дневнике наблюдений .

Почему?

Вода быстрее испаряется в тепле (у батареи), потом около окна (ветер - сквозняк), в последнюю очередь в тумбе (там прохладно, нет сквозняка).

Водяной пар, превращается в водяные капли?

Понадобится:

• .Чайник
• .Горелка
• .Вода
• .Металлическая кружка
• Несколько куликов льда и ледяная вода

Технологический процесс:

1. Наполните чайник водой.
2. Дайте воде вскипеть.
3. Положите несколько кубиков льда и ледяную воду в металлическую кружку.
4. Когда чайник закипит, сделайте так, чтобы поток пара был направлен на металлическую кружку.

Каков результат?

Водяные капли появляются на внешней поверхности металлической кружки.

Почему?

Водяной пар превращается в капли воды при соприкосновении с холодной поверхностью. Этот процесс, во время которого вода меняет свое газообразное состояние на жидкое, называется "конденсацией". Из-за того что металлическая кружка намного холоднее, чем кипящая вода в чайнике, поток пара, выходящий из него, превращался в капли воды, как только касался поверхности кружки.

Для окружающей нас природы водяной пар имеет огромное значение. Он присутствует в атмосфере, используется в технике, служит неотъемлемой составной частью процесса происхождения и развития жизни на Земле.

В учебниках физики говорится, что водяной пар - это Его может наблюдать каждый, поставив чайник на огонь. Через некоторое время из его носика начинает вырываться струя пара. Обусловлено такое явление тем, что вода может находиться в разных, как определяют физики, агрегатных состояниях - газообразном, твердом, жидком. Такие свойства воды и объясняют ее всеобъемлющее присутствие на Земле. На поверхности - в жидком и твердом состоянии, в атмосфере - в газообразном.

Такое свойство воды и последовательный переход ее в разные состояния создают в природе. Жидкость испаряется с поверхности, поднимается в атмосферу, переносится в другое место в виде водяного пара и там выпадает в виде дождя, обеспечивая необходимой влагой новые места.

По сути дела, работает своеобразная паровая машина, источником энергии для которой является Солнце. При рассмотренных процессах водяной пар дополнительно обогревает планету благодаря отражению им теплового излучения Земли обратно к поверхности, вызывая парниковый эффект. Если бы не было такой своеобразной «подушки», то температура на поверхности планеты была бы на 20°С ниже.

В качестве подтверждения изложенного можно вспомнить о солнечных днях зимой и летом. В теплое время года высокая, и атмосфера, как в парнике, согревает Землю, зимой же в солнечную погоду бывают порой самые значительные холода.

Как и все газы, водяной пар обладает определенными свойствами. Одним из параметров, определяющим таковые, будет плотность водяного пара. По определению, это количество водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха. По сути, так определяется последнего.

Количество в воздухе воды постоянно меняется. Оно зависит от температуры, от давления, местности. Содержание влаги в атмосфере - чрезвычайно важный для жизни параметр, и за ним постоянно наблюдают, для чего пользуются специальными приборами - гигрометром и психрометром.

Изменение влажности вызвано тем, что содержание воды в окружающем пространстве изменяется из-за процессов испарения и конденсации. Конденсация - это явление, обратное испарению, в данном случае пар начинает превращаться в жидкость, и она выпадает на поверхность.

При этом в зависимости от окружающей температуры может образоваться туман, роса, иней, гололед.

Когда теплый воздух, воды, соприкасается с холодной землей, образуется роса. В зимнее время, при отрицательных температурах, будет образовываться иней.

Немного другой эффект происходит, когда приходит холодный, или начинает охлаждаться нагретый за день воздух. В этом случае образуется туман.

Если температура поверхности, на которую конденсируется пар, отрицательная, то возникает гололед.

Таким образом, многочисленные природные явления, такие, как туман, роса, иней, гололед, обязаны своим образованием водяному пару, содержащемуся в атмосфере.

В этой связи стоит упомянуть об образовании облаков, которые тоже самым непосредственным образом участвуют в формировании погоды. Вода, испаряясь с поверхности и превращаясь в водяной пар, поднимается вверх. При достижении высоты, где начинается конденсация, она превращается в жидкость, и происходит образование облаков. Они могут быть нескольких типов, но в свете рассматриваемого вопроса важно, что они участвуют в создании парникового эффекта и переносе влаги в новые места.

В изложенном материале показано, что собой представляет водяной пар, описано его влияние на жизненные процессы, происходящие на Земле.

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой . Эта точка имеет параметры p кр , v кр и Т кр , при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т кр.

Критическая точка К имеет параметры:

p кр = 22,136 МПа; v кр = 0,00326 м 3 /кг; t кр = 374,15 °С.

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v — и T, s -диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p 0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а . При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром . Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc . Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным . Это состояние обозначается на диаграмме точкой c .

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d . Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

• величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
• величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
• величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
• величина с индексом «x » относится к влажному насыщенному пару;
• величина без индекса относится к перегретому пару.

Процесс парообразования при более высоком давлении p 1 > p 0 можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v -диаграмме и поднимается вверх на T,s -диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v -диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k , называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v -диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc .

На T, s -диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

r = T (s″ — s′ ).

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds .

На T, s -диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s -диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.