استیم یا بخار چیست؟

اب

در فاز مایع، مولکول‌ها آزادانه حرکت می‌کنند، اما به دلیل جاذبه متقابل، هنوز کمتر از یک قطر مولکولی از هم فاصله دارند و برخوردها اغلب اتفاق می‌افتد. گرمای بیشتر، هم‌زدن و برخورد مولکولی را افزایش می‌دهد و دمای مایع را تا دمای جوش آن بالا می‌برد.

آنتالپی آب، آنتالپی مایع یا گرمای محسوس (h _f) آب

این انرژی گرمایی مورد نیاز برای افزایش دمای آب از نقطه مبنا 0 درجه سانتی گراد به دمای فعلی آن است.

در این حالت مرجع صفر درجه سانتیگراد، آنتالپی آب به طور دلخواه روی صفر تنظیم شده است. سپس می توان آنتالپی سایر حالت ها را نسبت به این حالت مرجع به راحتی در دسترس تشخیص داد.

گرمای محسوس اصطلاحی بود که زمانی استفاده می شد، زیرا گرمای اضافه شده به آب باعث تغییر دما می شد. با این حال، شرایط پذیرفته شده این روزها آنتالپی مایع یا آنتالپی آب است.

در فشار اتمسفر (0 بار گرم)، آب در 100 درجه سانتیگراد می جوشد و برای گرم کردن 1 کیلوگرم آب از 0 درجه سانتیگراد تا دمای جوش 100 درجه سانتیگراد، 419 کیلوژول انرژی لازم است. از این ارقام است که مقدار ظرفیت گرمایی ویژه آب (Cp) 4.19 کیلوژول بر کیلوگرم درجه سانتیگراد برای اکثر محاسبات بین 0 تا 100 درجه سانتیگراد به دست می آید.

بخار

با افزایش دما و نزدیک شدن آب به شرایط جوشش، برخی از مولکول‌ها انرژی جنبشی کافی برای رسیدن به سرعت‌هایی به دست می‌آورند که به آن‌ها اجازه می‌دهد به‌طور لحظه‌ای از مایع به فضای بالای سطح فرار کنند، قبل از اینکه دوباره به داخل مایع بیفتند.

حرارت بیشتر باعث تحریک بیشتر می شود و تعداد مولکول هایی با انرژی کافی برای خروج از مایع افزایش می یابد. هنگامی که آب تا نقطه جوش خود گرم می شود، حباب های بخار درون آن ایجاد می شود و برای شکستن سطح بالا می رود.

با توجه به آرایش مولکولی مایعات و بخارات، منطقی است که چگالی بخار بسیار کمتر از آب باشد، زیرا مولکول های بخار از یکدیگر دورتر هستند. بنابراین فضای بلافاصله بالای سطح آب با مولکول های بخار با متراکم کمتر پر می شود.

وقتی تعداد مولکول هایی که از سطح مایع خارج می شوند بیشتر از مولکول هایی باشد که دوباره وارد می شوند، آب آزادانه تبخیر می شود. در این نقطه به نقطه جوش یا دمای اشباع خود رسیده است، زیرا با انرژی گرمایی اشباع شده است.

اگر فشار ثابت بماند، افزودن گرمای بیشتر باعث افزایش بیشتر دما نمی شود، بلکه باعث می شود آب بخار اشباع شود. دمای آب جوش و بخار اشباع شده در یک سیستم یکسان است، اما انرژی گرمایی در واحد جرم در بخار بسیار بیشتر است.

در فشار اتمسفر دمای اشباع 100 درجه سانتیگراد است. با این حال، اگر فشار افزایش یابد، این اجازه می دهد تا گرمای بیشتری اضافه شود و دما بدون تغییر فاز افزایش یابد.

بنابراین، افزایش اثر فشار، آنتالپی آب و دمای اشباع را افزایش می دهد. رابطه بین دمای اشباع و فشار به عنوان منحنی اشباع بخار شناخته می شود (شکل 2.2.1 را ببینید).

آب و بخار می توانند در هر فشاری روی این منحنی وجود داشته باشند، هر دو در دمای اشباع هستند. بخار در شرایطی بالاتر از منحنی اشباع به بخار فوق گرم معروف است:

• دمای بالاتر از دمای اشباع، درجه حرارت فوق العاده بخار نامیده می شود.
• آب در شرایط زیر منحنی آب زیر اشباع نامیده می شود.

اگر بخار بتواند با همان سرعتی که تولید می شود از دیگ بخار جریان یابد، افزودن گرمای بیشتر به سادگی سرعت تولید را افزایش می دهد. اگر از خروج بخار از دیگ جلوگیری شود و نرخ گرمای ورودی حفظ شود، انرژی جریان یافته به دیگ از انرژی خارج شده بیشتر خواهد بود. این انرژی اضافی فشار را افزایش می دهد و به نوبه خود اجازه می دهد تا دمای اشباع افزایش یابد، زیرا دمای بخار اشباع شده با فشار آن مرتبط است.

آنتالپی تبخیر یا گرمای نهان (h _fg )

این مقدار حرارت مورد نیاز برای تغییر حالت آب در دمای جوش آن به بخار است. این شامل هیچ تغییری در دمای مخلوط بخار / آب نیست و تمام انرژی برای تغییر حالت از مایع (آب) به بخار (بخار اشباع) استفاده می شود.

اصطلاح قدیمی گرمای نهان مبتنی بر این واقعیت است که اگرچه گرما اضافه شده است، اما تغییری در دما وجود ندارد. با این حال، اصطلاح پذیرفته شده اکنون آنتالپی تبخیر است.

مانند تغییر فاز از یخ به آب، فرآیند تبخیر نیز برگشت پذیر است. همان مقدار گرمایی که بخار تولید می‌کند، در حین تراکم، زمانی که بخار با هر سطحی در دمای پایین‌تر برخورد می‌کند، به محیط اطراف خود باز می‌گردد.

این ممکن است به عنوان بخش مفید گرما در بخار برای مقاصد گرمایشی در نظر گرفته شود، زیرا آن قسمت از گرمای کل در بخار است که هنگام متراکم شدن بخار به آب استخراج می شود.

آنتالپی بخار اشباع یا گرمای کل بخار اشباع

این کل انرژی در بخار اشباع شده است و به سادگی مجموع آنتالپی آب و آنتالپی تبخیر است.

نمودار فاز بخار

داده های ارائه شده در جداول بخار را می توان به صورت گرافیکی نیز بیان کرد. شکل 2.2.3 رابطه بین آنتالپی و دمای حالت های مختلف آب و بخار را نشان می دهد. این به عنوان نمودار فاز شناخته می شود.

همانطور که آب از 0 درجه سانتیگراد تا دمای اشباع خود گرم می شود، شرایط آن از خط آب اشباع شده پیروی می کند تا زمانی که تمام آنتالپی مایع خود را دریافت کند، h _f، (A – B).

اگر گرمای بیشتری اضافه شود، آب به یک مخلوط آب/بخار تغییر فاز داده و در حالی که در دمای اشباع باقی می‌ماند، به افزایش آنتالپی ادامه _{می‌دهد} .

با افزایش خشکی مخلوط آب/بخار، شرایط آن از خط مایع اشباع به خط بخار اشباع منتقل می شود. بنابراین در نقطه ای دقیقاً در نیمه راه بین این دو حالت، کسر خشکی (c) 0.5 است. به طور مشابه، در خط بخار اشباع، بخار 100٪ خشک است.

هنگامی که تمام آنتالپی تبخیر خود را دریافت کرد، به خط بخار اشباع می رسد. اگر بعد از این نقطه به گرم شدن ادامه دهد، فشار ثابت می ماند اما دمای بخار با انتشار سوپرهیت شروع به افزایش می کند (C – D).

خطوط آب اشباع و بخار اشباع منطقه ای را در بر می گیرد که در آن مخلوط آب/بخار وجود دارد – بخار مرطوب. در ناحیه سمت چپ خط آب اشباع فقط آب وجود دارد و در ناحیه سمت راست خط بخار اشباع فقط بخار فوق گرم وجود دارد.

نقطه ای که در آن خطوط آب اشباع و بخار اشباع به هم می رسند به عنوان نقطه بحرانی شناخته می شود. با افزایش فشار به سمت نقطه بحرانی، آنتالپی تبخیر کاهش می یابد، تا زمانی که در نقطه بحرانی به صفر می رسد. این نشان می دهد که آب در نقطه بحرانی مستقیماً به بخار اشباع تبدیل می شود.

بالاتر از نقطه بحرانی، بخار ممکن است به عنوان یک گاز در نظر گرفته شود. حالت گازی حالت پراکنده ترین حالتی است که در آن مولکول ها حرکت تقریباً نامحدودی دارند و با کاهش فشار حجم آن بدون محدودیت افزایش می یابد.

نقطه بحرانی بالاترین دمایی است که آب می تواند در آن وجود داشته باشد. هر گونه فشرده سازی در دمای ثابت بالاتر از نقطه بحرانی تغییر فاز ایجاد نمی کند.

با این حال، فشرده سازی در دمای ثابت زیر نقطه بحرانی، منجر به مایع شدن بخار در هنگام عبور از منطقه فوق گرم به منطقه بخار مرطوب می شود.

نقطه بحرانی در دمای 374.15 درجه سانتیگراد و 221.2 بار در بخار برای بخار رخ می دهد. بالاتر از این فشار، بخار فوق بحرانی نامیده می شود و نقطه جوش کاملاً مشخصی اعمال نمی شود.

نسبت بخار فلاش تولید شده را می توان به عنوان نسبت انرژی اضافی به آنتالپی تبخیر در فشار نهایی در نظر گرفت.

مثال 2.2.4

حالتی که دمای میعانات فشار بالا کمتر از دمای اشباع فشار پایین باشد.

شرایط مشابه در مثال 2.2.3 را در نظر بگیرید، با این تفاوت که دمای میعانات فشار بالا در 90 درجه سانتیگراد است، یعنی زیر دمای اشباع اتمسفر 100 درجه سانتیگراد سرد می شود.

توجه: معمولاً چنین افت زیادی در دمای میعانات از دمای اشباع آن (در این مورد 159 درجه سانتیگراد تا 90 درجه سانتیگراد) عملی نیست. این به سادگی برای نشان دادن این نکته در مورد عدم تولید بخار فلاش در چنین شرایطی استفاده می شود.

در این حالت جدول آب زیر اشباع نشان خواهد داد که آنتالپی مایع یک کیلوگرم میعانات در گرمای 5 بار گرم و دمای 90 درجه سانتیگراد 377 کیلوژول است. از آنجایی که این آنتالپی کمتر از آنتالپی یک کیلوگرم آب اشباع در فشار اتمسفر (419 کیلوژول) است، هیچ گرمای اضافی برای تولید بخار فلاش وجود ندارد. میعانات به سادگی از تله عبور می کند و در حالت مایع در همان دما اما فشار کمتر، فشار اتمسفر در این مورد باقی می ماند.

شکل 2.2.5 را ببینید.

اصول بقای انرژی و جرم بین دو حالت فرآیندی

اصول بقای انرژی و جرم اجازه می دهد تا پدیده بخار فلاش از جهتی متفاوت در نظر گرفته شود.
شرایط مثال 2.2.3 را در نظر بگیرید.

1 کیلوگرم میعانات در 5 بار گرم و 159 درجه سانتیگراد 0.112 کیلوگرم بخار فلاش در فشار اتمسفر تولید می کند. این را می توان به صورت شماتیک در شکل 2.2.6 نشان داد. جرم کل فلاش و میعانات در 1 کیلوگرم باقی می ماند.