Вода — самое распространенное на Земле вещество, представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. Вода является прекрасным растворителем, и поэтому все природные воды — это растворы, содержащие разнообразные вещества — соли, газы и другие примеси. Вода и водяной пар получили наибольшее применение в промышленности в качестве рабочего тела и теплоносителя. Это объясняется, в первую очередь, доступностью благодаря распространению воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками. Так, удельная теплоемкость воды выше по сравнению с многими жидкостями и твердыми телами (при повышении температуры до температуры кипения, т. е. в интервале температур 0... 100 °С при атмосферном давлении с = 4,19 кДжДкг-К)). В отличие от других жидких и твердых тел теплопроводность воды с повышением температуры до 120... 140 °С увеличивается в зависимости от давления, а при дальнейшем повышении температуры — уменьшается. Наибольшая плотность воды (1,000 г/см3) достигается при 4 °С. Температура плавления (таяния льда) 0 °С. Изменение агрегатного состояния воды из жидкого в газообразное называется парообразованием, а из газообразного в жидкое — конденсацией. Превращение жидкой воды в пар — парообразование — возможно при испарении и при кипении воды. Испарение воды — процесс парообразования путем отрыва и улетучивания молекул воды с открытой ее поверхности, происходящий при температуре ниже точки кипения при данном давлении. При испарении с поверхности жидкости отрываются и улетают молекулы, обладающие повышенными относительно равновесного значения скоростями движения, вследствие чего средняя скорость движения молекул в массе жидкости снижается и, как следствие, снижается температура всей массы воды. При подводе теплоты к массе жидкости, т.е. при нагревании воды, ее температура и интенсивность испарения увеличиваются, и наступает момент, соответствующий определенным значениям температуры и давления, когда испарение начинается в объеме воды — вода закипает. Кипение воды — процесс интенсивного испарения не только на ее свободной поверхности, но и внутри образующихся пузырьков пара, при определенной температуре нагрева воды, называемой температурой кипения. При атмосферном давлении температура кипения составляет приблизительно 100 °С, с повышением давления температура кипения возрастает. Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг воды для ее превращения из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования г. С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается (табл. 1.1).
Конденсация — обратный процесс превращения пара в жидкость. Такую жидкость называют конденсатом. Данный процесс сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации 1 кг пара, называется теплотой конденсации пара, она численно равна скрытой теплоте парообразования.
Водяной пар — вода в газообразном агрегатном состоянии. Водяной пар, имеющий максимальную плотность при данном давлении, называется насыщенным. Насыщенным является пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкой фазой, т.е. имеющий одинаковые температуру и давление с кипящей водой. Насыщенный водяной пар может быть влажным и сухим. В объеме влажного насыщенного пара в виде мельчайших капелек находится вода, которая образуется при разрыве оболочек паровых пузырьков. Сухой насыщенный пар не содержит капелек воды, он характеризуется температурой насыщения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением. Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретым и сухим насыщенным паром при том же давлении называется перегревом пара. Отношение массы сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара называется паросодержанием, или степенью сухости пара х. Эта важная характеристика влажного насыщенного водяного пара определяет долю пара в пароводяной смеси, где у — доля жидкости: X = 1 - у. Отделение капель воды от пара называется сепарацией, а устройства, предназначенные для этой цели, — сепараторами. Энтальпия влажного насыщенного пара hx, кДж/кг, выражается через степень сухости следующим образом: hx= h' + rx, где h' — энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг. Таблица 1.1 Свойства воды и сухого насыщенного пара в зависимости от давления Энтальпия перегретого пара /гпп, кДж/кг:
