ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΑΘΑΡΩΝ ΟΥΣΙΩΝ.

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΑΘΑΡΩΝ ΟΥΣΙΩΝ. 2.1 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΚΑΘΑΡΗΣ ΟΥΣΙΑΣ. Μια ουσία της οποίας η χημική σύσταση παραμένει σταθερή σε όλη της την έκταση ονομάζεται καθαρή ουσία. Δεν είναι υποχρεωτικό να είναι ένα χημικό στοιχείο ή μια χημική ένωση. Ένα μίγμα χημικών στοιχείων ή ενώσεων μπορεί επίσης να είναι καθαρή ουσία εφόσον είναι ομογενές. Για παράδειγμα ο αέρας είναι καθαρή ουσία ενώ είναι μίγμα διαφόρων αερίων, έχει όμως ομοιόμορφη χημική σύσταση. Το μίγμα του νερού με το λάδι δεν είναι καθαρή ουσία, γιατί το λάδι δεν είναι διαλυτό στο νερό και συγκεντρώνεται πάνω από το νερό σχηματίζοντας δύο χημικά ανόμοιες περιοχές (ετερογενές μίγμα). Το μίγμα δύο ή περισσοτέρων φάσεων μιας καθαρής ουσίας είναι επίσης καθαρή ουσία, γιατί όλες οι φάσεις έχουν την ίδια χημική σύσταση. Το μίγμα πάγου και νερού είναι επίσης καθαρή ουσία, γιατί και οι δύο φάσεις έχουν την ίδια χημική σύσταση. Το μίγμα όμως της υγρής και της αέριας φάσης του αέρα δεν είναι καθαρή ουσία, γιατί η σύσταση του υγρού είναι διαφορετική από αυτή του αερίου και έτσι το μίγμα δεν είναι πλέον χημικά ομογενές. Αυτό οφείλεται στο ότι τα διάφορα συστατικά του αέρα σε συγκεκριμένη πίεση έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες συμπύκνωσης. Σχήμα 10_Το άζωτο και ο αέρας είναι καθαρές ουσίες. Ένα μίγμα νερού στην υγρή και στην αέρια φάση είναι μια καθαρή ουσία (α), ενώ ένα μίγμα αέρα στην υγρή και στην αέρια φάση δεν είναι καθαρή ουσία (β). 1

2 2.2 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΑΘΑΡΩΝ ΟΥΣΙΩΝ. Σε πολλά παραδείγματα από την καθημερινότητα, δύο φάσεις μιας καθαρής ουσίας συνυπάρχουν σε ισορροπία. Στο βραστήρα και στο συμπυκνωτή μιας μονάδας παραγωγής ισχύος με υδρατμό, το νερό βρίσκεται με τη μορφή μίγματος υγρού και ατμού. Το ψυκτικό υγρό στα ψυγεία και στους κύκλους ψύξης μετατρέπεται από υγρό σε ατμό και αντίστροφα. Στη συνέχεια για την παρουσίαση των βασικών αρχών της διεργασίας εξάτμισης θα χρησιμοποιηθεί το παράδειγμα του νερού που είναι οικείο Συμπιεσμένο Υγρό και Κορεσμένο Υγρό. Θεωρούμε ένα σύστημα εμβόλου κυλίνδρου το οποίο περιέχει νερό σε θερμοκρασία 20 ο C. Υπό τις συνθήκες αυτές, το νερό βρίσκεται στην υγρή φάση και ονομάζεται συμπιεσμένο ή υπόψυκτο υγρό, υποδηλώνοντας ότι το υγρό δεν είναι έτοιμο να εξατμιστεί. Στη συνέχεια ζεσταίνουμε μέχρι να αυξηθεί η θερμοκρασία του για παράδειγμα στους 40 ο C. Σχήμα 11: Σε πίεση 1 atm και σε θερμοκρασία 20 ο C, το νερό βρίσκεται στην υγρή φάση (συμπιεσμένο υγρό). Σε πίεση 1 atm και στους 100 ο C, το νερό βρίσκεται στην κατάσταση του υγρού που είναι έτοιμο να εξατμιστεί (κορεσμένο υγρό). 2

3 Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, ο όγκος του νερού στην υγρή φάση αυξάνεται, γεγονός που σημαίνει αύξηση του ειδικού όγκου του νερού. Το έμβολο, παρακολουθώντας την αύξηση του όγκου, θα μετακινηθεί ελαφρά προς τα πάνω. Η πίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου θα παραμείνει ίση με 1 atm, αφού εξαρτάται μόνο από την εξωτερική βαρομετρική πίεση και το βάρος του εμβόλου, τα οποία παραμένουν σταθερά. Το νερό συνεχίζει να βρίσκεται στην κατάσταση του συμπιεσμένου υγρού, αφού στις συνθήκες αυτές δεν έχει αρχίσει η εξάτμιση. Καθώς μεταφέρεται περισσότερη θερμότητα στο υγρό, η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται ως τους 100 ο C (κατάσταση 2). Στο σημείο αυτό, το νερό συνεχίζει να είναι υγρό, αλλά οποιαδήποτε επιπλέον προσθήκη θερμότητας, όσο μικρή και αν είναι θα οδηγήσει σε εξάτμιση ενός μέρους του υγρού. Αυτό σημαίνει ότι η διεργασία αλλαγής φάσης είναι έτοιμη να αρχίσει. Το υγρό που είναι έτοιμο να εξατμιστεί ονομάζεται κορεσμένο υγρό (κατάσταση 2) Κορεσμένος Ατμός και Υπέρθερμος Ατμός. Όταν αρχίσει ο βρασμός, η θερμοκρασία παύει να αυξάνεται μέχρι να εξατμιστεί όλο το υγρό. Δηλαδή η θερμοκρασία παραμένει σταθερή σε όλη τη διεργασία αλλαγής φάσης, εάν η πίεση παραμείνει σταθερή. Κατά τη διάρκεια της διεργασίας εξάτμισης (βρασμός), οι μόνες μεταβολές που παρατηρούνται είναι η μεγάλη αύξηση του όγκου και η σταθερή πτώση της στάθμης του υγρού. Στο ενδιάμεσο περίπου της διεργασίας εξάτμισης (κατάσταση 3), ο κύλινδρος περιέχει ίσες ποσότητες υγρού και ατμού. Με την προσθήκη επιπλέον θερμότητας, η εξάτμιση θα συνεχιστεί μέχρι να εξατμιστεί και η τελευταία σταγόνα του υγρού (κατάσταση 4). Στο σημείο αυτό ολόκληρος ο κύλινδρος είναι γεμάτος με ατμό και βρίσκεται στο όριο να υγροποιηθεί. Οποιαδήποτε επιπλέον απώλεια θερμότητας από τον ατμό αυτό θα προκαλέσει συμπύκνωση μέρους του ατμού (αλλαγή φάσης από ατμό σε υγρό). Ο ατμός που είναι έτοιμος να υγροποιηθεί ονομάζεται κορεσμένος ατμός. Μια ουσία μεταξύ των καταστάσεων 2 και 4 αναφέρεται ως μίγμα κορεσμένου υγρού ατμού, γιατί στις καταστάσεις αυτές η υγρή και η αέρια φάση συνυπάρχουν σε ισορροπία. Όταν ολοκληρωθεί η διεργασία αλλαγής φάσης, το σύστημα θα βρεθεί στη φάση του ατμού και οποιαδήποτε νέα προσθήκη θερμότητας, θα προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας και του ειδικού όγκου. 3

4 Σχήμα 12: Καθώς μεταφέρεται περισσότερη θερμότητα (κατάσταση 3), ένα μέρος του κορεσμένου υγρού εξατμίζεται (μίγμα κορεσμένου υγρού και ατμού). Σε πίεση 1 atm, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή στους 100 ο C (κατάσταση 4) μέχρι να εξατμιστεί και η τελευταία σταγόνα υγρού (κορεσμένος ατμός). Στην κατάσταση 5 η θερμοκρασία του ατμού είναι για παράδειγμα 300 ο C. Εάν ένα ποσό θερμότητας απομακρυνθεί από τον ατμό, τότε η θερμοκρασία του θα ελαττωθεί αλλά δεν θα λάβει χώρα συμπύκνωση, εφόσον η θερμοκρασία παραμένει πάνω από τους 100 ο C (για πίεση 1 atm). O ατμός που δεν είναι έτοιμος να συμπυκνωθεί (ο ατμός που δεν είναι κορεσμένος) ονομάζεται υπέρθερμος ατμός. Σχήμα 13: (α)καθώς μεταφέρεται περισσότερη θερμότητα προς τον ατμό, η θερμοκρασία του αρχίζει να αυξάνεται (υπέρθερμος ατμός). (β) Διάγραμμα T υ για τη διεργασία προσθήκης θερμότητας στο νερό σε σταθερή πίεση. 4

5 Αν η παραπάνω διαδικασία επαναληφθεί αντίστροφα, ψύχοντας το νερό ενώ η πίεση διατηρείται παράλληλα σταθερή, τότε το νερό θα επιστρέψει στην κατάσταση 1 ακολουθώντας την ίδια διαδρομή. Κατά την αντίστροφη πορεία, το ποσό θερμότητας που εκλύεται είναι ακριβώς ίσο με το ποσό θερμότητας που προσδόθηκε στο νερό κατά τη διεργασία της θέρμανσης Θερμοκρασία Κορεσμού και Πίεση Κορεσμού. Η θερμοκρασία στην οποία το νερό αρχίζει να βράζει εξαρτάται από την πίεση, γεγονός που σημαίνει ότι εάν η πίεση παραμείνει σταθερή, το ίδιο θα συμβεί και με τη θερμοκρασία βρασμού. Σε μια δεδομένη πίεση, η θερμοκρασία στην οποία μια καθαρή ουσία αρχίζει να βράζει ονομάζεται θερμοκρασία κορεσμού T sat. Όμοια, σε μια δεδομένη θερμοκρασία, η πίεση στην οποία μια καθαρή ουσία αρχίζει να βράζει ονομάζεται πίεση κορεσμού P sat. Για όλες τις ουσίες υπάρχουν πίνακες κορεσμού, που περιέχουν τις τιμές της πίεσης κορεσμού σε διάφορες θερμοκρασίες (ή της θερμοκρασίας κορεσμού σε διάφορες πιέσεις). ΠΙΝΑΚΑΣ 2-1_Πίεση κορεσμού (βρασμού) του νερού σε διάφορες θερμοκρασίες. Σύμφωνα με τον παραπάνω πίνακα, η πίεση του νερού που αλλάζει φάση (βράζει ή συμπυκνώνεται) στους 25 ο C θα πρέπει να είναι 3.17 kpa, ενώ για να βράσει το νερό στους 250 ο C 5

6 η πίεση θα πρέπει να διατηρείται στα 3973 kpa (περίπου 40 atm). Ακόμα το νερό μπορεί να παγώσει αν η πίεσή του γίνει μικρότερη από 0.61 kpa. Για να λιώσει ένα στερεό ή για να εξατμιστεί ένα υγρό χρειάζεται μεγάλο ποσό ενέργειας. To ποσό της ενέργειας, που απορροφάται ή απελευθερώνεται, κατά τη διάρκεια της μετάβασης μιας ουσίας από τη μία φάση στην άλλη, ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα. Ειδικότερα το ποσό της ενέργειας που απορροφάται κατά την τήξη ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης και είναι ισοδύναμο με το ποσό της ενέργειας που αποβάλλεται κατά την πήξη. Το ποσό της ενέργειας που απορροφάται κατά την εξάτμιση ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης και είναι ισοδύναμο με το ποσό της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την συμπύκνωση. Το μέγεθος της λανθάνουσας θερμότητας εξαρτάται από τη θερμοκρασία ή την πίεση στην οποία λαμβάνει χώρα η αλλαγή φάσης. Όταν πραγματοποιείται αλλαγή φάσης, η θερμοκρασία και η πίεση είναι εξαρτημένες μεταβλητές και συνδέονται (T sat = f(p sat )). H σχέση αυτή περιγράφεται από την καμπύλη κορεσμού αερίου υγρού. Οι καμπύλες αυτού του είδους είναι χαρακτηριστικές για κάθε καθαρή ουσία. Σχήμα 14: Καμπύλη κορεσμού αερίου υγρού για καθαρή ουσία (οι τιμές αναφέρονται στο νερό). 6

7 2.2.4 Συνέπειες της εξάρτησης από τη Θερμοκρασία Κορεσμού (Tsat )και Πίεση Κορεσμού (Psat.). Σύμφωνα με τα παραπάνω σε μια συγκεκριμένη πίεση μια ουσία θα βράσει στη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεση αυτή. Για την καλύτερη αντίληψη των φαινομένων θεωρείται ένα σφραγισμένο κουτί που περιέχει ψυκτικό υγρό R134 α σε ένα δωμάτιο θερμοκρασίας 25 ο C. Αν το κουτί βρίσκεται αρκετή ώρα στο δωμάτιο η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσα στο κουτί θα είναι επίσης 25 ο C. Αν ανοίξουμε το καπάκι αργά και αφήσουμε να διαφύγει μια ποσότητα ψυκτικού, η πίεση μέσα στο κουτί θα αρχίσει να μειώνεται μέχρι να γίνει ίση με την ατμοσφαιρική. Αν κάποιος κρατάει το κουτί θα παρατηρήσει ότι η θερμοκρασία του μειώνεται γρήγορα και ότι σχηματίζεται πάγος στο εξωτερικό του (αν ο αέρας περιέχει υγρασία). Αν εισαχθεί ένα θερμόμετρο στο κουτί, θα δείξει την τιμή - 26 ο C σε πίεση μιας ατμόσφαιρας, που είναι η θερμοκρασία κορεσμού του ψυκτικού R134 α στη συγκεκριμένη πίεση. Η θερμοκρασία του υγρού ψυκτικού θα παραμείνει στους - 26 ο C μέχρι να εξατμιστεί και η τελευταία σταγόνα του. Πρέπει να σημειωθεί ότι το υγρό δεν μπορεί να εξατμιστεί παρά μόνο αν απορροφήσει ενέργεια ίση με την λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης, που στην περίπτωση του ψυκτικού R134 α είναι ίση με 217 KJ/Kg σε πίεση 1 atm. Άρα ο ρυθμός εξάτμισης του ψυκτικού εξαρτάται από το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας στο κουτί, δηλαδή όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός εξάτμισης. Οι ρυθμοί αυτοί μπορούν να ελαχιστοποιηθούν μονώνοντας κατάλληλα το κουτί. Στην οριακή περίπτωση μηδενικής μεταφοράς θερμότητας το ψυκτικό θα παραμείνει στο κουτί σε υγρή κατάσταση και σε θερμοκρασία - 26 ο C. 2.3 ΔΙAΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ. Στη διεργασία εμβόλου κυλίνδρου προσθέτουμε βάρος στο έμβολο μέχρι η πίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου να γίνει 1 MPa. Στην πίεση αυτή, το νερό θα έχει ειδικό όγκο λίγο μικρότερο από αυτόν που είχε σε πίεση 1 atm. Στη νέα αυτή πίεση, καθώς μεταφέρεται θερμότητα προς το νερό, η όλη διεργασία θα ακολουθήσει μια διαδρομή ανάλογη με την πρώτη όπως φαίνεται και στο Σχήμα 15 αλλά με ορισμένες αξιοσημείωτες διαφορές. 7

8 Το νερό θα αρχίσει να βράζει σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία (179.9 ο C). Ο ειδικός όγκος του κορεσμένου υγρού θα είναι μεγαλύτερος και ο ειδικός όγκος του κορεσμένου ατμού μικρότερος από τις αντίστοιχες τιμές στην πίεση 1 atm. Αυτό σημαίνει ότι η οριζόντια γραμμή που ενώνει τις καμπύλες του κορεσμένου υγρού και του κορεσμένου ατμού θα είναι μικρότερη. Καθώς η πίεση συνεχίζει να αυξάνει, η γραμμή κορεσμού γίνεται όλο και μικρότερη, όπως φαίνεται και στο σχήμα παρακάτω και καταλήγει να γίνει ένα σημείο, συγκεκριμένα για το νερό σε P = MPa. To σημείο αυτό λέγεται κρίσιμο σημείο και ορίζεται ως το σημείο εκείνο στο οποίο, οι καταστάσεις του κορεσμένου υγρού και του κορεσμένου ατμού, γίνονται ίδιες μεταξύ τους. Σχήμα 15_Διάγραμμα T υ για ισοβαρείς διεργασίες αλλαγής φάσης μιας καθαρής ουσίας, σε διάφορες πιέσεις (οι αριθμητικές τιμές αναφέρονται στο νερό). 8

9 Σε πιέσεις μεγαλύτερης της κρίσιμης πίεσης δεν υπάρχει διακριτή διαδικασία αλλαγής φάσης. Στις πιέσεις αυτές, ο ειδικός όγκος της ουσίας αυξάνεται συνεχώς και σε κάθε χρονική στιγμή είναι παρούσα μόνο μια φάση της ουσίας. Η τελική φάση θα είναι ατμός αλλά δεν είναι διακριτό το πότε συνέβη η αλλαγή. Πάνω από την κρίσιμη κατάσταση δεν υπάρχει γραμμή που να ξεχωρίζει τη φάση του συμπιεσμένου υγρού από τη φάση του υπέρθερμου ατμού. Μια ουσία όμως συνηθίζεται να λέγεται υπέρθερμος ατμός σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες της κρίσιμης θερμοκρασίας και συμπιεσμένο υγρό σε θερμοκρασίες χαμηλότερες της κρίσιμης θερμοκρασίας. Στο Σχήμα 15 οι καταστάσεις κορεσμένου υγρού στις διάφορες πιέσεις μπορούν να ενωθούν με μια γραμμή που λέγεται καμπύλη κορεσμένου υγρού. Ανάλογα οι καταστάσεις κορεσμένου ατμού μπορούν να συνδεθούν με την καμπύλη κορεσμένου ατμού. Οι δύο αυτές καμπύλες συναντώνται στο κρίσιμο σημείο σχηματίζοντας ένα θόλο, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 16. Όλες οι καταστάσεις συμπιεσμένου υγρού βρίσκονται αριστερά της καμπύλης κορεσμένου υγρού και η περιοχή αυτή ονομάζεται περιοχή συμπιεσμένου υγρού. Σχήμα 16_Διάγραμμα T υ για μια καθαρή ουσία. υ 9

10 Όλες οι καταστάσεις υπέρθερμου ατμού βρίσκονται στην περιοχή δεξιά της καμπύλης κορεσμένου ατμού και η περιοχή αυτή λέγεται περιοχή υπέρθερμου ατμού. Στις δύο παραπάνω περιοχές η ουσία υφίσταται σε μία μόνο φάση υγρού ή ατμού. Όλες εκείνες οι καταστάσεις που περιέχουν δύο φάσεις σε ισορροπία βρίσκονται στο εσωτερικό του θόλου, που λέγεται περιοχή μίγματος κορεσμένου υγρού και ατμού. H γενική μορφή των διαγραμμάτων P υ είναι σχεδόν ίδια με αυτή των διαγραμμάτων Τ υ, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 18, με τη διαφορά ότι οι καμπύλες σταθερής θερμοκρασίας έχουν φορά προς τα κάτω. Θεωρούμε πάλι τη διάταξη εμβόλου κυλίνδρου, η οποία περιέχει νερό σε υγρή κατάσταση σε πίεση 1 MPa και σε θερμοκρασία 25 ο C. Στις συνθήκες αυτές το νερό βρίσκεται σε συνθήκες συμπιεσμένου υγρού. Σχήμα 17_Σε μια διάταξη εμβόλου κυλίνδρου η πίεση μπορεί να ελαττωθεί με την αφαίρεση βάρους από το έμβολο. Στη συνέχεια αφαιρούνται τα βάρη πάνω από το έμβολο, ώστε η πίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου να ελαττωθεί βαθμιαία. Το νερό μπορεί να εναλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον και έτσι η θερμοκρασία του να παραμένει σταθερή. Καθώς η πίεση ελαττώνεται, ο όγκος του υγρού θα αυξηθεί ελαφρά. Όταν η πίεση φτάσει στην τιμή κορεσμού για τη συγκεκριμένη θερμοκρασία ( ΜPa), το υγρό θα αρχίσει να βράζει. Κατά τη διάρκεια της εξάτμισης, η θερμοκρασία και η πίεση θα παραμένουν σταθερές, ο ειδικός όγκος όμως θα αυξηθεί. Από τη 10

11 στιγμή που θα εξατμιστεί και η τελευταία σταγόνα του υγρού, κάθε επιπλέον ελάττωση της πίεσης θα έχει σαν αποτέλεσμα την περαιτέρω αύξηση του ειδικού όγκου. Πρέπει να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια της αλλαγής φάσης δεν αφαιρέθηκε κανένα βάρος από το έμβολο. Αν κάτι τέτοιο συνέβαινε, θα προκαλούσε πτώση της πίεσης και κατά συνέπεια και της θερμοκρασίας [αφού Tsat = f(psat)] και η διαδικασία δεν θα ήταν πλέον ισόθερμη. Εάν η διαδικασία επαναληφθεί και σε άλλες θερμοκρασίες, οι διαδικασίες αλλαγής φάσης που θα ακολουθήσουν παρόμοιες διαδρομές. Ενώνοντας τα σημεία που αντιστοιχούν,στις καταστάσεις κορεσμένου υγρού και κορεσμένου ατμού με μια καμπύλη, κατασκευάζεται έτσι το διάγραμμα P υ μιας καθαρής ουσίας όπως φαίνεται και στο Σχήμα 18. Σχήμα 18_Διάγραμμα P υ για μια καθαρή ουσία. 11

12 2.4 ΠΙΕΣΗ ΑΤΜΩΝ ΚΑΙ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΦΑΣΕΩΝ Η πίεση που αναπτύσσεται στο εσωτερικό ενός δοχείου που περιέχει κάποιο αέριο οφείλεται στις συγκρούσεις των μεμονωμένων μορίων με τα τοιχώματα του δοχείου. Αποτέλεσμα αυτών των συγκρούσεων είναι η άσκηση μιας δύναμης στα τοιχώματα ανάλογη της μέσης ταχύτητας των μορίων ανά μονάδα όγκου του δοχείου (δηλ. με τη γραμμομοριακή πυκνότητα). Επομένως, η πίεση που ασκεί ένα αέριο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την πυκνότητα και τη θερμοκρασία του αερίου. Η πίεση ενός αερίου μίγματος, είναι το άθροισμα των πιέσεων που ασκούν τα μεμονωμένα αέρια συστατικά του. Οι πιέσεις αυτές ονομάζονται μερικές πιέσεις. Ο ατμοσφαιρικός αέρας μπορεί να θεωρηθεί μίγμα ξηρού αέρα (αέρα με μηδενικό περιεχόμενο υγρασίας) και ατμών νερού (οι οποίοι αναφέρονται και ως υγρασία). Στην περίπτωση αυτή η ατμοσφαιρική πίεση είναι το άθροισμα της πίεσης του ξηρού αέρα P α και της πίεσης των ατμών του νερού, η οποία ονομάζεται πίεση των ατμών P ν ή τάση ατμών. Ισχύει δηλαδή: P atm = P α + P ν (1) To ποσό των ατμών στον αέρα, παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές διεργασίες, όπως στην ξήρανση και στον κλιματισμό ενός χώρου. Ο αέρας μπορεί να συγκρατήσει μόνο ένα συγκεκριμένο ποσό υγρασίας και ο λόγος του ποσού αυτού σε μια δεδομένη θερμοκρασία προς το μέγιστο δυνατό ποσό υγρασίας που μπορεί να περιέχει ο αέρας στη θερμοκρασία αυτή ονομάζεται σχετική υγρασία φ. Οι τιμές της σχετικής υγρασίας κυμαίνονται από 0 (ξηρός αέρας) έως 100 (κορεσμένος αέρας, δηλαδή αέρας που δεν μπορεί να συγκρατήσει περισσότερη υγρασία). Η πίεση των ατμών του κορεσμένου αέρα σε μια δεδομένη θερμοκρασία είναι ίση με την πίεση κορεσμού του νερού στη θερμοκρασία αυτή. Για παράδειγμα η πίεση των ατμών του κορεσμένου αέρα στους 25 0 C είναι 3.17 kpa. To ποσό της υγρασίας στον αέρα καθορίζεται πλήρως, από τη θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία. Η πίεση των ατμών συνδέεται με τη σχετική υγρασία με τη σχέση: P ν = P sat,t (2) όπου P sat,t η πίεση κορεσμού του νερού στη συγκεκριμένη θερμοκρασία. 12

13 Για παράδειγμα η πίεση των ατμών του αέρα στους 25 0 C και σε σχετική υγρασία 60% είναι : P ν = P = 0.6 x (3.17 kpa) = 1.9 kpa. (3) 0 sat 25 C Οι επιθυμητές τιμές σχετικής υγρασίας για να υπάρχει ένα θερμικά άνετο περιβάλλον κυμαίνονται σε 40% - 60%. Αξίζει να σημειωθεί ότι το ποσό της υγρασίας που μπορεί να κατακρατήσει ο αέρας είναι ανάλογο της πίεσης κορεσμού που αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Άρα ο αέρας μπορεί να κατακρατήσει περισσότερη υγρασία σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η μείωση της θερμοκρασίας του υγρού αέρα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της χωρητικότητάς του σε υγρασία και μπορεί να οδηγήσει στη συμπύκνωση μέρους της υγρασίας με τη μορφή αιωρούμενων σταγονιδίων νερού (ομίχλη) ή με τη μορφή υγρού στρώματος πάνω σε κρύες επιφάνειες (δροσιά). Η ομίχλη και η δροσιά εμφανίζονται συχνά σε τοποθεσίες με υψηλή υγρασία, ιδιαίτερα τις πρώτες πρωινές ώρες, όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη. Εξαφανίζονται (εξατμίζονται) μετά την ανατολή του ήλιου, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα. Γενικά όποτε υπάρχει μια ανισορροπία μιας ποσότητας σε ένα μέσο, η φύση τείνει να την ανακατανέμει μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία ή ισότητα. Η τάση αυτή συχνά χαρακτηρίζεται ως κινητήρια ή ωθούσα δύναμη. Πρόκειται για το μηχανισμό που ευθύνεται για πολλά φυσικά φαινόμενα μεταφοράς, όπως η μεταφορά θερμότητας, μάζας, ενέργειας, Αν η ποσότητα που μεταφέρεται ανά μονάδα όγκου οριστεί ως συγκέντρωση, η ροή της ποσότητας αυτής έχει πάντα την κατεύθυνση εκείνη προς την οποία μειώνεται η συγκέντρωση, δηλαδή η ροή κατευθύνεται από την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης προς την περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης. Η ροή αυτή είναι μια διεργασία διάχυσης. Η ύπαρξη μιας κινητήριας δύναμης ανάμεσα στις δύο φάσεις μιας ουσίας προκαλεί τη μετάβαση της μάζας από τη μία φάση στην άλλη. Το μέγεθος αυτής της δύναμης εξαρτάται από τις σχετικές συγκεντρώσεις των δύο φάσεων. Μια βρεγμένη μπλούζα θα στεγνώσει πολύ πιο γρήγορα σε ξηρό αέρα παρά σε υγρό. Αν η σχετική υγρασία του περιβάλλοντος είναι 100% (δηλαδή ο αέρας είναι κορεσμένος με υδρατμούς) δεν πρόκειται να στεγνώσει καθόλου. Στην περίπτωση αυτή δεν θα υπάρξει μετάβαση από την υγρή φάση στη φάση των ατμών, αλλά το σύστημα θα βρίσκεται σε ισορροπία φάσεων. Στην περίπτωση του υγρού νερού που είναι ανοικτό στην ατμόσφαιρα, το κριτήριο της ισορροπίας φάσεων διατυπώνεται ως εξής: 13

14 H πίεση των ατμών στον αέρα θα πρέπει να είναι ίση με την πίεση κορεσμού του νερού, στη θερμοκρασία του νερού. Ή αλλιώς: To κριτήριο ισορροπίας φάσεων για νερό που εκτίθεται στον αέρα: P ν = P sat,water, T Eπομένως, εάν η πίεση των ατμών στον αέρα είναι μικρότερη από την πίεση κορεσμού του νερού στη θερμοκρασία του νερού, τότε μέρος του υγρού θα εξατμιστεί. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ανάμεσα στην πίεση των ατμών και στην πίεση κορεσμού τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός εξάτμισης. Η εξάτμιση θα έχει ψυκτική επίδραση στο νερό και θα μειώσει τη θερμοκρασία του. Κατά συνέπεια θα μειωθεί η πίεση κορεσμού του νερού και άρα ο ρυθμός εξάτμισης, μέχρι να επιτευχθεί κάποια σταθερή κατάσταση. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι το νερό βρίσκεται συνήθως σε αρκετά χαμηλότερη θερμοκρασία από τον αέρα, ιδιαίτερα σε ξηρά κλίματα. Για τον ίδιο λόγο μπορεί να αυξηθεί ο ρυθμός εξάτμισης του νερού αυξάνοντας τη θερμοκρασία του νερού και άρα την πίεση κορεσμού του νερού. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο αέρας που βρίσκεται στην επιφάνεια του νερού θα είναι πάντα κορεσμένος, εξαιτίας της άμεσης επαφής του με το νερό και της πίεσης των ατμών. Έτσι η πίεση των ατμών στην επιφάνεια μιας λίμνης θα είναι η πίεση κορεσμού του νερού στην επιφάνεια. Αν ο αέρας δεν είναι κορεσμένος, η πίεση των ατμών θα μειωθεί και θα γίνει ίση με την πίεση στον αέρα σε κάποια απόσταση από την επιφάνεια του νερού. Η διαφορά ανάμεσα στις δύο αυτές πιέσεις ατμών θα είναι η κινητήρια δύναμη της εξάτμισης του νερού Παράδειγμα: Πτώση Πίεσης της Θερμοκρασίας μιας λίμνης λόγω εξάτμισης. Μια καλοκαιρινή μέρα η θερμοκρασία του αέρα πάνω από μια λίμνη είναι 25 0 C. Να υπολογιστεί η θερμοκρασία του νερού της λίμνης όταν επιτευχθεί ισορροπία φάσεων ανάμεσα στο νερό της λίμνης και τους ατμούς στον αέρα, αν η σχετική υγρασία στον αέρα είναι 10%, 80% και 100%. 14

15 Λύση: Η πίεση κορεσμού του νερού στους 25 0 C είναι 3.17 kpa. (Πίνακας 2-1). Οι πιέσεις των ατμών με δεδομένη τη σχετική υγρασία υπολογίζονται από τη σχέση (2) ως εξής: Σχετική υγρασία = 10% P ν1 = 1 P 0 = 0.1 x (3.17 kpa) = kpa. (4) sat 25 C Σχετική υγρασία = 80% P ν2 = 2 P 0 = 0.8 x (3.17 kpa) = kpa. (5) sat 25 C Σχετική υγρασία = 100% P ν3 = 3 P 0 = 1.0 x (3.17 kpa) = 3.17 kpa. (6) sat 25 C Οι θερμοκρασίες κορεσμού που αντιστοιχούν σε αυτές τις πιέσεις προσδιορίζονται με βάση τον πίνακα 2-1 με παρεμβολή. Τ 1 = -8 0 C, Τ 2 = C, Τ 3 = 25 0 C (7) Άρα, στην πρώτη περίπτωση το νερό θα παγώσει, παρά το γεγονός ότι ο αέρας του περιβάλλοντος είναι θερμός. Η θερμοκρασία του νερού θα πέσει στους -8 0 C στην οριακή περίπτωση της μηδενικής μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια του νερού. Πρακτικά η θερμοκρασία του νερού θα μειωθεί και θα γίνει μικρότερη από τη θερμοκρασία του αέρα, χωρίς όμως να κατέβει κάτω από τους -8 0 C για δύο λόγους: (1) είναι απίθανο να είναι τόσο ξηρός ο αέρας στην επιφάνεια της λίμνης (σχετική υγρασία μόλις 10%), (2) καθώς μειώνεται η θερμοκρασία του νερού κοντά στην επιφάνειά του, η μεταφορά θερμότητας από τον αέρα και τα κατώτερα στρώματα του όγκου του νερού θα τείνει να αναπληρώσει αυτή την απώλεια θερμότητας και να εμποδίσει την υπερβολική μείωση της θερμοκρασίας του νερού. Η θερμοκρασία του νερού θα σταθεροποιηθεί όταν η θερμότητα, που προσδίδουν ο αέρας και ο όγκος του νερού, εξισωθεί με τη θερμότητα που χάνεται λόγω εξάτμισης, δηλαδή όταν επιτευχθεί μια δυναμική ισορροπία ανάμεσα στη μεταφορά θερμότητας και μάζας (αντί για ισορροπία φάσεων). Στην τρίτη περίπτωση το νερό θα έχει την ίδια θερμοκρασία με τον αέρα του περιβάλλοντος. Οι όροι βρασμός και εξάτμιση χρησιμοποιούνται συχνά για να δηλώσουν τη μετάβαση από την υγρή φάση στη φάση των ατμών. Αν και αναφέρονται στην ίδια φυσική διεργασία, διαφέρουν σε κάποια σημεία. 15

16 Η εξάτμιση λαμβάνει χώρα στη διεπιφάνεια υγρού ατμών όταν η πίεση των ατμών είναι μικρότερη από την πίεση κορεσμού του υγρού σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Για παράδειγμα το νερό μιας λίμνης θερμοκρασίας 20 0 C θα εξατμιστεί στον αέρα στους 20 0 C και σε σχετική υγρασία 60%, αφού η πίεση κορεσμού του νερού στη θερμοκρασία αυτή είναι 2.34 kpa και η πίεση των ατμών του αέρα στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας είναι 1.4 kpa. Πρέπει να σημειωθεί ότι κατά την εξάτμιση δεν σχηματίζονται ούτε μετακινούνται φυσαλίδες. O βρασμός λαμβάνει χώρα στη διεπιφάνεια στερεού υγρού, όταν το υγρό φέρεται σε επαφή με μια επιφάνεια που διατηρείται σε θερμοκρασία Τ S η οποία είναι αρκετά μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία κορεσμού του υγρού Τ Sat. Για παράδειγμα σε πίεση 1 atm το υγρό νερό που βρίσκεται σε επαφή με μια στερεή επιφάνεια στους C θα βράσει, αφού η θερμοκρασία κορεσμού του νερού στην πίεση αυτή είναι C. Η διεργασία του βρασμού χαρακτηρίζεται από τη γρήγορη κίνηση φυσαλίδων του ατμού, οι οποίες σχηματίζονται στη διεπιφάνεια στερεού υγρού, στη συνέχεια αποσπώνται από την επιφάνεια και επιχειρούν να ανέβουν στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού. 2.5 ΕΝΘΑΛΠΙΑ Κατά την ανάλυση ορισμένων διεργασιών, ειδικά των διεργασιών παραγωγής ενέργειας και των διεργασιών ψύξης, συναντάται ο συνδυασμός των ιδιοτήτων U + PV. Ο συνδυασμός αυτός ορίζεται ως μια νέα ιδιότητα που λέγεται ενθαλπία. Δηλαδή Η = U + PV (kj) (8) ή ανά μονάδα μάζας h = u + Pυ (kj /kg ) (9) Η εκτεταμένη χρήση της ενθαλπίας ως θερμοδυναμική ιδιότητα οφείλεται στον Richard Mollier ο οποίος ανακάλυψε τη σημασία της ποσότητας u + Pυ στους στροβίλους υδρατμών και στην καταχώρηση των ιδιοτήτων του ατμού σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων (όπως το περίφημο διάγραμμα Mollier). 16

17 Βιβλιογραφία. 1. Cengel, Boles Θερμοδυναμική για Μηχανικούς Τόμος Β Εκδόσεις Α.Τζιόλα Θεσσαλονίκη Κουρεμένος Α. Δημήτριος Ψυκτικές Μηχανές και Εγκαταστάσεις Ίδρυμα Ευγενίδου Αθήνα Περράκης Κ.Κ Εργαστηριακές Ασκήσεις Τεχνικής Θερμοδυναμικής, Εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Πατρών