Vapor

Água fervente, bolhas de vapor e vapor de água parcialmente condensado

Vapor de água (aqui parcialmente visível como plumas de vapor)

Na linguagem coloquial, o vapor de água é geralmente entendido como as plumas de vapor visíveis de vapor de água condensado (vapor úmido ). Nuvens de vapor são visíveis, porque as gotículas microscópicas ter formado, bem como as nuvens e nevoeiro que, devido ao espalhamento Mie luz solar de dispersão , fazendo com que o efeito de Tyndall ocorre e as gotículas realmente incolores são visíveis.

Em tecnologia e ciência, vapor é o nome da água no estado de agregado gasoso . Isso é invisível como o ar, mas não é conhecido como gás de água , pois esse termo tem um significado diferente.

Os gases de combustão contendo vapor de água condensam-se em plumas brancas de gás de combustão, de modo que o "vapor" escapa da chaminé. Os gases de exaustão pretos ou cinza contendo fuligem, por outro lado, são chamados de fumaça .

Origem e estados

Em uma pressão ambiente normal de 1,013 bar (101,325  kPa ) de água entra em ebulição a 100 ° C . Se energia (calor) for adicionada à água restante, ela evapora sem causar nenhum aumento de temperatura. 1  litro (correspondendo a 1  kg ) de água produz 1673 litros de vapor de água (em condições normais), para os quais é necessário um fornecimento de energia de 2257  kJ .

A energia fornecida aumenta a energia interna do vapor em 2.088 kJ e faz um trabalho de mudança de volume W em comparação com a pressão ambiente .

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} W = p \ cdot \ Delta V & = 101 {,} 325 \, \ mathrm {kPa} \ cdot 1 {,} 672 \, \ mathrm {m} ^ {3} \ \ & = {169 {,} 41 \, \ mathrm {kNm}} = {169 {,} 41 \, \ mathrm {kJ}} \ end {alinhado}}}$

As duas contribuições somadas fornecem a entalpia de evaporação H, que pode ser lida como uma variável específica em um diagrama de entalpia-entropia (diagrama hs) na forma de uma diferença no eixo y. Aquele mostrado aqui, o diagrama Ts para a evaporação necessária (a 100 ° C) de calor está na forma de uma superfície azul pontilhada.

O aumento da entropia de evaporação (Delta S) também pode ser determinado: ${\ displaystyle \ Delta S}$

• ${\ displaystyle Q_ {H}}$ = Calor de evaporação ou entalpia de evaporação
• ${\ displaystyle T}$= Temperatura de ebulição em K

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} \ Delta S & = {\ frac {Q_ {H}} {T}} \\ & = {\ frac {2257 \, \ mathrm {kJ}} {373 {,} 15 \, \ mathrm {K}}} = 6 {,} 0485 \; \ mathrm {\ frac {kJ} {K}} \ end {alinhado}}}$

Como pode ser visto no diagrama de fases , a água ferve a uma pressão de ar de 0,4  bar a cerca de 75 ° C (por exemplo, no Monte Everest ). O calor de evaporação a ser gasto é correspondentemente maior, assim como o aumento no volume do vapor. Com o aumento da pressão, o calor de evaporação da água diminui até chegar a zero no ponto crítico . As áreas resultantes no diagrama Ts estão se tornando menores.

Manifestações

Curva de ponto de ebulição da água

A pressão de vapor da água depende da temperatura. Em temperaturas abaixo do ponto de ebulição, fala-se de evaporação . No ar ambiente saturado , um equilíbrio é estabelecido entre a evaporação da água e a condensação do vapor de água. As condições de transição entre a água líquida e o vapor d'água são mostradas na curva do ponto de ebulição do diagrama de estado.

Vapor úmido

Quando o vapor flui para um ambiente mais frio, partes da água gasosa se condensam em gotículas muito finas. Essa mistura é chamada de vapor úmido, que pode ser observado, por exemplo, ao ferver a água. No diagrama Ts, a faixa de vapor úmido se estende até o ponto crítico em 374 ° C e 221,2 bar .

O conteúdo de vapor puro do vapor úmido é caracterizado pela fração de massa x , que pode ser calculada usando a seguinte fórmula

${\ displaystyle x = {\ frac {m _ {\ text {vapor}}} {m _ {\ text {líquido}} + m _ {\ text {vapor}}}}}$

Esta definição limita o conteúdo de vapor entre 0 ≤ x ≤ 1.

Definições equivalentes podem ser derivadas da equação do gás ideal , que não limitam o alcance do conteúdo de vapor:

${\ displaystyle x = {\ frac {v-v '} {v' '- v'}} = {\ frac {h-h '} {h' '- h'}} = {\ frac {s-s '} {s' ' - s '}}}$

Isso denota o volume específico , a entalpia e a entropia . ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle \, s}$

O estado do líquido saturado é indicado por , o do vapor saturado por . ${\ displaystyle '}$${\ displaystyle ''}$

Vapor superaquecido

Vapor superaquecido

O vapor superaquecido é o vapor com uma temperatura acima do ponto de ebulição . O vapor é "seco" e não contém gotas. O conteúdo de vapor está de acordo com a fórmula acima . Nas caldeiras a vapor , o vapor gerado é levado a este estado por meio do superaquecedor. ${\ displaystyle x = 1}$

Vapor supercrítico

Se a temperatura e a pressão da água em um vaso de pressão adequado aumentam muito, então em algum ponto o chamado ponto crítico será excedido e um estado “supercrítico” será alcançado. No estado supercrítico, a distinção entre vapor d'água e água líquida não tem sentido, porque eles não podem ser distinguidos um do outro em termos de densidade ou outras propriedades. Não há mais nenhum limite de fase . Abaixo do ponto crítico, o vapor d'água é consequentemente “subcrítico” e pode estar em equilíbrio com a água líquida. Se a água líquida evaporar completamente nesta área e a temperatura aumentar ainda mais, é criado "vapor superaquecido". Essa forma de vapor não contém mais gotículas de água e seu comportamento físico também é um gás.

A água supercrítica tem propriedades particularmente agressivas. Portanto, foram feitas tentativas para quebrar hidroliticamente os poluentes orgânicos, como dioxinas e PCBs, que são difíceis de biodegradar .

A transição para o estado supercrítico requer um projeto especial para a caldeira a vapor . Por causa da pequena diferença de densidade entre a água e o vapor, não há flutuabilidade e, portanto, nenhuma circulação natural estável . As caldeiras que funcionam acima ou perto do ponto crítico são, portanto, sempre caldeiras de fluxo forçado . Uma vez que a separação das fases de vapor e água não é mais necessária ou possível com caldeiras supercríticas, o tambor é omitido e o projeto é uma caldeira de passagem única , geralmente do tipo Benson .

Vapor saturado ou vapor saturado seco

A área de fronteira entre o vapor úmido e superaquecido é chamada de “vapor saturado”, também vapor saturado ou vapor saturado seco, ocasionalmente também “vapor seco” para distingui-lo do vapor úmido. A maioria dos valores da tabela para estados de vapor de água é baseada nisso.

O vapor seco é produzido a uma temperatura de 170 graus. A qualidade do vapor depende da temperatura e do aumento da pressão. O vapor seco é isento de minerais e, portanto, limpa sem manchas.

Curvas limite

No diagrama Ts, as duas curvas limite x = 0 e x = 1 , que se encontram no ponto crítico , são de particular importância .

• A curva x = 0 , também linha de ebulição ou linha limite inferior, delimita a área do líquido do vapor úmido, enquanto
• a curva x = 1 , também linha de orvalho, curva de vapor saturado ou linha limite superior, separa o vapor úmido do vapor superaquecido e ao mesmo tempo marca o estado do vapor saturado.

A notação com x para a fração de massa não é uniformemente definida aqui, uma vez que a fração de massa é especificada com w , especialmente em química , e x aqui representa principalmente a fração molar . Ambas as variáveis ​​podem ser convertidas uma na outra e são iguais nos valores limite 0 e 1.

Vapor de água condensado no ar

Aparência

O vapor de água gasoso ou superaquecido é incolor e realmente invisível, como a maioria dos gases. O vapor úmido, por outro lado, é visível através das gotas de água arrastadas. No caso de contato com ar ambiente suficientemente frio, o ponto de orvalho é atingido e, conseqüentemente, mais gotículas de água condensam . A existência do vapor d'água no ar torna-se visível através da luz espalhada nas gotículas .

O vapor de água também pode surgir diretamente da fase sólida da água: o gelo ou a neve são "lambidos pelo sol". Este fenômeno é particularmente observado no ar seco em altas montanhas, quando encostas cobertas de neve se tornam livres de neve ao longo do tempo em temperaturas bem abaixo de 0 ° C. O gelo, isto é, a água sólida, sublima em vapor de água. A umidade aumenta devido à evaporação da neve, e áreas antes cobertas de neve aparecem , um fenômeno, por exemplo, no Himalaia . Pelas mesmas razões, a roupa pendurada do lado de fora também seca em temperaturas abaixo de zero assim que a umidade relativa estiver baixa o suficiente.

O vapor de água que é invisível no ar condensa-se em condições especiais (devido a núcleos de cristalização) e torna-se visível, por exemplo, quando uma aeronave voa perto do solo em alta velocidade. Este efeito, que é claramente visível na imagem , muitas vezes é incorreto referido como "a barreira do som ", mas este efeito não é Super- som ou efeito subsônico. Devido à alta velocidade de fluxo do ar, por razões de mecânica dos fluidos, por exemplo, altas flutuações de pressão, a temperatura do ar que entra pode cair drasticamente e, portanto, abaixo do ponto de orvalho, o que leva à condensação. O vapor de água no gás de exaustão quente, por outro lado, é absorvido pelo ar quente.

Ferver

Formas de água fervente

Dependendo da densidade do fluxo de calor que é fornecido ao líquido em ebulição por meio de uma superfície de aquecimento , diferentes formas de ebulição são formadas.

Se a temperatura da superfície de aquecimento estiver alguns graus acima do ponto de ebulição, germes de bolhas se formam em irregularidades . Bolhas formam-se a aquecer densidades de fluxo de 2 kW / m², que condensam novamente quando ascendente. Esta forma de fervura é conhecida como fervura contínua .

Conforme a densidade do fluxo de calor aumenta, a formação de bolhas aumenta e as bolhas atingem a superfície. As bolhas que se desprendem das superfícies de aquecimento levam a um alto coeficiente de transferência de calor . As temperaturas das paredes não sobem significativamente acima do ponto de ebulição (até cerca de 30 K). Com a ebulição nucleada , podem ser alcançadas densidades de fluxo de calor de até 1000 kW / m².

Se a densidade do fluxo de calor aumentar ainda mais, o filme ferve repentinamente : um filme de vapor contínuo é formado. Esta atua como uma camada isolante e o coeficiente de transferência de calor é drasticamente reduzido. Se o fluxo de calor não for reduzido, um estado de equilíbrio só será alcançado novamente quando o calor puder ser emitido por meio de radiação térmica suficientemente alta . Este estado só é alcançado quando a superfície de aquecimento superaquece em cerca de 1000 K. Como regra, a superfície de aquecimento é destruída durante a transição da ebulição nucleada para a ebulição do filme.

Para evitar a destruição das superfícies de aquecimento nas caldeiras a vapor , a densidade máxima do fluxo de calor é limitada a 300 kW / m². Em casos menores, há excesso devido à ebulição atrasada.

Tabelas, gráficos e fórmulas

Entropia - diagrama de temperatura do vapor de água (1 MPa = 10 bar)

Diagrama de entropia-entalpia de Mollier para vapor de água (1 bar = 0,1 MPa)

Devido à sua enorme importância para a indústria de energia, o vapor d'água é uma das substâncias mais bem pesquisadas em termodinâmica . Suas propriedades físicas foram determinadas por extensas e frequentes medições e cálculos e registradas em extensas tabelas , as chamadas tabelas de vapor d'água .

Diagrama Ts

O diagrama Ts mostra que a entropia aumenta com a transição do líquido para o vapor . Isso corresponde à visão de que as partículas em um líquido são muito mais ordenadas do que a mistura caótica das partículas em um gás. A entropia é traçada na abscissa . Outra característica especial do diagrama é sua propriedade de mostrar a quantidade de calor necessária para a evaporação da água como uma área. A relação: ΔH = T · ΔS resulta em uma área retangular para a entalpia de evaporação, que se estende entre T = 0 K e a respectiva linha reta de evaporação.

Diagrama Hs

Em um diagrama de Mollier, a entropia do vapor é traçada na abscissa e a entalpia associada na ordenada. As propriedades físicas básicas do vapor d'água não podem ser facilmente interpretadas, mas a quantidade de calor necessária para alterar o estado do vapor, por exemplo a entalpia de vaporização, pode ser lida diretamente na ordenada.

Fórmula Magnus

Uma fórmula de aproximação para calcular a pressão de vapor de saturação em função da temperatura é a fórmula de Magnus :

${\ displaystyle E _ {(\ theta)} = E _ {\ mathrm {(} \ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {C_ {1} \ theta} {C_ {2} + \ theta}} \ right) \;}$

Temperatura θ em ° C, coeficiente${\ displaystyle E _ {(\ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} = 610 {,} 78 \, \ mathrm {Pa} \,}$

${\ displaystyle C_ {1} = \ left \ {{\ begin {matrix} 17 {,} 08085 & {\ text {if}} \ theta \ geq 0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \ \ 17 {,} 84362 & {\ text {if}} \ theta <0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \ end {matriz}} \ right. \, \ Quad \ quad C_ { 2} = \ left \ {{\ begin {matrix} 234 {,} 175 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {if}} \ theta \ geq 0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \\ 245 {,} 425 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {if}} \ theta <0 \, {} ^ {\ circ } \ mathrm {C} \ end {matriz}} \ right.}$

Esta fórmula é muito precisa (abaixo de 0,22%) na faixa entre 0 e 100 ° C e ainda boa (abaixo de 4,3%) entre −20 e 374 ° C, o erro máximo é 290 ° C. Devido à sua estrutura simples e alta precisão, é usado para determinar o ponto de orvalho , especialmente em meteorologia e física de edifícios .

Com coeficientes ligeiramente diferentes ${\ displaystyle E _ {(\ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} = 611 {,} 2 \, \ mathrm {Pa} \,}$

${\ displaystyle C_ {1} = \ left \ {{\ begin {matrix} 17 {,} 62 & {\ text {for water}} \, \\ 22 {,} 46 & {\ text {for ice}} \ end {matriz}} \ direita. \, \ quad \ qquad C_ {2} = \ esquerda \ {{\ begin {matriz} 243 {,} 12 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {com água}} \\ 272 {,} 62 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {com gelo}} \ end {matriz}} \ direita.}$

o resultado são valores que correspondem a 0,1% com a tabela para cálculos de física de edifícios impressa em DIN 4108.

A fórmula Magnus foi determinada empiricamente por Heinrich Gustav Magnus e, desde então, só foi complementada por valores mais precisos dos coeficientes. Uma lei para diagramas de fase derivados da termodinâmica é representada pela equação de Clapeyron e a equação de Clausius-Clapeyron.No entanto, devido a muitos problemas práticos relacionados a essas equações bastante teóricas, a fórmula de Magnus representa a melhor e mais prática aproximação.

Fórmula de aproximação

Uma regra prática útil para calcular a temperatura do vapor saturado a partir da pressão do vapor saturado e vice-versa é

${\ displaystyle {\ theta} = {\ sqrt [{4}] {p}} \ cdot 100}$,

se a pressão p for usada em bar (absoluto). A temperatura associada θ resulta em graus Celsius. Esta fórmula está no intervalo p _kr. > p> p = 3 bar (200 ° C> θ > 100 ° C) com precisão de cerca de 3%.

Efeitos climáticos

Conteúdo máximo de vapor de água do ar em função da temperatura

O vapor de água desempenha um papel decisivo no clima terrestre . A 30 ° C e pressão de 1 bar, um quilograma de ar pode absorver cerca de 26 gramas de vapor de água como umidade . Essa quantidade cai para cerca de 7,5 g / kg a 10 ° C. A quantidade em excesso é excretada a partir do ar como a precipitação sob a forma de chuva, neve, granizo, nevoeiro, orvalho , geada ou geada geada , dependendo do tempo .

As nuvens enviam parcialmente a radiação solar que chega de volta ao espaço e, dessa forma, reduzem a quantidade de energia que chega ao solo. Eles fazem o mesmo com a radiação térmica vinda de baixo e, assim, aumentam a contra-radiação atmosférica . O fato de as nuvens aquecerem ou resfriarem a superfície da Terra depende da altitude em que estão: As nuvens de baixo nível esfriam a terra, as nuvens de alto nível têm um efeito de aquecimento.

Traços de vapor d'água na estratosfera são considerados particularmente relevantes para o clima. Os pesquisadores do clima observaram, nos últimos 40 anos, um aumento de 75% do vapor d'água na estratosfera (ver nuvens estratosféricas polares ) e tornam isso parcialmente responsável pelo aumento da temperatura média global. A origem do vapor d'água nessas altitudes ainda não é clara, mas acredita-se que haja uma conexão com a produção de metano da agricultura industrial , que aumentou acentuadamente nas últimas décadas . Nessas altitudes, o metano é oxidado a dióxido de carbono e vapor d'água , o que, no entanto, explica apenas a metade do aumento.

O vapor d'água presente na atmosfera terrestre é a principal fonte de contra-radiação atmosférica e portadora do efeito estufa “natural”, com participação de 36% a 70% . A grande variação (36% a 70%) não se deve ao fato de o efeito não poder ser medido com precisão, mas sim porque a umidade atmosférica está sujeita a fortes flutuações naturais em termos de tempo e localização. O efeito estufa é um efeito importante no balanço de radiação da Terra e aumenta a temperatura média global para um nível de 15 ° C. Isso tornou a vida na Terra possível em primeiro lugar. A temperatura média sem o efeito estufa é geralmente dada como uma temperatura em torno de −18 ° C.

Feedback de vapor d'água

O aumento da temperatura média da Terra leva a um aumento do teor médio de vapor de água na atmosfera. De acordo com a equação de Clausius-Clapeyron , a atmosfera pode conter 7% a mais de vapor d'água a cada grau de aumento de temperatura.

No contexto do aquecimento global , o chamado "feedback de vapor d'água" é o feedback positivo mais forte conhecido até o momento, junto com o feedback de gelo-albedo : com uma sensibilidade climática assumida de 2,8 ° C e uma duplicação do dióxido de carbono atmosférico concentração, isto é 1,2 ° C devido ao efeito de aquecimento direto do CO ₂ , um grau é devido ao feedback do vapor de água e o resto aos outros feedbacks. Nos últimos 35 anos, a umidade na parte superior da camada climática aumentou em média cerca de dez por cento.

Os cientistas acreditam que é possível que o feedback do vapor de água também ocorra em outros planetas; por exemplo, logo após sua formação, quatro bilhões e meio de anos atrás, Vênus poderia ter possuído um oceano por muito tempo e, no curso de sua história evolutiva, o feedback do vapor de água também deveria ter ocorrido.

Ocorrência natural

Distribuição do vapor de água na atmosfera terrestre. O conteúdo de vapor d'água condensável é dado em centímetros de altura da água se tudo houvesse condensado no solo.

O vapor de água puro ocorre naturalmente na Terra em vulcões , fumarolas e gêiseres . É o parâmetro mais importante em erupções vulcânicas e determina seu caráter. É crucial que muitos minerais ou rochas liguem água ou outras substâncias voláteis em sua estrutura cristalina , especialmente sob o efeito de altas pressões. Como o magma experimenta um alívio de pressão à medida que sobe na crosta , o vapor d'água sai do magma junto com outros fluidos e forma bolhas, que inicialmente não se expandem livremente devido à pressão. Se a pressão cair abaixo de um determinado valor, essas bolhas de fluido se combinam e levam a uma espécie de enorme retardo na ebulição , ou seja , são liberadas de forma explosiva. Ao fazer isso, eles também carregam grandes quantidades de magma com eles e causam erupções vulcânicas explosivas comparativamente raras. Uma vez que a proporção de fluidos nas rochas é particularmente grande nos limites das placas convergentes , a tendência mais clara para este tipo de vulcão também é evidente aqui.

Vapor de água humano

O vapor de água é uma ajuda importante para o equilíbrio do calor humano . Em altas temperaturas ambientes, o excesso de calor corporal ( resfriamento evaporativo ) é liberado no ambiente para termorregulação por meio da transpiração . A quantidade de calor que é convertida é considerável; para evaporar um grama de suor, são necessários 2,43 kJ de calor. Em temperaturas ambientes normais, pessoas saudáveis ​​geram cerca de 500 g de vapor d'água diariamente por meio do suor, mais o dobro da quantidade com o ar exalado . Também caracterizada é a temperatura do corpo a 37 ° C regulada .

Entrada de vapor d'água

Avião com rastos

Plumas de vapor sobre torres de resfriamento úmidas

Quando os produtos petrolíferos são queimados, os hidrocarbonetos nas frações do petróleo são essencialmente convertidos em dióxido de carbono e vapor de água. Do tráfego automóvel as fontes são a gasolina e diesel , do tráfego aéreo querosene , no aquecimento casa aquecimento óleo e na indústria de óleo pesado . O vapor de água condensado contido no gás de exaustão é perceptível em aeronaves por meio de rastros no céu. Ao queimar gás natural , que agora é usado para aquecer edifícios, duas vezes mais vapor de água do que dióxido de carbono é produzido por causa dos quatro átomos de hidrogênio por átomo de carbono na molécula de metano. Esta é a razão pela qual as caldeiras de condensação funcionam mais eficazmente com gás natural do que com óleo para aquecimento. Em muitos processos de grande escala, o vapor de água é liberado na atmosfera como um produto residual.

Vapor de água no ar condicionado

Um ar condicionado é um equipamento de construção que garante um teor de vapor de água definido no ar. As salas de armazenamento têm ar condicionado para proteger os produtos acabados feitos de materiais de ferro e aço da corrosão , estoques como livros contra o tempo e alimentos contra o ressecamento. No ar condicionado de ambientes residenciais, o conteúdo de vapor de água contribui significativamente para o bem-estar das pessoas. Ao avaliar o ar ambiente, o conceito de conforto desempenha um papel central; Um aspecto é a relação entre a temperatura do ar ambiente e a umidade relativa, que é percebida como agradável. Isso é garantido por um sistema de ar condicionado e geralmente está entre 30% e 70% de umidade relativa.

Quantificação de vapor d'água

Como o vapor d'água desempenha um papel importante em uma ampla variedade de condições e processos, ele é registrado usando uma ampla variedade de métodos e dispositivos de medição e especificado em um grande número de tamanhos.

A umidade relativa φ é freqüentemente usada para fins meteorológicos em relação ao ar úmido  . Isso pode ser medido com um higrômetro de cabelo , entre outras coisas . Em tecnologia, geralmente é usada a umidade absoluta  x . Isso é medido com um transmissor LiCl ou um sensor de umidade coulométrico , no qual (com base em pentóxido de difósforo fortemente higroscópico ) o conteúdo de vapor de água do ar é deduzido. Outra possibilidade para determinar o teor de vapor d'água do ar é medir sua temperatura em um termômetro seco e úmido , sendo o ponto de medição do segundo termômetro envolto em um tecido embebido em água e soprado com um pequeno ventilador para promover a evaporação. Com a ajuda dos dois valores lidos, a umidade associada pode ser lida imediatamente no diagrama hx de Mollier. O psicrômetro é o resultado prático do desenvolvimento desse método de medição.

Além dos termômetros, medidores de pressão são usados em geradores de vapor para medir facilmente os parâmetros do vapor.

O vapor d'água na história

A visão do vapor d'água é conhecida pelo homem desde que o fogo foi controlado; foi criado mais ou menos involuntariamente ao cozinhar ou ao apagar a lareira com água. As primeiras reflexões sobre o uso técnico do vapor são atribuídas a Arquimedes , que construiu um canhão a vapor . Leonardo da Vinci fez cálculos iniciais sobre o assunto, segundo os quais uma bala de oito quilos disparada de tal canhão voaria cerca de 1250 metros.

Garça de Alexandria inventou o Heronsball , uma primeira máquina a vapor . Sua invenção não tinha valor prático na antiguidade , mas mostrava a possibilidade técnica do uso do vapor d'água.

O design prático da panela de pressão remonta a Denis Papin . Este primeiro vaso de pressão foi desde o início com uma válvula de segurança equipada depois com um protótipo durante as primeiras tentativas de rompimento .

A invenção e o uso da máquina a vapor tornaram necessária a investigação teórica e prática do meio de trabalho vapor d'água. Os praticantes incluem James Watt e Carl Gustav Patrik de Laval , que se tornaram homens ricos ao comercializar suas máquinas. Já Nicolas Léonard Sadi Carnot foi um dos teóricos que pensou no vapor d'água e na máquina a vapor. Rudolf Julius Emanuel Clausius e Ludwig Boltzmann também pertencem ao grupo de pesquisadores que lidaram em profundidade com as propriedades do vapor d'água .

Uso em tecnologia

Em tecnologia , o vapor é gerado em caldeiras a vapor e utilizado, por exemplo, para as seguintes finalidades:

• como equipamento de trabalho em motores a vapor , locomotivas a vapor e turbinas a vapor ,
• na extração de petróleo bruto e como auxiliar no steam cracking para produção de gasolina,
• como um produto intermediário na dessalinização de água do mar ,
• como matéria-prima para a produção de água e gás de gerador por meio da reforma do vapor ,
• no aquecimento a vapor e no resfriamento evaporativo como portador de energia térmica.
• para bombear água líquida com uma bomba de jato de vapor ,
• na destilação a vapor como um agente de expansão ,
• Criação de vácuo deslocando o ar de um vaso de pressão fechado com condensação subsequente.

Atualmente, os maiores geradores de vapor da usina têm uma produção de até 3600 toneladas de vapor por hora. Essas quantidades são fornecidas , por exemplo, com uma caldeira de tubo de água .

Ao usar vapor para fins técnicos , deve-se observar que, ao contrário da maioria dos outros líquidos e gases, o vapor úmido não pode ser bombeado . A água martelo que ocorre ao comprimir o vapor iria destruir a máquina de elevação dentro de um tempo muito curto.

Outros usos

• para esterilização e saneamento do solo por vaporização (desinfecção do solo) com vapor superaquecido
• para limpar com produtos de limpeza a vapor ,
• na cozinha para a preparação suave de comida por vapor ,
• na GERAÇÃO da farinha , principalmente na farinha integral , para estabilizar o germe do grão,
• para processamento de madeira em barcos, móveis e instrumentos musicais,
• para criar um vácuo em vasos de pressão fechados, deslocando o ar e a condensação subsequente,
• para a esterilização de instrumentos médicos e microbiológicos pela chamada autoclavagem ,
• o engomar de roupa .
• Na medicina e na terapêutica , o vapor de água é usado para transferência de calor e como transportador de substâncias terapêuticas:
  • A inalação para curar , como tosse , ou para aliviar resfriados , com inaladores ou uma sauna facial ,
  • na área de bem-estar em banhos de vapor .

Perigos do vapor de água

Pequenas quantidades de vapor d'água podem transportar grandes quantidades de calor e, portanto, energia . Por esse motivo, o potencial destrutivo de equipamentos de transporte de vapor , como geradores de vapor e dutos, é considerável. As rachaduras de caldeiras a vapor estão entre os piores acidentes da história da tecnologia ; No passado, esses eventos destruíram plantas industriais de uma só vez .

Esses eventos desencadearam o estabelecimento de associações de monitoramento de caldeiras a vapor, a partir das quais as associações de monitoramento técnico , hoje conhecidas pela sigla TÜV , se desenvolveram posteriormente.

O perigo surge do vapor de água "invisível" que escapa livremente de uma caldeira de vapor defeituosa em alta temperatura e alta pressão em um jato de comprimento considerável. Se você olhar o diagrama hs acima, a liberação de vapor saturado significa antes de tudo uma mudança adiabática de estado, durante a qual a pressão é reduzida. O ponto de partida é a curva do vapor saturado à direita do ponto crítico (= estado do vapor saturado na caldeira). A redução da pressão ocorre paralelamente ao eixo x (a entalpia permanece a mesma). O jato livre emergente se mistura com o ar ambiente e esfria. Se a temperatura cair abaixo de 100 ° C (= temperatura do vapor saturado à pressão ambiente), o vapor começa a condensar e se tornar visível.

Por outro lado, um perigo com grandes escapes de vapor é a formação de neblina, o que dificulta a orientação dos refugiados. E, finalmente, escapar do vapor de água superaquecido pode até causar incêndios . A reevaporação da água líquida ocorre através da redução da pressão que ocorre nas proximidades do ponto defeituoso.

O contato extenso com um jato de vapor ou água quente é fatal por causa da escaldadura instantânea . Ultimamente, têm ocorrido menos acidentes relacionados com o vapor de água, porque o estado da arte neste campo tem evoluído continuamente para uma maior segurança .

Devido à grande diferença de volume entre a água e o vapor de água (1: 1700), é perigoso extinguir certos incêndios com água. Em caso de incêndio na chaminé , a água de extinção pode rasgar a chaminé, pondo em perigo as forças de combate a incêndios e causando danos materiais. Mesmo um incêndio de gordura não deve ser apagado com água, porque a água entra sob a gordura ardente por causa de sua maior densidade, evapora na superfície quente e se expande e carrega a gordura ardente, causando uma explosão de gordura .

Termos e valores materiais

Termos relacionados ao vapor d'água

Sobrenome

Vapor

Outros nomes

o diagrama oposto

Fórmula molecular

H ₂ O

Densidade a 100 ° C e 1,01325 bar

0,598 kg / m³

spec. Capacidade de calor ${\ displaystyle c_ {p}}$

1.864 kJ / (kg K)

Condutividade térmica ${\ displaystyle \ lambda}$

0,0248 W / (m K)

Ponto Triplo

273,160 K corresponde a 0,01 ° C a 0,00612 bar

ponto crítico

374,150 ° C a: 221,20 bar

Veja também

• diagrama pvT
• Teoria do gás cinético

literatura

• Dubbel Capítulo D . Springer, Berlin 1990. (17ª edição) ISBN 3-540-52381-2 .
• Diagrama de Mollier h, s para Água e Vapor . Springer, Berlin 1998. ISBN 3-540-64375-3 .
• Walter Wagner: Água e vapor na engenharia de instalações . Série Kamprath. Vogel, Würzburg 2003. ISBN 3-8023-1938-9 .
• Propriedades da água e do vapor em unidades SI. Propriedades termodinâmicas da água e do vapor de água, 0–800 ° C, 0–1000 bar. Springer, Berlin 1981. ISBN 3-540-09601-9 , ISBN 0-387-09601-9 .

Links da web

Wikcionário: Wasserdampf  - explicações de significados, origens de palavras, sinônimos, traduções

• Um gráfico TS em branco para água e vapor de água no Commons
• Um diagrama de Mollier hs em branco para vapor de água em alta resolução no Commons
• O site do IAPWS (inglês)
• Placa de vapor de água para água líquida e vapor saturado
• Cálculo de vapor d'água ( Memento de 7 de outubro de 2007 no Internet Archive ) - Freeware em MS-Excel , OpenDocument e outros formatos
• Stefanie Lorenz, Hilke Stümpel: Módulo de aprendizagem "Medições de condensação e umidade". Água na atmosfera. In: WEBGEO básico / climatologia. Instituto de Geografia Física (IPG) da Universidade de Freiburg , 1 de outubro de 2001, acessado em 14 de dezembro de 2010 . 
• Download do programa (Win) "Air Humid Handling" para cálculo usando o diagrama Mollier hx
• www.unitica.de: Placa de vapor de água. (Tabela Excel; 156 kB) com os parâmetros específicos volume v, entalpia h, energia interna u, entropia s e capacidade térmica isobárica cp de 0,05 a 500 bar e 0 a 800 ° C. Arquivado do original em 28 de setembro de 2007 ; Recuperado em 14 de dezembro de 2010 . 

Evidência individual

1. ↑ Tabela de vapor de água .
2. ↑ NASA Facts (1999): Clouds and the Energy Cycle ( Memento de 26 de fevereiro de 2007 no Internet Archive ) (arquivo PDF; 85 kB) .
3. ↑ O vapor de água é o gás de efeito estufa nº 1 • Estudo conduzido por Jülich ( Memento de 5 de abril de 2008 no Arquivo da Internet ), Forschungszentrum Jülich, comunicado à imprensa de 31 de maio de 2001.
4. ^ Stefan Rahmstorf: Mudanças climáticas - alguns fatos . In: Da Política e da História Contemporânea (APuZ 47/2007).
5. ^ A. Raval, Veerabhadran Ramanathan : Determinação observacional do efeito de estufa . In: Nature . 342, No. 6251, 1989, pp. 758-761. doi : 10.1038 / 342758a0 .
6. ↑ S. Rahmstorf, HJ Schellnhuber: Der Klimawandel . CH Beck, 6ª edição 2007
7. ↑ ^{a b} Brian Soden. In: Volker Mrasek : Aumento do vapor de água na atmosfera , Deutschlandfunk , Forschung Aktuell, 29 de julho de 2014 .
8. ^ J. Hansen, D. Johnson, A. Lacis, S. Lebedeff, P. Lee, D. Rind, G. Russell: Climate Impact of Aumentar o Dióxido de Carbono Atmosférico Arquivado do original em 3 de janeiro de 2017. Em: Ciência . 213, No. 4511, 28 de agosto de 1981, página 957. doi : 10.1126 / science.213.4511.957 . Recuperado em 18 de agosto de 2016.
9. ↑ MJ Way, Anthony D. Del Genio: Cenários Climáticos Habitáveis ​​de Venus: Modelagem de Vênus ao longo do tempo e aplicações para Vênus em rotação lenta - como os exoplanetas . (PDF) In: JGR Planets . 125, No. 5, maio de 2020. doi : 10.1029 / 2019JE006276 .
10. ^ Paul Sutter: Como Vênus se transformou no inferno e como a Terra é a seguir. Em: space.com. 2019, acessado em 31 de agosto de 2019 . 

Este artigo foi adicionado à lista de excelentes artigos em 18 de dezembro de 2005 nesta versão .