Водяной пар имеет чрезвычайно широкое распространение в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках.
Советскими учёными М. П. Вуколовичем и И. И. Новиковым в 1939 г. было получено уравнение для реальных газов с учётом ассоциации и диссоциации их молекул. Ассоциация, т.е. механическое соединение двух или большего числа молекул в одну сложную частицу, происходит при низких температурах газа, а обратное явление – диссоциация молекул – при высоких температурах газа.Ассоциация молекул уменьшает число свободных молекул и приводит к уменьшению давления газа. Это уравнение можно применять к любому реальному газу и, в частности, к перегретому пару. Но в связи с тем, что практическое применение этого уравнения в непосредственном виде затруднено, с его помощью были вычислены значения основных физических величин перегретого водяного пара при различных p и Т; составлены таблицы и построена диаграмма в is-координатах, на основании которых и проводятся расчёты процессов изменения состояния водяного пара.
Пары бывают насыщенные и перегретые. Насыщенные пары разделяются на сухие насыщенные (или просто сухие) и влажные насыщенные (или просто влажные).
Превращение жидкости в пар может протекать двумя различными по интенсивности и характеру процессами: испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре.Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и её температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из неё вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул. При сообщении жидкости тепла повышается её температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определённой температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, наступает парообразование во всей её массе.При этом у стенок сосуда и внутри жидкости начинают образовываться пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Получающийся при этом пар имеет давление среды, в которой происходит процесс кипения. Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией. Этот процесс превращения пара в жидкость также происходит при постоянной температуре, если давление остаётся постоянным. Жидкость, образующая при конденсации пара, называется конденсатом. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то в системе наступит динамическое равновесие. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным. Следовательно, под насыщенным паром понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Поэтому температура кипения иначе называется температурой насыщения и обозначается tн. Давление, соответствующее tн, называется давлением насыщения, обозначаемым pн или просто p. если объём насыщенного пара возрастает при tн = const, то происходит переход некоторого количества жидкости в пар (испарение больше конденсации). Если объём пара уменьшается, то часть пара переходит в жидкость (конденсация больше испарения). Но в обоих случаях давление пара pн остаётся постоянным. Пар образуется лишь до тех пор, пока не испарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать состояние сухого насыщенного пара. Пар, получаемый при неполном испарении жидкости, называется влажным насыщенным паром. Он является смесью сухого пара с кипящей жидкостью.
Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости, или паросодержанием, и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через у. Очевидно, что у = 1 – x. Как степень сухости, так и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах, например, если х = 0.95 и у = 1 – х = 0,05, то это означает, что в смеси находится 95% пара и 5% жидкости.
В паровых котлах обычно получается влажный пар, так как пар соприкасается с водой, из которой он образуется, и, кроме того, при бурно протекающем процессе парообразования вместе с отрывающимися от поверхности воды пузырьками пара увлекаются и частицы жидкости. Для получения сухого и перегретого пара в котельных установках имеется устройство, называемое пароперегревателем, представляющее собой змеевиковые трубы, включённые в систему газоходов котла. Перегретым называется пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева.
Поскольку удельный объём перегретого пара больше удельного объёма насыщенного пара (так как p = const, а tпер> tн), то в единице объёма перегретого пара содержится меньшее количество молекул, чем в единице насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным и плотность его меньше, чем плотность насыщенного пара.