Vapor

El diagrama de fases mostra els canvis d'estat de la matèria.
La corba amb punts de color verd que gira a l'esquerra mostra el comportament anòmal de l'aigua i en general, el de tots els materials que quan es fonen pateixen una contracció de volum específic. La corba de fusió (en color verd) marca el punt de fusió per a cada parell (temperatura, pressió). La corba de vaporització, en blau, el mateix per al punt d'ebullició, i la corba de sublimació, en vermell, mostra la pressió de sublimació per a cada temperatura. Es mostra com ells varien amb la pressió. El punt d'unió entre les tres corbes verd, blau i vermell és el punt triple. El punt crític es veu en l'altre extrem de la corba blava de vaporització.

S'anomena vapor a una substància en la fase de gas que es troba a una temperatura més baixa que el punt crític. Això vol dir que el vapor es pot condensar a un líquid o a un sòlid per increment de la seva pressió sense reducció de la temperatura.

És a dir, un gas que es pot condensar a temperatura constant, augmentant-ne la pressió. Per contra, per convertir un gas no vaporós a líquid, no n'hi ha prou amb augmentar la pressió, sinó que caldrà disminuir-ne la temperatura. Tot i que habitualment es considera vapor el gas que està pròxim a la condensació, des del punt de vista d'estat d'agregació, vapor i gas són una mateixa cosa.

Un vapor pot coexistir amb un líquid (o sòlid). Quan això ocorre, les dues fases estaran en equilibri, i la pressió de gas serà igual a l'equilibri pressió de vapor del líquid (o sòlid).

Higròmetre. La humitat relativa es mesura en percentatges.

Els vapors es generen per vaporització dels líquids, això és el pas de líquid a gas o vapor. La vaporització es realitza absorbint calor. Segons les condicions en què té lloc, es distingeix entre l'evaporació, que té lloc a la superfície del líquid a qualsevol temperatura inferior a la del punt d'ebullició, sempre que la pressió parcial de la fase gasosa sigui inferior a la pressió de vapor del líquid; i l'ebullició, quan es manifesta a tota la massa i a temperatura constant (temperatura d'ebullició).

La rosa té una fragància característica.

La humitat és la quantitat de vapor d'aigua present a l'aire. La mesura de la humitat se sol expressar amb la humitat relativa o bé, menys habitualment, amb la humitat absoluta o la humitat específica. En general, la humitat pot indicar una major probabilitat de precipitacions o boira i fisiològicament provoca una major sensació de calor si la temperatura assoleix un cert valor llindar, ja que fa disminuir l'efectivitat de la transpiració per a refredar el cos humà. La humitat relativa es mesura amb higròmetres.

Els humans i d'altres animals detectam l'olor dels líquids i dels sòlids gràcies al nostra olfacte que és sensible als vapors dels líquids i sòlids i que pot diferenciar les diferents molècules que componen molts dels vapors. Alguns vapors són agradables, els emprats en els perfums; d'altres són desagradables, com la cadaverina i la putrescina que provenen d'animals morts en descomposició i, fins i tot, hi ha vapors tòxics per inhalació, com el benzè, i vapors inflamables, com els hidrocarburs de baixa massa molar (pentà, hexà...).

Pressió de vapor

Esquema de partícules de la transició de la fase líquida a gasosa i a l'inrevés com a resultat de la pressió de vapor.

Articles principals: Pressió de vapor i Descens de la pressió de vapor

La pressió de vapor és la pressió exercida pel vapor saturat d'una substància líquida o, menys habitualment, sòlida. La pressió de vapor és característica de cada substància i depèn de la temperatura. En el cas de l'aigua, la pressió de vapor és d'uns 4,58 mmHg a 0 °C i d'1 atm a 100 °C.

La pressió de vapor de qualsevol substància augmenta de manera no lineal amb la temperatura segons la relació de Clausius-Clapeyron. El punt d'ebullició a pressió atmosfèrica d'un líquid és la temperatura a la qual la pressió de vapor és igual a la pressió atmosfèrica ambiental. Amb qualsevol augment incremental d'aquesta temperatura, la pressió de vapor esdevé prou per sobrepassar la pressió atmosfèrica i fer que es comencin a formar bombolles en el líquid. La formació de bombolles al fons del líquid requereix una pressió més elevada i, per tant, una temperatura més elevada, ja que la pressió del fluid augmenta amb la fondària.

S'anomena descens de la pressió de vapor a la disminució de la pressió de vapor que experimenta un dissolvent quan s'hi dissolen soluts no volàtils respecte a la pressió de vapor en estat pur. És una propietat col·ligativa. Per a les dissolucions ideals i diluïdes ideals el descens de la pressió de vapor és proporcional a la fracció molar del solut.

Si la dissolució és prou diluïda, el dissolvent obeirà la llei de Raoult (la pressió de vapor del dissolvent a la dissolució, $p_{1}$, és igual a la fracció molar del dissolvent, $x_{1}$, per la pressió de vapor del dissolvent pur, $P_{1}^{*}$),

$p_{1}=x_{1}\cdot P_{1}^{*}$

Vapor d'aigua deixat per un avió

i la diferència de la seva pressió de vapor, $p_{1}$, amb la pressió de vapor del dissolvent pur, $P_{1}^{*}$, serà:

$\Delta p=P_{1}^{*}-p_{1}=P_{1}^{*}\cdot (1-x_{1})=P_{1}^{*}\cdot x_{2}$$\Delta p=x_{2}\cdot P_{1}^{*}$

on $x_{2}$ és la fracció molar del solut.

Entalpia de vaporització

Compost	Temperatura d'ebullició$T_{\rm {e}}$ (°C)	Entalpia de vaporització a la$T_{\rm {e}}$ (kJ mol−1)
Aigua	100	40,65
Acetona	56	29,10
Amoníac	–33	23,33
Fosfà	–88	14,6
Benzè	80	30,72
Metà	–161	8,19
Età	–88,6	14,69
Propà	–42	19,04
Butà	–1	22,44
Hidrogen	–252,87	0,90
Heli	–268,93	0,08
Neó	–246,08	1,71
Argó	–185,85	6,43
Mercuri	356,73	59,11
Metanol	64	35,21
Etanol	78	38,56
Propan-1-ol	97	41,44
Or	2 836	324
Plom	1749	179,5
Alumini	2519	294
Clor	–34,04	20,41
Brom	58,8	29,96
Fluor	–188,11	9,92
Iode	184,4	41,57

El vapor d'aigua és el responsable de la humitat.

Article principal: Calor de vaporització

L'entalpia de vaporització, simbolitzada $\Delta _{\rm {vap}}H$ o $\Delta _{\rm {l}}{}^{\rm {g}}H$, és la quantitat d'energia necessària perquè una determinada quantitat d'una substància pura passi de l'estat líquid a l'estat gasós a temperatura i pressions constants. Habitualment la quantitat de substància és un mol, i hom parla d'entalpia molar de vaporització, la temperatura és la temperatura d'ebullició i la pressió és una atmosfera. Les unitats utilitzades per a aquesta propietat s'indiquen en kJ/mol.

Termodinàmicament, l'entalpia molar de vaporització $\Delta _{\rm {vap}}H_{\rm {m}}$ es correspon a la diferència entre l'entalpia molar d'una substància en estat gasós $H_{\rm {m}}{\rm {(g)}}$ i l'entalpia molar de la mateixa substància en estat líquid $H_{\rm {m}}{\rm {(l)}}$:

$$\Delta _{\rm {vap}}H_{\rm {m}}=H_{\rm {m}}{\rm {(g)}}-H_{\rm {m}}{\rm {(l)}}$$

A partir de la definició d'entalpia $H\equiv U+PV$ es pot relacionar l'entalpia de vaporització amb l'increment de l'energia interna $\Delta _{\rm {vap}}U$ de la substància mitjançant la següent equació:

L'aigua es condensa en gotes visibles després d'evaporar d'una olla de te calent.

$$\Delta _{\rm {vap}}H_{\rm {m}}=\Delta _{\rm {vap}}U_{\rm {m}}+P\Delta V_{\rm {m}}$$

on $P$ és la pressió externa que es manté constant durant el procés; $\Delta V_{\rm {m}}$ és la variació de volum molar que experimenta la substància en passar de líquid a gas; i $P\Delta V_{\rm {m}}$ és el treball d'expansió que realitza la substància contra la pressió externa, que es pot substituir per ${\textstyle RT}$ suposant que el vapor es comporta com un gas ideal que compleix l'equació d'estat ${\textstyle PV=nRT}$, on $n$ = 1 mol, ${\textstyle R}$ és la constant dels gasos (8,3145 J/K mol) i ${\textstyle T}$ la temperatura absoluta, si la pressió externa no és excessivament elevada.

Usos

Màquina de vapor

Esquema d'una màquina de vapor.

Article principal: Màquina de vapor

Màquina de vapor.

Una màquina de vapor és una màquina tèrmica de funcionament alternatiu que utilitza el vapor d’aigua com a substància de treball i que transforma una part de l'energia interna del vapor en energia mecànica. Fou inventada a mitjans del segle xviii amb contribucions de diferents inventors, destacant l'enginyer escocès James Watt (1736-1819). Les seves millores a la màquina de vapor van ser fonamentals per la Revolució industrial al Regne Unit i a tot el món. Ideà diversos sistemes per a la conversió del moviment alternatiu en rotatiu; ideà també l'èmbol de doble efecte (1785) i el famós regulador de boles que duu el seu nom.

El desenvolupament de la màquina de vapor fou impulsat per la seva aplicació en els camps fonamentals de la industrialització: els transports (locomotora de vapor, vaixells de vapor) i l’energia de tracció de les indústries. La màquina de vapor moderna consta, essencialment, d’una caldera, generalment d’alta pressió, que forneix el vapor, el qual és conduït a un cilindre o a uns quants a través d’un regulador centrífug i d’un distribuïdor, sincronitzat amb els moviments de l’èmbol, que pot ser de corredora, de vàlvules, o de claus. El vapor que surt del cilindre pot ser expulsat a l’atmosfera, com en el cas de les locomotores, o bé passa al condensador, i el vapor condensat és tornat a conduir a la caldera, per mitjà d’una bomba. El moviment de l’èmbol és transmès per mitjà d’un sistema de biela i cigonyal. La fracció de calor que hom converteix en treball mecànic és anomenat rendiment tèrmic. L’ús del condensador incrementa el rendiment tèrmic, i alhora complica l’aparell, per tal com requereix l’aigua suplementària de refrigeració i un mitjà per a mantenir la baixa pressió en el condensador.

Turbina de vapor

Article principal: Turbina de vapor

Turbina.

Les turbines són motors rotatius que transformen l'energia cinètica, potencial, interna o de pressió d’un fluid en energia mecànica. La seva forma geomètrica és tal, que el flux exerceix un moment de torsió sobre l'eix de gir, en el qual es genera una potència que està disponible per a accionar generadors o altres dispositius. Les turbines de vapor empren vapor d'aigua com a fluid i estan constituïdes per un generador de vapor o caldera, la turbina pròpiament dita, un condensador i l’equip de bombament. Operen en circuit tancat, segons un procés que en el cas més simple té les fases següents:

• bombament de l’aigua des de la sortida del condensador fins a la caldera,
• ebullició i sobreescalfament del vapor resultant, el qual, a temperatura i pressió elevades, incideix a gran velocitat, a través d’una corona de toveres distribuïdores, en la turbina transferint-li part de la seva energia i, finalment,
• el vapor que surt de la turbina és condensat, emprant aigua com a refrigerant, i un cop en estat líquid és bombada de nou cap a la caldera.

La turbina de vapor consta d’un estator i d’un rotor amb les corresponents corones d’àleps. Hi ha dos tipus fonamentals d’escalonaments:

• els d’acció, caracteritzats pel fet que l'expansió té lloc en les corones d’àleps fixos, mentre que en les mòbils la pressió es manté constant, i
• els de reacció, en els quals la caiguda de pressió es reparteix entre les corones fixes i les mòbils.

Normalment les turbines de vapor consten d’un o dos escalonaments d’acció, seguits de diversos de reacció. El rendiment del grup depèn dels salts de pressió i temperatura. En molts casos és efectuat un sobreescalfament intermedi, consistent a escalfar a pressió constant el vapor que ja ha treballat en una part de la turbina i tornar-lo a introduir per tal que s’hi torni a expandir, amb la qual cosa hom augmenta el rendiment prop d’un 3%. Si bé la turbina de vapor té un rendiment més elevat que la de gas, té l’inconvenient que la potència obtenible per unitat de pes és molt inferior, cosa que la fa adequada per a instal·lacions fixes. Les aplicacions més freqüents són en centrals elèctriques (tèrmiques i nuclears) i en propulsió naval de gran potència.

Saunes

Sauna del sud d'Estònia que mostra el vapor d'aigua que s'eleva per sobre de les pedres.

Article principal: Sauna

Una sauna és un bany de vapor d'aigua a molta temperatura (60 °C-80 °C), propi dels pobles escandinaus, especialment de Finlàndia, que hom practica comunitàriament dins una cambra, o cabanya, de fusta de bedoll (apta per a l’absorció i la transsudació del vapor), en un ambient caldejat per una estufa. La sauna pot derivar de banys descrits per Heròdot, que explica que els habitants d'Escítia, a l'Euràsia central, llançaven aigua i llavors de cànem sobre pedres escalfades per crear un vapor embriagador.

El banyista a una sauna s'asseu en un banc elevat i s’exposa a aire calent. A continuació pren una dutxa freda i, immediatament, un bany de vapor d'aigua (el qual s'aconsegueix vessant aigua sobre pedres, o materials refractaris, escalfats a l’estufa). Per acabar hom sol practicar un massatge amb branques de bedoll per afavorir la sudació; un bany calent i una dutxa freda (o la immersió en neu o aigua) clouen el cicle de la sauna. Des dels països nòrdics s'ha difós a la resta del món i hom l’utilitza per la seva acció benèfica sobre la pell (en països freds és molt útil pels seus efectes diaforètics i sedants) i com a complement esportiu o dietètic (cura d’aprimament).

Cocció al vapor amb una olla especialment dissenyada per aquesta tècnica.

Cocció al vapor

Article principal: Cocció al vapor

La cocció al vapor o cuinar al vapor és un mètode de coure els aliments utilitzant el vapor d'aigua. Amb aquest mètode no es posa l'aliment en contacte directe amb la calor suprimint el fenomen de l'osmosi. L'aigua s'evapora en augmentar la temperatura fins que bull a 100 °C, aconseguint una cocció ràpida. La cocció al vapor permet igualment una cocció homogènia i conserva les qualitats dels aliments cuits. A més d'aigua es pot utilitzar el vapor d'un brou escalfat. Es considera un mètode saludable i pot fer-se amb gairebé tots els tipus d'aliments tot i que a Occident es fa servir més en aliments vegetals. És una tècnica molt estesa a l'Àsia per coure arròs o al Magrib per fer cuscús.

Neteja amb vapor d'aigua

La neteja amb vapor d'aigua és una operació de neteja de materials petris, d'estucs i de ceràmica, consistent a projectar sobre el material vapor saturat d'aigua al qual se li pot incorporar algun tipus de detergent, i que, generalment, requereix d'altres operacions de neteja posteriors.

Referències

Viccionari