2.4.3 Höyrystyminen

Höyrystyminen alikriittisessä paineessa

Kun puhdasta nestemäistä ainetta kuumennetaan riittävästi, aine alkaa kiehua. Tuloksena syntyy kosteaa höyryä,jolloin läsnä on kiehuva nestefaasi ja kylläistä höyryä kaasufaasissa. Kun viimeinen nestepisara on höyrystynyt, aine on kuivaa kylläistä höyryä. Lämmitettäessä höyryä edelleen höyrystä tulee tulistettua. Kiehumisen aikana neste- ja kaasufaasin lämpötila ja paine ovat samassa pisteessä höyrynpainekäyrällä.

Aineen höyrystyminen vaatii höyrystymislämmön. Kun nestettä höyrystetään vakiopaineessa, aineen lämpötila ei nouse lämmöntuonnin seurauksena ennen kuin neste on muuttunut kokonaan kuivaksi höyryksi. Kaikki kosteaan höyryyn tuotu energia kuluu nesteen höyrystymiseen.

Kuva 1. Höyrystyminen alikriittisessä paineessa T,v-piirroksessa

Nestettä voi höyrystyä kaasufaasiin myös ilman kiehumista. Kun nestepinta on kosketuksissa kaasun kanssa, nesteen sisällä yksittäisiin molekyyleihin vaikuttavat voimat ovat likimain tasapainossa. Nesteen pinnalla sen sijaan molekyyleihin vaikuttaa nestepintaa vasten kohtisuora voima, joka pyrkii estämään molekyylin irtautumisen kaasufaasiin.

Molekyylien värähtelyenergia on kuitenkin jakautunut satunnaisesti, joten nesteessä on yksittäisiä molekyylejä, joiden värähtelyenergia on riittävä irrottamaan ne nesteestä höyryksi kaasufaasiin. Vastaavasti kaasufaasista palaa nesteeseen tietty määrä molekyylejä.

Kun kaasufaasin sisältämä höyryn osapaine on pienempi kuin suurin osapaine, jonka kaasu voi tässä lämpötilassa sitoa, nesteestä haihtuu enemmän molekyylejä kaasufaasiin kuin mitä kaasufaasista palaa nesteeseen. Nettovaikutuksena nestettä höyrystyy. Koska höyrystyvien molekyylien värähtelyenergia on keskimääräistä suurempi, nesteen lämpötila samalla laskee. Toisin kuin kiehumisessa, nesteen ja höyryn paineet eivät ole silloin samat. Nesteen paine on höyrynpainekäyrän yläpuolella, ja höyryn osapaine kaasufaasissa voi olla höyrynpainekäyrällä (tasapainotila, jolloin suhteellinen kosteus j = 100% ) tai sen alapuolella.


Kostean höyryn ominaisuuksia

Yhden puhtaan aineen tila on täysin määrätty, kun tunnetaan sen kaksi tilasuuretta. Kostean höyryn tilan kuvaamiseen pelkkä lämpötila ja paine eivät kuitenkaan riitä, sillä läsnä on kaksi faasia. Otetaan käyttöön uusi muuttuja, höyrypitoisuus x. Kiehuvalle nesteelle x=0, kuivalle kylläiselle höyrylle x=1.

Höyryjen tilapiirroksissa ja taulukoissa merkitään kylläisen kiehuvan nesteen arvoja tavallisesti indeksillä ' ja kylläisen kuivan höyryn arvoja indeksillä ''.

Näiden merkintöjen avulla voidaan esittää kostean höyryn ominaissuureita seuraavasti:
v = xv'' + (1-x)v' = v' + x(v''-v')
u = xu'' + (1-x)u' = u' + x(u''-u')
h = xh'' + (1-x)h' = h' + x(h''-h')
s = xs'' + (1-x)s' = s' + x(s''-s')



Ylikriittinen höyry

Edellä esitetty pätee höyrystymiselle silloin, kun paine on pienempi kuin kriittisen pisteen paine pc. Kiehumisen aikana lämmöntuonti kuluu faasinmuutokseen ja samalla aineen ominaistilavuus kasvaa merkittävästi lämpötilan säilyessä vakiona. Lähestyttäessä kriittisen pisteen painetta ominaistilavuuden muutos käy pienemmäksi, ja lopulta kriittisessä pisteessä aine muuttuu nesteestä kaasuksi yhdessä tilapisteessä ominaistilavuuden muuttumatta. Vedellä kriittinen paine pc = 22.09 MPa.

Tätä suuremmissa tilavuuksissa muutos nesteestä höyryksi tapahtuu ilman kiehumista "portaattomasti" (kuva 2). Ylikriittisellä painealueella neste- ja kaasufaasit ovat edelleen erotettavissa toisistaan. Näiden välissä ei kuitenkaan ole kostean höyryn kaksifaasista tilaa, vaan homogeeninen yksifaasinen fluidi joka on ominaisuuksiltaan nesteen ja kaasun välimaastossa.

Kuva 2. Höyrystyminen yli- ja alikriittisessä paineessa T,v-piirroksessa