KWALIFIKACJA ELE6 + ELE7 - WRZESIEŃ 2015

PYTANIE NR 11.
Wskaż zmiany zachodzące pod wpływem wzrostu ciśnienia w mieszaninie wodno-parowej.
Ilustracja przedstawia tabelę z dwiema kolumnami i czterema wierszami, które opisują zmiany objętości wody i pary wodnej.
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
W mieszaninie wodno-parowej w stanie nasycenia wzrost ciśnienia oznacza także wzrost temperatury nasycenia.
Dlatego objętość właściwa cieczy nasyconej (wody) zwykle nieznacznie wzrasta (rozszerzalność cieplna), natomiast objętość właściwa pary nasyconej wyraźnie maleje (silna kompresja fazy gazowej).

Pełne wyjaśnienie:

W mieszaninie wodno-parowej rozpatruje się stan nasycenia, czyli równowagę fazową ciecz–para. Dla takiego stanu parametry ciśnienie nasycenia i temperatura nasycenia są ze sobą jednoznacznie powiązane: gdy rośnie ciśnienie, rośnie też temperatura nasycenia.

Kluczowe jest, że w tablicach parowych występują dwie różne objętości właściwe:

  • v' – objętość właściwa cieczy nasyconej (wody),
  • v'' – objętość właściwa pary nasyconej.

Dla cieczy nasyconej wzrost ciśnienia sam w sobie sprzyjałby niewielkiemu zmniejszeniu objętości (ściśliwość cieczy). Jednak na krzywej nasycenia jednocześnie rośnie temperatura, a efekt rozszerzalności cieplnej wody w tym zakresie zwykle przeważa nad ściśliwością. W konsekwencji v' rośnie, choć zmiana jest mała.

Dla pary nasyconej sytuacja jest odwrotna: przy wzroście ciśnienia faza gazowa ulega silnej kompresji, a dodatkowo rośnie jej gęstość. W rezultacie v'' maleje bardzo wyraźnie (zmiana może być rzędu wielu razy w typowych zakresach ciśnień kotłowych).

Dlatego poprawna zależność jakościowa to: objętość właściwa wody wzrasta, a objętość właściwa pary maleje. Odpowiedzi sugerujące, że obie wielkości rosną lub obie maleją, wynikają zwykle z błędnego uproszczenia (pominięcie wzrostu temperatury nasycenia) albo z przeniesienia intuicji o cieczach podchłodzonych na ciecz nasyconą. Wariant, w którym woda maleje, a para wzrasta, przeczy zarówno tablicom parowym, jak i fizyce sprężania pary.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
To układ, w którym jednocześnie występuje ciecz (woda) i para wodna w równowadze fazowej. Dla takiego stanu ciśnienie i temperatura są powiązane jako p nasycenia i T nasycenia, a własności faz opisuje się m.in. przez v' (ciecz) i v'' (para).
Wzdłuż krzywej nasycenia wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury nasycenia. To nie jest niezależna zmienna: stan nasycenia ma jednoznaczną zależność T(p). W praktyce odczytuje się ją z tablic parowych lub z modelu własności wody i pary.
Bo na krzywej nasycenia wraz z ciśnieniem rośnie także temperatura. Ciecze są słabo ściśliwe, więc efekt sprężania jest niewielki, a rozszerzalność cieplna przy wyższej temperaturze może przeważyć. Skutek: v' rośnie nieznacznie, co widać w tablicach parowych.
Para jako faza gazowa jest silnie podatna na kompresję. Gdy ciśnienie rośnie, gęstość pary wzrasta, więc objętość właściwa (m³/kg) maleje. W zakresie typowych ciśnień kotłowych spadek v'' jest bardzo duży i jest jednym z podstawowych wniosków z tablic parowych.
Najczęściej v' oznacza objętość właściwą cieczy nasyconej, a v'' oznacza objętość właściwą pary nasyconej. W tablicach dla pary nasyconej wybierasz ciśnienie (lub temperaturę), a następnie odczytujesz odpowiadające wartości v' i v'' dla obu faz.
Nie zawsze. Dla wody podchłodzonej (poza stanem nasycenia) często przyjmuje się, że wzrost ciśnienia zmniejsza objętość. Jednak dla cieczy nasyconej jednocześnie rośnie temperatura nasycenia, a rozszerzalność cieplna może dać efekt netto: v' lekko rośnie.
Najczęściej myli się: (1) ciecz nasyconą z cieczą podchłodzoną, (2) własności faz v' i v'' z "objętością w zbiorniku", (3) kierunek zmian obu wielkości – uczniowie wybierają odpowiedź, gdzie obie rosną lub obie maleją, pomijając różnice między cieczą i parą.
Ma znaczenie m.in. w doborze parametrów kotłów i armatury, ocenie gęstości pary w przewodach, szacowaniu prędkości przepływu i strat ciśnienia. Im mniejsze v'' (większa gęstość), tym inne są warunki przepływu oraz dobór średnic i elementów regulacyjnych.
Para nasycona ma parametry związane zależnością T(p) i odpowiada stanowi na granicy wrzenia. Para przegrzana ma temperaturę wyższą niż temperatura nasycenia dla danego ciśnienia. W praktyce rozróżnia się je przez porównanie T z T nasycenia z tablic; objętości właściwe w stanie przegrzanym odczytuje się z innych tabel.
Ćwicz rozpoznawanie stanu (nasycenie, przegrzanie, podchłodzenie) i odczyt podstawowych wielkości: T(p), v', v'', h', h'', s', s''. W zadaniach jakościowych zapamiętaj kierunki zmian: przy wzroście ciśnienia na nasyceniu zwykle v' lekko rośnie, a v'' mocno maleje.
info

Statystycznie 39% uczniów zna prawidłową odpowiedź. bardzo trudne

Źródła:

  • IAPWS: "Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam (IAPWS-IF97)", 2007 (with subsequent updates) – dokument źródłowy własności wody i pary
  • NIST Chemistry WebBook: Water (fluid properties) – sekcje właściwości termodynamicznych i odniesienia do danych nasycenia, https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7732185 (dostęp: 02.03.2026)
  • Wark K., Richards D.E.: "Thermodynamics" (rozdziały o własnościach pary wodnej i tablicach parowych; stan nasycenia i definicje v', v'') – podręcznik akademicki

Materiały:

  • Tablice parowe (para nasycona) – zestawienia v', v'', T(p)
  • Podstawy termodynamiki technicznej – rozdziały o stanie nasycenia i równowadze faz
  • Materiały dydaktyczne z obiegów parowych (Rankine’a) dla technika energetyka

Aktualizacja pytania: 31.03.2026



Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego