"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Опреснение морской воды — получение воды с меньшим содержанием растворённых солей. Для этого морскую воду нагревают: вода испаряется, а соль остаётся в сосуде. Затем водяной пар охлаждают и превращают в жидкость. Такой способ называют перегонкой. Он позволяет разделить воду и соль, но требует значительной энергии на испарение, поэтому важно использовать тепло экономно, например тепло пара или солнечное нагревание.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Опреснение морской воды — удаление из неё растворённых солей, чтобы получить воду с меньшей солёностью. Иными словами, состав воды изменяют так, чтобы в ней стало значительно меньше соли. Опреснение нужно, когда пресной воды недостаточно, например в засушливых районах или на морских судах.
Перегонка — способ разделения смеси, при котором жидкость испаряют, а затем охлаждают и конденсируют образовавшийся пар. Разные компоненты смеси ведут себя при нагревании неодинаково. В случае морской воды этот способ позволяет отделить воду от растворённых солей.
Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное с поверхности жидкости. При опреснении испаряются молекулы воды, которые затем можно собрать отдельно. Именно этот этап переносит воду из солёной смеси в пар.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при охлаждении. В установке конденсация возвращает водяной пар в жидкое состояние. Благодаря ей опреснённую воду можно собрать, а не потерять в окружающем воздухе.
Морская вода содержит растворённые соли, поэтому её нельзя просто пропустить через обычный фильтр. Частицы нерастворимых примесей фильтр задерживает, а растворённые вещества проходят через его поры вместе с водой. Значит, для разделения нужно использовать не размер частиц, а различие в способности компонентов переходить в пар.
При нагревании морской воды испаряются молекулы воды, потому что они получают энергию и покидают поверхность жидкости. Растворённые соли в обычных условиях такого нагревания в пар вместе с водой не переходят. Поэтому в испарителе остаётся раствор, в котором доля соли постепенно увеличивается.
Образовавшийся водяной пар направляют в более холодную часть установки. При соприкосновении с охлаждёнными стенками пар отдаёт энергию окружающей среде. Из-за потери энергии молекулы воды сближаются, и газ превращается в жидкость — происходит конденсация.
После конденсации вода собирается отдельно от исходного раствора. В ней соли намного меньше, чем в морской воде, хотя абсолютно идеальное разделение в реальной установке может быть недостижимо. В испарителе остаётся более концентрированный соляной раствор, который нельзя смешивать с полученной водой.
На испарение воды требуется энергия, поскольку молекулам нужно преодолеть притяжение и перейти в газообразное состояние. Поэтому простое нагревание больших объёмов морской воды обходится дорого. Расход энергии уменьшают, используя тепло конденсирующегося пара повторно или применяя солнечное нагревание.
В таблице удобно прослеживать судьбу каждого компонента смеси на всех этапах. Сначала найдите состояние воды, затем посмотрите, где остаётся соль и какой результат даёт этап обработки. Такая последовательность помогает не путать испарение с конденсацией.
| Этап | Состояние воды | Где находятся соли | Что происходит |
|---|---|---|---|
| Морская вода до нагревания | Жидкость | Растворены в воде | Исходная смесь |
| Испарение | Вода переходит в пар | Остаются в испарителе | Смесь разделяется |
| Конденсация | Пар охлаждается и становится жидкостью | В основном остаются в испарителе | Образуется опреснённая вода |
Объясните, почему при перегонке морской воды соль остаётся в нагреваемом сосуде. Нужно проследить не за всей установкой сразу, а отдельно за водой и солью. Решение основано на различии их поведения при нагревании.
Ответ: соль остаётся в нагреваемом сосуде, потому что при обычной перегонке испаряется вода, а соль в пар не переходит.
В установке нагрели морскую воду, а пар охладили в отдельной трубке. Укажите, где окажутся вода и соль после процесса. Здесь важно расположить события по порядку: нагревание, перенос пара и охлаждение.
Ответ: опреснённая вода окажется в холодной части установки или в сборнике, а соль останется в испарителе.
Для получения 0,5 кг опреснённой воды требуется сообщить ей при испарении удельную теплоту парообразования 2,3 МДж/кг. Оцените необходимое количество теплоты, не учитывая потери. Используем формулу Q = Lm, потому что известны удельная теплота парообразования и масса воды.
Ответ: без учёта потерь потребуется 1,15 МДж, или 1,15 · 10⁶ Дж теплоты.
Считать, что при кипении соль тоже испаряется вместе с водой. Так думают, потому что соль была растворена в исходной жидкости. Проверка проста: при обычной перегонке соль должна остаться в испарителе, а в сборнике появляется главным образом вода.
Путать испарение с конденсацией. Ошибка возникает из-за того, что оба процесса связаны с паром. Проверьте направление перехода: при испарении жидкость становится газом, а при конденсации газ превращается в жидкость.
Полагать, что для опреснения достаточно нагреть воду. Нагревание только переводит воду в пар и ещё не даёт готовой жидкой воды. Нужно убедиться, что пар направлен в холодную часть установки и там собран после конденсации.
Не учитывать большие затраты энергии на испарение. Иногда нагревание считают почти бесплатным этапом, хотя переход жидкости в пар требует значительной теплоты. При расчёте проверьте формулу Q = Lm и единицы измерения величин.
До изучения опреснения нужно знать агрегатные состояния вещества, а также испарение и конденсацию. Эти процессы объясняют, почему вода может переходить из морской смеси в пар, а затем возвращаться в жидкость. Без них последовательность работы установки будет непонятна.
Тема связана с удельной теплотой парообразования и расчётом количества теплоты. Формула Q = Lm показывает, сколько энергии нужно для испарения заданной массы воды. Она позволяет оценивать затраты даже в упрощённых задачах.
Опреснение пригодится при изучении тепловых установок, способов разделения смесей и обеспечения пресной водой. На практике приходится не только разделять вещества, но и уменьшать расход энергии. Поэтому перегонку рассматривают как физический процесс и как инженерную задачу.
Почему морскую воду нельзя опреснить обычным фильтром?
Соль в морской воде находится в растворённом состоянии, а её частицы проходят через обычный фильтр вместе с водой. Фильтр задерживает крупные нерастворимые примеси, но не отделяет растворённые вещества.
Почему соль не попадает в пар при перегонке?
При обычном нагревании в пар переходят главным образом молекулы воды. Растворённая соль в этих условиях не испаряется вместе с водой и остаётся в нагреваемом сосуде.
Как из водяного пара снова получить жидкую воду?
Пар направляют в более холодную часть установки. При охлаждении происходит конденсация: водяной пар превращается в жидкую воду.
Остаётся ли соль в установке после опреснения?
Да, основная часть соли остаётся в испарителе — сосуде, где нагревают морскую воду. Оставшийся раствор становится более концентрированным.
Почему перегонка морской воды требует больших затрат энергии?
Чтобы превратить воду в пар, ей нужно сообщить значительное количество теплоты. Энергию можно частично сэкономить, используя тепло конденсирующегося пара или солнечное нагревание.
8. Опреснение морской воды
