W dziedzinie chemii pojęcia pary nasyconej i suchej odgrywają fundamentalną rolę nie tylko w kwestiach czysto teoretycznych, ale także w ich bezpośrednich zastosowaniach w sektorze przemysłowym.
Przede wszystkim, aby lepiej zrozumieć różnicę między tymi dwoma pojęciami, warto przypomnieć dokładną definicję pary wodnej.
Woda, podobnie jak materia w bardziej ogólnym sensie fizycznym, może znajdować się w różnych stanach: najczęstsze z nich, przynajmniej w praktyce, to stan stały (w przypadku wody, lodu), stan ciekły i stan lotny. Para wodna odpowiada właśnie temu ostatniemu stanowi.
Nie oznacza to jednak, że nie ma związku między różnymi stanami materii lub że każdy z tych stanów jest zawsze w dokładnie takim samym stanie. W rzeczywistości, jeśli materiał zostanie poddany pewnej zmianie ciśnienia i/lub temperatury, może wystąpić tak zwane przejście fazowe. W ten sposób liczne wiązania chemiczne, które wiążą cząsteczki rozważanego materiału, zostaną albo zerwane (na przykład przy przejściu ze stanu stałego do ciekłego), albo utworzone (jak w przypadku przejścia z postaci lotnej do ciekłej). To właśnie ta reasocjacja molekularna stanowi kluczową różnicę między różnymi typami stanów i podstanów.
Rozważmy zatem przykład, aby wprowadzić ideę pary nasyconej. Przy ciśnieniu 1 atmosfery (ok. 101325 paskali), tj. ciśnieniu, jakie wywiera powietrze swoim ciężarem na poziomie morza i w temperaturze 0°C, woda wrze w temperaturze 100°C. Oznacza to, że w tej temperaturze cząsteczki wody zaczynają rozrywać wiązania chemiczne i przekształcają się w parę wodną. Oznacza to, że w tej temperaturze cząsteczki wody znajdujące się w stanie ciekłym zaczynają zrywać swoje wiązania chemiczne i przekształcają się w parę wodną. Jednak przemiana chemiczna, która powoduje tak radykalną zmianę, oczywiście nie zachodzi od razu. Proces ten wymaga etapu pośredniego: temperatura musi pozostać stała, przynajmniej przez krótki czas, na poziomie 100°C. Gdy temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie 100°C, woda znajduje się dokładnie pomiędzy dwoma stanami, ciekłym i powietrznym, a cząsteczki, które powinny zerwać wiązania, są w równej liczbie z tymi, które powinny tworzyć nowe. Ten szczególny stan wody nazywany jest parą nasyconą.
To samo dotyczy ogólnego przypadku, nie tylko gdy ciśnienie jest ustalone na poziomie 1 atmosfery. Jedyną rzeczą, o której należy pamiętać w takiej sytuacji, jest zmiana temperatury wrzenia wody (generalnie różnica jest minimalna, z wyjątkiem dość dużych wysokości lub oczywiście miejsc, w których ciśnienie jest monitorowane w inny sposób).
Zauważyliśmy, że ten stan gdzieś pomiędzy cieczą a powietrzem powoduje powstanie pewnego rodzaju pary, pary nasyconej, która sama w sobie zapewnia wiele korzyści (jak zostanie wyjaśnione poniżej, jej wysoka temperatura pozwala na eliminację bakterii). Możliwe jest jednak poprawienie stopnia dokładności naszej analizy i rozróżnienie dwóch kolejnych rodzajów pary nasyconej:
- sucha para nasycona (często nazywana w skrócie parą suchą);
- mokra para nasycona (często nazywana w skrócie parą mokrą).
Rozróżnienie między tymi dwoma etapami wynika z obecności lub braku „kropelek”: jak pokazuje doświadczenie, na przykład para w naczyniu wytwarza małe kropelki, które pokrywają materiał, podobnie jak ma to miejsce w przypadku mgły. Pojawienie się tych kropelek oznacza obecność maksymalnej ilości cieczy (jest to część nasyconej pary, która zamyka w sobie cząsteczki przygotowujące się do utworzenia wiązań i pozostania w stanie ciekłym), dlatego nazywa się ją mokrą parą. Drugi etap, z drugiej strony, nie wytwarza kropelek i reprezentuje pozostałą część cząsteczek. Jest to sucha para.
Istnieje również inna faza, która może być przydatna w sektorze przemysłowym, a jest nią para przegrzana. W przeciwieństwie do poprzednich, ta para jest uzyskiwana w stanie nierównowagi: gdy temperatura zostanie znacznie podniesiona, a temperatura wrzenia zostanie przekroczona, nie ma już cieczy do odparowania i znajdujemy się w swego rodzaju „zastoju”.
Izoterma to nazwa nadana krzywej reprezentującej przemiany termiczne zachodzące w płaszczyźnie podobnej do tej na rysunku, gdzie odcięte reprezentują objętość V, a rzędne, jako funkcja V, reprezentują ciśnienie P. Powyższa płaszczyzna jest często określana jako płaszczyzna Clapeyrona lub po prostu wykres objętościowo-ciśnieniowy.
Zastosowanie nasyconej i suchej pary do czyszczenia, odtłuszczania i dezynfekcji
Zacznijmy od zalet suchej pary nasyconej w porównaniu ze zwykłą parą i parą mokrą. Zastosowanie suchej pary, dzięki jej wysokiej temperaturze, pozwala wyeliminować bakterie obecne na powierzchni (w rzeczywistości jedyne bakterie zdolne do życia w wysokich temperaturach nazywane są termofilami i nie mogą przetrwać poza okolicami wulkanów lub podobnych obszarów). Zapewnia to dokładną dezynfekcję, co w połączeniu z poziomem wilgotności suchej pary skutkuje dokładnym czyszczeniem. Można powiedzieć, że cząsteczki brudu niemal „unoszą się” w kontakcie z suchą parą, co ułatwia ich usuwanie. Ciśnienie dodatkowo optymalizuje proces i poprawia wydajność.
Z drugiej strony, uciążliwa obecność cieczy w mokrej parze sprawia, że jej zastosowanie do czyszczenia powierzchni jest mało przydatne. Wynika z tego, że z punktu widzenia higieny stosowanie suchej pary jest niezbędne (szczególnie w ostatnich latach, od czasu pojawienia się koronawirusa).
Z drugiej strony, para w ogólnym znaczeniu nie ma wystarczająco wysokiej temperatury do tego celu, a zatem jest również nieskuteczna. Podobny wniosek nadal obowiązuje w kontekście pary przegrzanej, która choć bardzo przydatna do wykonywania skoków termicznych w wielu maszynach, nie zapewnia optymalnych wyników z analizowanego punktu widzenia.
Podsumowując, powyższa dyskusja pokazuje, że sucha para jest wyraźnie lepsza pod względem odkażania i czyszczenia w porównaniu z pozostałymi dwoma stanami. Ponadto należy podkreślić kolejną zaletę suchej pary: nie zanieczyszcza środowiska i zużywa niewiele energii. W rzeczywistości mycie wstępne, mycie i płukanie klasycznego cyklu zakończonego dezynfekcją są włączone do fazy czyszczenia suchą parą, co zmniejsza ilość odpadów. W ujęciu liczbowym, tradycyjna maszyna hydro-jet zużywa od 1500 do 2000 litrów wody na godzinę, podczas gdy generator pary zużywa tylko 10. Korzyści, nawet na tym froncie, są oczywiste.
ŹRÓDŁA: [1] William D. Wise (2005). "Sukces w sterylizacji parowej" Przetwarzanie chemiczne. [2] "Warunki pary nasyconej a przegrzanej". nationwideboiler.com [3] Song, L.; Wu, J.; Xi, C. (2012). "Biofilmy na powierzchniach środowiskowych: Ocena skuteczności dezynfekcji nowego systemu parowego". American Journal of Infection Control. Vol. 40, Issue 10, 926-930.
