При нагревании воды в котле температура ее будет постепенно повышаться до 100°С. Затем вода закипает и образуется пар. Давление такого пара равно атмосферному, а температура его, как и температура воды, будет равна 100°С; каждому давлению соответствует вполне определенная температура кипения. Пар, находящийся над поверхностью кипящей воды, называется влажным насыщенным паром, он всегда содержит некоторое количество капельной воды.
Отношение массы воды, содержащейся во влажном насыщенном паре, ко всей массе влажного насыщенного пара называется степенью влажности пара. Одним из свойств насыщенного пара является то, что он имеет при определенном давлении соответствующие этому давлению температуру, теплосодержание и плотность.
В случае же понижения температуры происходит обратный процесс превращения пара в воду — его конденсация. Так как каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное давление, то при конденсации пара с понижением температуры соответственно снижается и его давление. Это свойство насыщенного пара является большим его недостатком, так как конденсация увеличивает потери тепла при протекании пара в паропроводах и цилиндрах, а скопление воды может вызвать повреждение машины.
Если же влажному, насыщенному пару сообщить тепло в отделенном от воды объеме, то взвешенные в нем частицы воды будут испаряться, т. е. пар станет сухим насыщенным, но температура его будет соответствовать температуре парообразования при данном давлении. Отношение массы сухого насыщенного пара ко всей массе влажного пара называется степенью сухости пара.
При дальнейшем сообщении тепла сухому насыщенному пару начинается повышение температуры пара, его плотности, давления и удельного объема. Пар становится перегретым со следующими его свойствами и преимуществами. При получении перегретого пара из насыщенного его теплота состоит из теплоты насыщенного пара и теплоты перегрева. При этом давлению насыщенного пара соответствует только одна температура, а перегретый пар при определенном давлении может иметь более высокую температуру. Перегретый пар одинакового давления с насыщенным паром имеет меньшую плотность, более высокую температуру и большее теплосодержание.
Перегретый пар при охлаждении не конденсируется пока его температура не понизится до температуры насыщенного пара при данном давлении. Перегретый пар более подвижен, чем насыщенный, имеет больший удельный объем, т. е. объем 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому при тех же размерах цилиндров машины требуется перегретого пара меньше, чем насыщенного, для получения одной и той же мощности. Это позволяет иметь меньший расход пара и получить экономию воды и топлива. Температура перегрева пара на современных паровозах примерно 360—450°С. Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз.
Процесс перегрева пара на паровозе заключается в том, что пар из парового пространства котла через паросушитель поступает в элементы пароперегревателя, где перегревается с давлением, равным котловому. Этот процесс позволяет пару расширяться, т. е. увеличивать свой объем при постоянном давлении. Данное свойство важно еще и потому, что для работы пара в цилиндре паровой машины важна не его масса, а объем. Кроме того, применение перегретого пара значительно уменьшает потери на теплообмен со стенками цилиндров в паровой машине. При повышении перегрева на каждые 10°С экономится около 1% топлива и столько же воды. Первый паровоз с перегретым паром был построен Коломенским паровозостроительным заводом в 1902 г.