Как найти массу молекулы водяного пара

Жизнь на Земле невозможна без перехода воды в пар. Он присутствует в атмосфере всегда, в том или ином количестве. В некоторых ситуациях, человеку необходимо знать количество пара, содержащегося в воздухе, в текущий момент.

Чтобы это сделать, нужно знать массу водяного пара. Формула расчета, понятие о молярной и молекулярной массе, ее зависимость от давления и температуры, обо всем этом рассказывается в статье.

Что это такое?

Масса водного пара, находящегося в одном кубометре воздуха, носит название абсолютной влажности воздуха. В физике различают молярную и молекулярную массы веществ.

Молекулярная

Учитывая, что пар – это одно из агрегатных состояний воды, значит, молекулярная величина пара, равна молекулярной массе воды.

Вода является составным веществом, одна её молекула содержит две молекулы водорода и одну молекулу воды.

Различают относительную молекулярную и абсолютную молекулярную массу. Относительная молекулярная масса – это единица, не имеющая размерности, и отображающая отношение массы атома или молекулы к 112 массы атома углерода (¹²С).

Абсолютная молекулярная – это значение атома или молекулы вещества, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Значение а.е.м, принимаемое для расчетов, берут из периодической таблицы Менделеева.

Рассчитывают молекулярную массу пара следующим образом:

1. Ar (воды) = 2 x Ar (водорода) + Ar (кислорода).
2. Возьмем из таблицы Менделеева значения атомных величин водорода и кислорода, округлим их до целых чисел, и подставив значения в формулу, получим:
3. Ar (пара) = Ar (воды) = 2 x Ar (1,0) + Ar (16,0) = 18,0.
4. Итог: абсолютная молярная масса водяного пара равна 18,0 (а.е.м).

Молярная

Молярная масса воды – это молекулярный вес её 1 моль. Учитывая, что пар – одно из состояний воды, значит его молярная величина, равна молярной массе воды. Этот вид физических измерений не зависит от каких-либо других факторов и является величиной постоянной.

Рассчитывается величина путем деления молекулярной величины вещества на единицу его количества.

Молярная масса вещества, состоящего из различных атомов других веществ, может незначительно отличаться от молекулярной величины, если какой-либо из элементов, входящих в его состав имеет нестабильное состояние.

Зная молекулярную массу, довольно легко определить его молярное значение: Mr (пара) = Ar (пара) : 1000 = 0,018 Кгмоль.

Удельная

В физике, термин «масса» имеет отношение только к молекулярным величинам.

Удельное отношение показывает содержание весовых единиц в единице объема, поэтому такого понятия, как «удельная масса вещества» в физике не существует, однако есть понятие удельного веса.

Удельный вес вещества – величина, указывающая, сколько его килограммов содержится в одном кубометре объема. По-другому, удельный вес называется плотностью, и измеряется в КДжКг.

Какие факторы влияют на параметр?

На этот параметр оказывает влияние только один фактор – суммарная атомная масса двух молекул водорода и одной кислорода. На удельный вес водяного пара значительно влияют его температура и давление, под которым он находится в единице объема.

Как зависит от давления и температуры?

Учитывая молекулярную сущность термина «масса пара», можно сказать, что ни от давления, ни от температуры она не зависит. От указанных параметров зависит только его удельный вес.

При повышении давления, удельный вес возрастает:

• при давлении в 6 Бар, 1 м³ будет весить 3170 г.;
• 10 Бар – вес 5150 г.;
• 25 Бар – уже 12500 г.

Похожие изменения происходят с удельным весом пара воды и при повышении температуры – он становится больше.

Существует небольшая таблица зависимости веса пара от давления и температуры:

Как найти массу паров воды в воздухе?

Найти вес пара в единице объема воздуха можно, используя инструкцию, основанную на применении уравнения Клайперона-Менделеева: РV = mM * R*T.

Шаг 1. Переведем формулу для поиска массы: m = РV*M/R*T.

Шаг 2. Для определения давления пара Р, применяется формула вычисления относительной влажности воздуха φ: φ = P/Pн. Давление будет: P = Pн*φ.

Шаг 3. Для получения корректных значений, необходимо все используемые значения перевести в одну систему единиц – температуру в значения по шкале Кельвина, а проценты относительной влажности в единичные доли.

Шаг 4. Выражение из шага №2, необходимо подставить в формулу из шага №1: m = Pн*φ*V*M/R*T. Проведя математические действия, получают искомое значение в килограммах.

Пример расчета

Определить вес водяного пара в 1 кубометре воздуха при нормальном атмосферном давлении, температуре 26˚С и относительной влажности 61%. Давление пара при 26˚С, составляет 3168 Па:

1. Выпишем данные: V = 1 м³; T = 26˚С; φ = 61%; Pн = 3168 Па; m — ?
2. Переведем величины: 26˚С = 299 К, и 61% = 0,61.
3. Подставим данные в формулу из шага №4 инструкции: m = Pн*φ*V*M/R*T = 0,61*3168*1*0,018 8,31*299 = 0,0138 Кг.

Получаем ответ: Вес водяного пара в 1 кубометре воздуха при нормальном атмосферном давлении, температуре 26˚С, и относительной влажности 61%, составляет 0,0138 кг.

Определение массы водяных паров, видео-инструкция:

Где в быту используются знания?

Водяной пар широко используется в промышленности и других областях деятельности человека:

1. Добыча и переработка нефти – его закачивают в скважины для повышения их продуктивности путем снижения вязкости нефти. Им прогревают трубопроводы, резервуары. На НПЗ он применяется для увеличения количества отбора светлых нефтепродуктов (бензин, керосин).
2. Производство электроэнергии – применяют в ТЭЦ для вращения паровых турбин, а после отработки, в виде горячей воды закачивают в системы ГВС и отопления.
3. Химическая промышленность – им разогревают гальванические ванны, используют его для ускорения процесса синтеза некоторых материалов.
4. Деревообработка и производство бумаги – при его помощи разогревают дерево перед различными типами обработки: «раскрутка» ствола при производстве шпона, разделка дерева для получения целлюлозы и бумаги.
5. Строительство – сушат железобетонные изделия, прогревают инертные материалы, увеличивают прочность газобетона сушкой паром в автоклавах.
6. ЖКХ – разморозка трубопроводов, канализации и других конструкций в зимний период.
7. Пищевая промышленность – стерилизация и пастеризация продуктов, их размораживание и варка.
8. Судоходство и другие отрасли транспорта – использование в паровых турбинах и в системах парового пожаротушения.

Множественное применение нашел пар и в быту – приготовление еды в пароварках, парилки в банях, глажка одежды. Измерение его веса в быту вряд ли будет иметь место, но знание этого процесса никому не помешает.

Заключение

Подводя итог, можно сделать вывод – знание веса пара воды необходимо при расчетах паропроводов в системах энергетики, конструкций, работающих в других отраслях промышленности.

Необходимы такие знания и при расчете некоторых типов бытовых приборов. Несложные по своей сути, такие расчеты вполне по силам любому грамотному человеку.

Решение.
Определим массы молекул водорода и водяного пара:

[ {{m}_{0}}=frac{M}{{{N}_{A}}} (1). ]

N_А = 6,02∙10²³ моль^-1  – число Авогадро, М(Н₂) = 2∙10^-3 кг/моль, М(Н₂О) = 18∙10^-3 кг/моль.
m₀(Н₂) = 0,33∙10^-26 кг, m₀(Н₂О) = 2,99∙10^-26 кг.
При нормальных условиях Т = 273 К.
Наиболее вероятная скорость определяется по формуле:

[ {{upsilon }_{B}}=sqrt{frac{2cdot Rcdot T}{M}} (2). ]

υ_В(Н₂) = 1506,2 м/с, υ_В(Н₂О) = 502,1 м/с.
Средняя арифметическая скорость определяется по формуле:

[ {{upsilon }_{CA}}=sqrt{frac{8cdot Rcdot T}{pi cdot M}} (3). ]

υ_СА (Н₂)= 1699,9 м/с, υ_СА (Н₂О)= 566,66 м/с.
Средняя квадратическая скорость определяется по формуле:

[ {{upsilon }_{K}}=sqrt{frac{3cdot Rcdot T}{M}} (4). ]

υ_к(Н₂)= 1844,7 м/с, υ_к (Н₂О)= 614,9 м/с.