Как найти плотность пара в комнате

Плотность – физическая характеристика, присущая твердым, жидким и газообразным веществам.

В статье рассказывается о том, что такое плотность насыщенного пара, ее зависимость от различных условий среды. Дополнительно приведена таблица плотности по температуре, формула и примеры расчета этого параметра.

Что это за параметр, в чем измеряется, как обозначается?

Плотностью вещества называют физическую величину, которая указывает на отношение массы к занимаемому объему. Для насыщенного пара, простыми словами, это общее количество газа на единицу занимаемого им объема.

Единицей измерения плотности является кг/м3- килограмм на кубический метр (по системе СИ) или г/см3-грамм на кубический сантиметр (по системе СГС). Обозначается данная величина буквой «p».

Плотность насыщенного пара всегда приравнивается к уровню абсолютной влажности. Связано это с тем, что для данного вида пара свойственно насыщение молекулами воды, которые и повышают плотность.

От чего зависит?

Значение плотности насыщенных паров зависит от нескольких факторов:

1. Температура. С ее повышением увеличивается плотность пара, так как прослеживается рост числа молекул насыщения.
2. Атмосферное давление. Чем оно выше, тем плотность меньше. Связано это с уменьшением числа свободных молекул, покидающих поверхность воды.

   Также стоит учесть, что при снижении давления, плотность растет, так как снижается температура кипения, увеличивается парообразование и уровень насыщения.

3. Температура внешней стенки (сосуда). Увеличивает конденсацию, снижает общую температуру жидкости, приводит к дисбалансу динамического равновесия. В следствии этих факторов, снижается плотность пара.

Также стоит учесть, что плотность насыщенного пара зависит от примесей других газов и твердых частиц в нем. Примеси снижают плотность самого пара, так как увеличивают конденсацию при сниженном уровне насыщения.

Как изменяется при изменении температуры?

Плотность насыщенного пара прямо зависит от температуры:

1. При понижении температуры прослеживается уменьшение плотности. Связано это с тем, что замедляется процесс парообразования и насыщения пара. Молекулы воды теряют энергию и скорость выхода с поверхности воды, а значит перестают насыщать пар.
2. При увеличении температуры плотность растет прямо пропорционально. Связано это с увеличением скорости насыщения среды до уровня 100%. При достижении этого уровня, наступает фазовый переход из газообразного состояния в жидкое (конденсация). Фазовый переход обусловлен термодинамическим равновесием между паром и водой. При таком условии, плотность стабилизируется без дальнейшего роста.

Рост и стабилизация плотности с увеличением температуры возможна только до температуры кипения воды. Дальнейший нагрев снижает плотность, так как выпаривает молекулы воды из пара, делая его перегретым.

Таблица зависимости

Зависимость плотности от температуры легко проследить по приведенной таблице:

По таблице можно проследить рост плотности от отрицательной к положительной температуре.

Увеличение связано с ростом количества свободных молекул воды, насыщающих пар. При отрицательной температуре низкая плотность связана с кристаллизацией молекул воды и отсутствием конденсации.

Как определить?

Рассмотрим, как рассчитать параметр.

Формула и правила расчета

Для вычисления плотности вещества используется формула:

Выражение состоит из следующих значений:

• «p» — плотность вещества;
• «F» — абсолютная влажность воздуха (г/м3);
• «m» — его масса (грамм-килограмм);
• «V» — занимаемый объем (см3-м3).

Так как у насыщенного пара плотность связана с уровнем влажности, то данный параметр может быть рассчитан с использованием выражения:

Уравнение состоит из:

• «ф» — абсолютная влажность;
• «p» — плотность пара;
• «pо» — плотность насыщения;
• «100%» — относительная влажность.

При использовании формулы стоит учитывать зависимость плотности от температуры и использовать табличные значения этого параметра.

Несколько примеров

Формулу расчета плотности очень просто использовать для решения задач.

Задача:

1. Масса водяного пара 250 г.
2. Объем пара 300 м3.
3. Плотность неизвестна.

Решение:

1. P=m/v=грамм/м3.
2. P=250/300=0,83 г/м3.

Ответ: плотность насыщенного пара, массой 250 г и объемом 300 м3 составляет 0,83 г/м3.

Задача:

1. Масса водяного пара 700 г.
2. Объем пара 150 м3.
3. Плотность пара в кг/м3 неизвестна.

Решение:

1. P=m/v=грамм/м3.
2. P=700/150=4,66 г/м3 или 0,0046 кг/м3.

Ответ: плотность насыщенного пара массой 700 г и объемом 150 м3 составляет 0,0046 кг/м3

Где используют знания в жизни?

Знания о плотности насыщенного пара используются в метеорологии и инженерии.

Метеорологи применяют расчет плотности для установления уровня насыщения атмосферы влагой.

Также расчет помогает контролировать испарения естественных источников в разные периоды года и устанавливать скорость испарения при различных температурах.

Инженеры применяют данные знания при проектировании:

• отопительных и охладительных систем,
• вентиляции,
• очистительного оборудования.

Плотность помогает рассчитать оптимальный уровень насыщения системы влагой.

Заключение

Плотность насыщенного пара имеет прямую зависимость от температуры, давления и наличия термодинамического равновесия с исходной водой.

Такая зависимость позволяет рассчитать климатические изменения в разный период, а также решить множество задач при проектировании климатических систем.

Условие задачи:

В комнате объемом 200 м³ относительная влажность воздуха при 20° С равна 70%. Определите массу водяных паров в воздухе комнаты, если плотность насыщенного пара при 20° С равна 17,3 г/м³.

Задача №4.4.9 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(V=200) м³, (t=20^circ) C, (varphi=70%), (rho_н=17,3) г/м³, (m-?)

Решение задачи:

Чтобы определить всю массу водяных паров (m), содержащихся в воздухе, нужно плотность паров (rho) умножить на объем (V).

[m = rho V;;;;(1)]

Относительная влажность воздуха – это выраженное в процентах отношение плотности паров (rho) при данной температуре к плотности насыщенных паров (rho_н) при той же температуре.

[varphi  = frac{rho }{{{rho _н}}} cdot 100% ]

Выразим плотность пара (rho) и подставим выражение в формулу (1).

[rho  = frac{{varphi {rho _н}}}{{100% }}]

[m = frac{{varphi {rho _н}V}}{{100% }}]

Переведём плотность насыщенного пара (rho_н) в систему СИ:

[17,3;г/м^3 = 17,3 cdot {10^{ – 3}};кг/м^3]

Численно масса водяных паров равна:

[m = frac{{70%  cdot 17,3 cdot {{10}^{ – 3}} cdot 200}}{{100% }} = 2,422;кг = 2422;г]

Ответ: 2422 г.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

4.4.8 Найти массу водяного пара, содержащегося в спортивном зале объемом 1100 м3
4.4.10 При температуре 22 C относительная влажность воздуха равна 60%. Найти относительную
4.4.11 В комнате размером 10x5x3 м3 поддерживается температура 293 К, а точка росы 283 К

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

---

---

Расчеты, связанные с водяным паром

Задача 32.
В комнате объемом 45 м³ при температуре 25,0 °С относительная влажность воздуха равна 70% или 0,7. Определите массу водяного пара в комнате, если давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно 3,17 кПа.
Решение:
Массу водяного пара в комнате можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона.

pV = (m/M ^. RT), где

р — давление насыщенного водяного пара; V — объем пара; М — молярная масса пара; R — газовая постоянная; Т — температура пара.

Температура, объем и молярная масса пара известны. Для определения давления водяного пара используем формулу относительной влажности.

ф = р/р_н, из которой р = фр_н.

При подставлении значения давления (фр_н) в уравнение Клапейнона-Менделеева, то найдем массу пара m, получим: 

фр_нV = (m/M ^. RT)

откуда

m = фр_нVM/RT = [0,7 ^. (3,17 ^. 10³) ^.45 ^. (18 ^. 10^-3)]/(8,31 ^. 298) = 0,738 кг = 738 г.

Ответ: масса водяного пара в комнате составляет 738 г.
 

---

Задача 33. 
В комнате объемом 20,0 м³ температура воздуха равна 20,0 °С, а его относительная влажность составляет 20,0 %. Какое количество воды следует испарить, чтобы относительная влажность воздуха в комнате достигла 60,0 %? Известно, что при 20,0 °С давление насыщенного пара равно 2,33 кПа, молярная масса воды составляет 18,0 г/моль.
Решение: 
Масса водяного пара в воздухе определяется следующими формулами:

при влажности ф₁ = 20 %:

m₁ = р₁V, где 

р₁ — плотность водяного пара в воздухе при влажности 20 %; V — объем комнаты;

при влажности ф₂ = 50%:

m₂ = р₂V, где 

р₂ — плотность водяного пара в воздухе при влажности 60 %.

Масса воды, которую следует испарить для повышения влажности воздуха, определяется разностью

∆m = m₂ — m₁, или, в явном виде, ∆m = р₂V — р₁V = (р₂ — р₁)V.

Плотность водяного пара при увеличении влажности увеличивается и определяется следующими формулами:

при влажности ф₁ = 20%:

ф₁ = p₁M/RT, где 

p₁ — давление ненасыщенного водяного пара при влажности 20%; M — молярная масса водяного пара (воды); R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ^. К); T — температура воздуха, T = 273 + 20 = 293 K;

при влажности ф₂ = 50%:

ф₂ = p₂M/RT, где 

p₂ — давление ненасыщенного водяного пара при влажности 60 %.

Формула для расчета искомой величины принимает вид:

∆m = p₂M/RT — p₁M/RT = (p₂ — p₁)VM/RT.

Давления ненасыщенного водяного пара найдем из формулы ф = (p ^. 100 %)/p₀:

при влажности ф₁ = 20%:

 p₁ = ф₁p₀/100%, где 

р₁ — первоначальная влажность воздуха, ф₁ = 20%; p₀ — давление насыщенного пара при температуре T = 293 К;

при влажности ф₂ = 60%:

p₂ = ф₂p₀/100%, где 

ф₂ — влажность воздуха после испарения некоторого количества воды, ф₂ = 60 %.

Подстановка полученных выражений в формулу для ∆m дает:

∆m = (ф₂ — ф₁)/100% ^. p₀VM/RT.

Вычислим:

∆m = (60,0% — 20,0%)/[100% ^. (2,33 ^. 10³) ^. 20,0 ^. (18,0 ^. 10^-3)/(8,31 ^/ 293) = 137,8 ^. 10^-3 кг = 137,8 г.

Ответ: Для указанного повышения влажности воздуха в комнате необходимо испарить 137,8 г воды.
 

---

Задача 34.
Определить состояние водяного пара, находящегося под давлением p_п = 246660 Па, если его температура составляет:
а) t₁ = 115 °С; б) t₂ = 132 °С.
Решение: 
Согласно табличным данным, давлению p_п = 246,66 кПа соответствует температура насыщения t_н = 127°С. Поскольку t₁ < t_н, то в первом случае пар является влажным. Для второго случая t₂ > t_н, т.е. пар является перегретым.

Таким образом, водяной пар при температуре 115 °С является влажным, а пар при температуре 132 °С — перегретый.

Ответ: а) влажный; б) перегретый.
 

---

Задача 35. 
Водяной пар, имеющий температуру t = 150 °С, находится под давлением pп = 0,4 МПа. Определить степень его насыщенности.
Решение: 
По табличным данным, применив метод интерполяции, определяем, что температуре t = 150°С соответствует давление насыщения p_н = 475722 Па. Далее, использовав формулу:

ф = p_п/p_н, где

ф — степень насыщенности пара; p_п — давление пара (плотность перегретого пара);  p_н — давление насыщенного пара воды (плотность насыщенного пара).

Находим степень насыщенности пара, получим:

ф = p_п/p_н = 400000/475722 = 0,84.

Ответ: ф = 0,84.

---

Как определить плотность насыщенного пара

Для насыщенного пара над жидкостью справедливо уравнение Менделеева-Клапейрона. Поэтому, зная температуру, можно рассчитать плотность насыщенного пара. Она увеличивается с повышением температуры и не зависит от объема жидкости.

Вам понадобится

• – бумага;
• – калькулятор;
• – ручка;
• – давление газа (из условия задачи или в таблице);
• – температура, при которой нужно определить плотность
• – периодическая таблица Менделеева.

Инструкция

Запишите на бумаге уравнение Менделеева-Клапейрона для идеальных газов: PV=(m/M)RT . Его можно использовать и для насыщенного пара, но как только плотность газа становится сравнимой с плотностью насыщенного пара, данное уравнение нельзя использовать в расчете – оно покажет неверный результат. Другим газовым законам насыщенный пар не подчиняется.

Из записанного уравнения выведите плотность насыщенного пара. Она равна массе, деленной на объем. Поэтому уравнение преобразуется: P= (p нас. пара/M)RT. Отсюда можно записать формулу для нахождения плотности насыщенного пара: p= PM/RT . Здесь P – это давление газа. Его табличное значение обычно дается в условии задачи и зависит от температуры. Если не дано, то найдите в таблице для вашей температуры. R – это универсальная газовая постоянная, равна 8,31 Дж/(К*моль).

Если вам известна температура в градусах Цельсия, то переведите ее в градусы Кельвина (обозначается К). Для этого прибавьте 273 к известной температуре, так как -273 – это абсолютный ноль по шкале Кельвина.

Найдите молярную массу жидкости M. Ее можно рассчитать с помощью периодической таблицы Менделеева. Молярная масса вещества численно равна молекулярной. Найдите в таблице значения атомных масс всех элементов, содержащихся в веществе, и умножьте на количество соответствующих атомов в молекуле. Сумма полученных значений даст молекулярную массу вещества.

Подставьте в последнее выражение все известные значения. Давление P нужно подставлять в Па. Если по условию дано в кПа, то умножьте его на 1000. Молярную массу при подстановке переведите в кг/моль (разделите на 1000), так как в периодической таблице она дана в г/моль. С помощью калькулятора рассчитайте значение плотности насыщенного пара. Результат получается в кг/м3.

Источники:

• плотность пара

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?