Концентрация водяного пара как найти

Водяной пар.

Водяной пар – газообразное агрегатное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха.

Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара

Насыщенный и ненасыщенный водяной пар. Влажный и сухой пар. Пересыщенный и перегретый пар

Образование водяного пара. Конденсация водяного пара

Использование водяного пара

Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара:

Водяной пар – газообразное агрегатное состояние воды.

Водяной пар не имеет цвета, вкуса и запаха.

Водяной пар, как и вода, – это бинарное неорганическое соединение с химической формулой H₂O.

Молекула водяного пара, как и молекула воды, состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.

Водяной пар содержится в воздухе – в атмосфере Земли (в основном в тропосфере). Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,25  % по массе от массы всей атмосферы Земли. Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) по объему (в пересчете на сухой воздух) значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах.

Водяной пар легче и менее плотный, чем сухой воздух. Так, плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм.) и температуре 0 °C составляет 1,292 кг/м³ (или 0,001292 г/см³), при температуре 20 °C – 1,2041 кг/м³ (или 0,0012041 г/см³). Плотность водяного пара при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм.) и температуре 0 °C составляет 0,803 кг/м³ (или 0,000803 г/см³), при температуре 20 °C – 0,749 кг/м³ (или 0,000749 г/см³).

Плотность водяного пара (m/V) находится с использованием уравнения Клайперона – Менделеева (уравнения состояния идеального газа):

где

p – давление газа,

V – объём газа,

R – универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,314 Дж/(моль⋅К),

T – термодинамическая температура газа, К,

m – масса газа,

M – молярная масса газа,

m/V – плотность газа.

.

Насыщенный и ненасыщенный водяной пар. Влажный и сухой пар. Пересыщенный и перегретый пар:

Над поверхностью воды всегда есть водяные пары, которые образуются в результате ее испарения испарения. При этом из-за диффузии часть молекул пара возвращается обратно в жидкость.

Процесс испарения жидкости еще называется парообразованием. А обратный процесс превращения пара в жидкость – конденсацией. Эти два процесса иллюстрируют фазовый переход – процесс перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое: из жидкого в газообразное и наоборот.

Если число молекул водяного пара, покидающих жидкость за единицу времени, больше числа молекул водяного пара, возвращающихся в жидкость обратно за тот же промежуток времени, то пар называется ненасыщенным.

Иными словами, ненасыщенный водяной пар – водяной пар, не достигший динамического равновесия (не термодинамического!) со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше.

Если число молекул водяного пара, покидающих жидкость за единицу времени, равно числу молекул водяного пара, возвращающихся в жидкость за тот же промежуток времени, то пар называется насыщенным.

Иными словами, насыщенный водяной пар – водяной пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: скорость испарения водяного пара равна скорости его конденсации. Такая ситуация возможна, если, например, ограничить объем над поверхностью воды.

Таким образом, в условиях динамического равновесия при определенной температуре в определенном объёме может находиться только определенное количество молекул пара. Во-вторых, в условиях динамического равновесия давление пара постоянно. Т.е. у насыщенного пара при одной и той же температуре большего давления и большей концентрации молекул пара достичь невозможно. Давление насыщенного пара имеет единственное значение, зависящее только от его температуры. Его значение при различных температурах можно найти в справочных таблицах.

Водяной пар обладает особенностью, заключающейся в том, что давление водяного пара не может превышать давление насыщенного водяного пара.

Для водяного пара вводится понятие относительной влажности φ, являющееся степенью его насыщенности. Чем ближе пар к насыщению, тем ближе к единице его относительная влажность. Для ненасыщенного пара φ < 1, для насыщенного φ = 1.

Насыщенный пар в свою очередь подразделяется на насыщенный сухой и насыщенный влажный пар. Насыщенный влажный пар состоит из виде взвешенных мелкодисперсных частиц воды, температура которых находится на уровне кипения, и соответственно самого пара, а насыщенный сухой пар не содержит капелек воды.

Существуют также перегретый пар и пересыщенный пар.

Пересыщенный пар (перенасыщенный пар, переохлажденный пар) – пар, давление которого превышает давление насыщенного пара при данной температуре. Пересыщенный пар может быть получен путём увеличения давления пара в объёме, свободном от центров конденсации (пылинок, ионов, капелек жидкости малых размеров и т. д.) либо путём охлаждения насыщенного пара при тех же условиях.

Состояние пересыщенного пара является метастабильным, то есть такое состояние пара способно существовать длительное время, однако оно является термодинамически неустойчивым. Так, при появлении каких-либо центров конденсации часть пара конденсируется, давление оставшегося пара падает, и он переходит в устойчивое состояние насыщенного пара над сконденсировшейся жидкостью. Устанавливается динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазами.

Перегретый пар – пар, нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении.

Его получают путём нагрева насыщенного пара выше точки насыщения  (температуры кипения при данном давлении) в специальных устройствах – пароперегревателях.

Использование перегретого пара позволяет значительно поднять КПД паровой установки, в которой он используется.

Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:

– при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно бо́льшую температуру и теплосодержание;

– имеет больший удельный объём в сравнении с насыщенным паром, то есть объём 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому в паровых машинах для получения необходимой мощности перегретого пара по массе потребуется меньше, что даёт экономию в расходе воды и топлива;

– перегретый пар при охлаждении не конденсируется; конденсация при охлаждении наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара станет ниже температуры насыщенного пара при данном давлении.

Образование водяного пара. Конденсация водяного пара:

Водяной пар может быть получен в результате испарения или кипения жидкой воды, а также в результате сублимации льда. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости.

В обычных атмосферных условиях водяной пар непрерывно образуется в результате  испарения и конденсируется в жидкое состояние.

Кипение воды происходит при температурах, которые зависят от химического состава водного раствора и атмосферного давления.

При нормальном давлении окружающей среды 1 атм. (101,325 кПа) вода кипит при 100 °C. Температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Так, если в оставшуюся воду подается энергия (тепло), она испаряется без дальнейшего повышения температуры. Из 1 литра (соответственно 1 кг) воды образуется 1673 литра водяного пара (в нормальных условиях), для чего требуются затраты энергии 2257 кДж.

При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальным. Парциальное давление (лат. partialis – «частичный» от pars – «часть») – давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов.

Обратные образованию водяного пара процессы именуются конденсацией и десублимацией. Водяной пар будет конденсироваться на другую поверхность только тогда, когда эта поверхность будет более холодной, чем температура точки росы, или когда равновесие водяного пара в воздухе будет превышено.

В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а десублимация – снега.

Использование водяного пара:

Благодаря своим уникальным свойствам, водяной пар получил широкое распространение в разнообразной деятельности человека:

– в промышленности в качестве теплоносителя, рабочего тела в паровых машинах и турбинах,

– как очистительный агент при паровой очистке;

– в качестве огнетушащего вещества в системах паротушения;

– в кулинарии для приготовления блюд «на пару»;

– для стерилизации медицинских и микробиологических инструментов так называемым методом автоклавирования.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Коэффициент востребованности
1 877

Насыщенный пар используется во многих областях промышленности, поэтому для работы различных устройств важно поддерживать состояние насыщения пара.

Рассмотрим, как определить насыщенный пар или нет. Также в статье даны способы определения насыщенности пара, формула и примеры расчета.

Данные для определения насыщенности

Насыщенный пар или нет, можно определить, зная условия его возникновения и зависимость от различных факторов:

1. Этот тип пара образуется только в закрытых сосудах.
2. Образуется только над поверхностью исходной жидкости или льдом.
3. Имеет свойство конденсации.
4. Насыщен влагой.
5. Температура пара всегда равна температуре его жидкости.
6. Плотность и давления такого пара не зависят от объема.
7. Насыщенный пар имеет прямую зависимость от температуры и давления.

Насыщенный пар находится в термодинамическом равновесии с жидкостью из которой он образован. На это указывает равенство массы испарения и последующей конденсации.

Методы

Математический способ определения насыщенного пара используется при вычислении на основе имеющихся данных о его давлении, температуре, влажности и по иным параметрам.

Также есть метод определения на основе отдельных данных:

1. Замер температуры пара. Указывает на состояние насыщенного пара при условии равенства температур газа и жидкости. Любое отклонение от равенства укажет на потерю динамического равновесия и уровня влажности.
2. По давлению. Измеряется давление пара и сравнивается с табличной величиной при актуальной температуре.
3. По степени конденсации. Рассчитывается температура конденсата и скорость его образования.
4. По уровню влажности. Влажность насыщенного пара всегда равна 100%.

Также существует метод определения по точке кипения. Он основан на расчете скорости парообразования при актуальном давлении. Например, при давлении 101 кПа, точкой парообразования является температура 100 градусов.

Существуют также некоторые лабораторные методы определения:

• статический,
• динамический,
• кинетический.

Они также основаны на замерах температуры, давления, плотности, влажности и конденсации при определенных условиях и сравнении полученных данных с таблицей насыщенного пара по температуре и давлению.

Как найти?

Свойства насыщенного пара не позволяют приравнивать его к идеальному газу, поэтому для его расчета используется формула Менделеева-Клапейрона.

Как рассчитать?

Расчет выполнятся по формуле: pV=vRT.

Уравнение состоит из:

• «p» — давление насыщенного пара (Па);
• «V» — его объем (м3);
• «v» — общее количество вещества (моль);
• «R» — газовая постоянная (8,31 м2);
• «T» — температура среды (К).

Данная формула помогает рассчитать не только параметры насыщенного пара, но и их изменения при изменении плотности, объема или давления.

Несколько примеров

Задача:

1. В цилиндре находится насыщенный пар и вода при постоянной температуре.
2. Поршень сдвигается, уменьшая свободный объем пространства.
3. Выяснить, как повлияет уменьшение объема на общую массу жидкости.

Ответ: масса жидкости увеличится, по причине обратного фазового перехода пара в жидкость.

Согласно уравнению pV=m/u*Rt, при снижении общего объема пара не последует снижения его давления, а значит пар конденсируется обратно в воду, увеличив ее общую массу.

Задача:

1. Температура насыщенного пара 100 градусов.
2. Давление 101 кПа.
3. Плотность неизвестна.

Решение: P=pu/Rt=105*18*10-3/8,31*373=0,5 кг/м3.

Ответ: насыщенный пар при температуре 100 градусов по Цельсию и при давлении 101 кПа имеет плотность 0,5 кг/м3. При решении данной задачи использовались табличные величины молярной массы, газовой постоянной и давлении при данной температуре.

Где эти расчеты могут пригодиться на практике?

Расчет состояния насыщенного пара используется во многих сферах:

• при проектировании бытовых систем вентиляции и кондиционирования;
• для эффективной работы отопительных систем;
• при проектировании и поддержании работы паровых турбинных установок.

На основе этих расчетов строятся «умные» датчики влажности, которые реагируют на количество молекул воды или иных веществ в воздухе. Свойства насыщенного пара также применяются при выпаривании летучих веществ с их очисткой за счет последующей конденсации их насыщенных паров.

Заключение

Свойства насыщенного пара не делают его идеальным газом, но позволяют использовать в быту и в промышленности. Этот пар является идеальным источником тепла, влажности и помогает разделять химические элементы за счет способности к конденсации.

Формула расчета по уравнению Менделеева-Клапейрона позволяет рассчитать основные параметры пара и определить степень его схожести с насыщенным.

Насыщенные и ненасыщенные пары

Насыщенный пар

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно $10^{22}$ молекул за $1с$ на $1см^2$ площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара, температура которого поддерживается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восстановится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление $р_0$, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением $р_0$ эта зависимость выражается равенством:

$p_0=nkT$

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость $Р_0(Т)$ отличается от зависимости $p_0=nkT$ для идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (участок кривой $АВ$). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку $А$ (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет.

Поэтому, согласно формуле $p_0=nkT$, давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в изменении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (МКТ идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок $ВС$ кривой).

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в $1м^3$ воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара $р$, выраженная в г/$м^3$.

Относительная влажность воздуха $φ$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $р$ к плотности $р_0$ насыщенного пара при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Концентрация пара связана с давлением ($p_0=nkT$), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления $р$ пара в воздухе к давлению $р_0$ насыщенного пара при той же температуре:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Точка росы

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения при постоянном давлении и данной влажности воздуха. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности воздуха или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности воздуха $φ = 100%$ точка росы совпадает с температурой воздуха. При $φ < 100%$ точка росы всегда ниже температуры воздуха. Так, при температуре воздуха $15°$С и относительной влажности $(%) 100, 80, 60, 40$ точка росы оказывается равной $15.0; 11.6; 7.3; 1.5°$С.

Вспомним основное, что мы знаем о влажности воздуха.

Так как на нашей планете очень много открытых водных поверхностей – моря, океаны, реки и озера, то безусловно, вода испаряется с этих огромных площадей и пар присутствует в воздухе абсолютно везде, даже в жаркой пустыне. Сколько этой самой воды в виде пара присутствует в одном кубическом метре воздуха – показывает абсолютная влажность, выражается она в г/м куб. Вы наверное заметили, что единицы измерения абсолютной влажности – такие же, как и у плотностей веществ. Действительно, абсолютная влажность – это и есть плотность водяного пара.

Абсолютная влажность   – это количество граммов водяного пара, содержащееся в кубическом метре воздуха при данных условиях

Испарение – это вылет молекул вещества с поверхности жидкости, и, как белые шахматы не могут без черных, так испарение не обходится без обратного процесса – конденсации. Часть молекул неизбежно возвращается обратно в жидкость. Если количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, равно количеству молекул, возвращающихся обратно – то пар называется насыщенным, то есть в пространстве над жидкостью не может уже находиться большее количество молекул. Понятно, что если температура высокая – то плотность такого насыщенного пара одна, а если низкая – то другая. Существует таблица, в которой указано, как изменяется давление и плотность насыщенного водяного пара  в зависимости от температуры.

Относительной влажностью называется отношение абсолютной влажности  к плотности насыщенного водяного пара  при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах: . Плотность водяного пара по-другому – это количество молекул в данном объеме, то есть она непосредственно связана с концентрацией молекул. А от концентрации зависит давление пара . Поскольку мы рассматриваем все при одной и той же температуре, и нас не интересуют молекулы других газов, которые тоже присутствуют в воздухе, а только молекулы воды, можем записать относительную влажность как процентное отношение парциального давления пара  пара в воздухе к давлению насыщенного пара :

Парциальным называют давление водяного пара, которое он производил бы в отсутствие других газов в воздухе.

Что будет происходить с паром, если его охлаждать, как это происходит при наступлении летней ночи? Будем считать, что атмосферное давление этой ночью не меняется. Согласно уравнению  , при снижении температуры и постоянном давлении концентрация молекул n должна расти, то есть плотность пара будет увеличиваться, пока он не станет насыщенным.

Точкой росы называется такая температура, при которой насыщенный пар начинает конденсироваться (выпадает роса).

Точка росы зависит от относительной влажности воздуха: если воздух сухой, и пара в нем мало, то температура должна сильно понизиться, чтобы пар стал насыщенным, и затем начал конденсироваться. А если влажность высокая – то воздуху достаточно немного охладиться, чтобы пар достиг состояния насыщения и выпала бы роса. Если относительная влажность равна 100% – то мы находимся в точке росы, то есть текущая температура – это и есть точка росы.

Теперь подумаем, что будет, если изменять объем сосуда, в котором находится насыщенный пар – а именно, уменьшать. Будет ли расти плотность пара или нет? Как мы уже заметили, плотность водяного пара можно записать как число молекул в объеме сосуда. А если пар насыщенный, то в данном объеме не может содержаться большее число молекул. Поэтому, если объем сосуда уменьшить, “лишние” молекулы конденсируются, и плотность пара останется той же, что и была.

Ну а теперь применим эти знания, и попробуем решать задачи.

1. Давление водяного пара при температуре  было равно 1 кПа. Был ли этот пар насыщенным?

По таблице, которую можно найти на странице Справочник, определяем, что давление насыщенного пара при температуре  должно быть равно 1, 6 кПа. Давление нашего пара меньше, значит, он не насыщенный.

2. В закрытом сосуде емкостью 5 л находится ненасыщенный водяной пар массой 50 мг. При какой температуре пар будет насыщенным?

Найдем плотность водяного пара:  . Нам нужно найти плотность в , значит, перевести милиграммы в граммы, а литры – в . Тогда плотность . В таблице находим соответствующее такой плотности значение температуры – .

3. Во сколько раз концентрация молекул насыщенного водяного пара при  больше, чем при ?

По уравнению состояния идеального газа  . Выражаем концентрацию:  . Находим отношение концентраций: .  Давление насыщенного пара опять найдем по  таблице: при  это 12,33 кПа, а при – 0,87 кПа. Не забудем также перевести температуру в  в температуру по абсолютной шкале:  , . Теперь считаем: . Между прочим, плотность, как уже было сказано ранее, это количество молекул в единице объема, поэтому задачу можно было решить проще: найти отношение плотностей насыщенного пара при этих температурах: .

4. Парциальное давление водяного пара в воздухе при  было 1,1 кПа. Найти относительную влажность.

Для того, чтобы воспользоваться формулой , нам нужно знать давление насыщенного пара, а его можно определить по таблице, оно равно 2,2 кПа. Определяем влажность: 

Ответ: 50 %

5. Относительная влажность воздуха вечером при  равна 50%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до ?

Нужно узнать, является ли температура  точкой росы, то есть будет ли пар насыщенным при такой температуре. Определить, будет ли пар насыщенным, можно по его плотности, а плотность найдем по формуле относительной влажности: , откуда . По уже знакомой нам таблице определяем, что при  плотность насыщенного пара равна 8,3 , что больше, чем найденная нами. Поэтому пар не будет насыщенным и роса не выпадет. А вот если бы температура опустилась бы до  и ниже, то роса выпала бы, так как при такой влажности   – точка росы.

6. В цилиндре под поршнем находится водяной пар массой 0,4 г при температуре 290 К. Этот пар занимает объем 40 л. Как можно сделать пар насыщенным?

Найдем плотность пара в сосуде:

. Теперь перейдем от абсолютной температуры к температуре в : .  В таблице находим соответствующее такой плотности значение температуры насыщенного пара – . То есть первый путь сделать наш пар насыщенным – это понизить его температуру на 6 градусов. Однако есть еще один путь: можно уменьшить объем. Действительно, плотность насыщенного пара при температуре  составляет 14,4 . Зная массу пара, найдем по плотности объем:  – то есть, если объем сосуда станет равным 27,7 л, то пар в нем будет насыщенным. Таким образом, второе решение – уменьшить объем сосуда на 12,3 л.

7. Сухой термометр психрометра показывает , а влажный . Относительная влажность, измеренная по волосному гигрометру

, равна 30%. Правильны ли показания гигрометра?

Воспользуемся психрометрической таблицей , чтобы по показаниям сухого и влажного термометров определить относительную влажность. Сначала найдем разность показаний термометров: . Теперь по этой разности находим в таблице нужный столбец, и двигаемся по нему вниз до строки  – показаний сухого термометра. В ячейке на пересечении столбца и строки находим значение относительной влажности – 30%. Значит, волосяной гигрометр показывает верную влажность.

8. Дав­ле­ние пара в по­ме­ще­нии при тем­пе­ра­ту­ре  равно 756 Па. Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара при этой же тем­пе­ра­ту­ре равно 880 Па. От­но­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха равна (ответ округ­лить до целых)

1) 1%
2) 60%
3) 86%
4) 100%

Воспользуемся формулой : 

Ответ: 3.

9. От­но­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха равна 42%, пар­ци­аль­ное дав­ле­ние пара при тем­пе­ра­ту­ре   рано 980 Па. Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара при за­дан­ной тем­пе­ра­ту­ре равно (ответ округ­лить до целых)

1) 980 Па
2) 2333 Па
3) 1022 Па
4) 412 Па

Воспользуемся формулой , из которой выразим давление насыщенного пара:   Па

Ответ: 2.

10. В со­су­де с по­движ­ным порш­нем на­хо­дят­ся вода и её на­сы­щен­ный пар. Объём пара изо­тер­ми­че­ски умень­ши­ли в 2 раза. Кон­цен­тра­ция мо­ле­кул пара при этом

1) умень­ши­лась в 2 раза
2) не из­ме­ни­лась
3) уве­ли­чи­лась в 2 раза
4) уве­ли­чи­лась в 4 раза

Так как температура не менялась, то плотность пара при данной температуре неизменна, а значит, количество молекул в объеме одно и то же. То есть концентрация остается точно такой же, просто часть пара перейдет в жидкое состояние (конденсируется).

Ответ: 2.

11.

 От­но­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха в ци­лин­дре под порш­нем равна 60%. Воз­дух изо­тер­ми­че­ски сжали, умень­шив его объём в два раза. От­но­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха стала

1) 120 %
2) 100 %
3) 60 %
4) 30 %

Так как температура не менялась, то давление и плотность  насыщенного пара до сжатия и после одинаковы. При сжатии вдвое уменьшился объем, а масса водяного пара осталась прежней, значит, плотность пара вдвое увеличилась. С помощью формулы найдем отношение влажности до сжатия и после: , и . Однако же, плотность водяного пара не может превышать значения 100%: когда будет достигнуто это значение, начнется  конденсация, и плотность все равно будет равна 100%.

Ответ: 2.

12. 

Ка­ко­ва от­но­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха при тем­пе­ра­ту­ре  , если точка росы ? Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара при  равно 2,33 кПа, а при  – 1,4 кПа. Ответ вы­ра­зи­те в про­цен­тах и округ­ли­те до целых.

1) 60%
2) 50%
3) 40%
4) 75%

В точке росы относительная влажность равна 100%, поэтому, зная давление насыщенного пара, можем определить парциальное давление:

, ,  кПа.

Находим влажность воздуха:

Ответ: 1.

1.
Цель работы.
Изучение термодинамических свойств
влажного воздуха и процессов изменения
параметров влажного воздуха.

2. Основные
положения.
Влажный воздух представляет собой смесь
сухого воздуха и водяного пара. Знание
свойств влажного воздуха необходимо
для расчетов процессов сушки влажных
материалов и изделий, а также систем
вентиляции и кондиционирования воздуха.
Влажный воздух можно рассматривать с
некоторыми допущениями как газовую
смесь, к которой применимы законы
идеального газа.

Закон
Дальтона формулируется
так: общее давление смеси равно сумме
парциальных давлений компонентов.
Каждый газ ведет себя так, как если бы
он был один в сосуде, занимая весь объем
смеси:

,Па(1)

где В − барометрическое
давление;

р_в
и р_п
− парциальные давления, соответственно,
сухого воздуха и водяного пара.

Уравнение
состояния для
идеального газа может быть использовано
как для сухого воздуха, так и для водяного
пара, находящегося во влажном воздухе,
так как во влажном ненасыщенном воздухе
влага находится в состоянии перегретого
пара. Уравнение состояния можно записать
в следующем виде:

(2)

или для 1 кг рабочего
тела:

(3)

где р −
парциальное давление компонента, Па;

V
−
объем газовой смеси, м³;

m
−
масса газа, кг;

R
−
характеристическая газовая постоянная,
Дж/(кг·град);

Т −
абсолютная температура, °К;

v
−
удельный объем газа, м³/кг.

Содержание водяного
пара во влажном воздухе может быть
выражено по-разному: через абсолютную
или относительную влажность, или
влагосодержание.

Абсолютная
влажность
воздуха характеризует массу водяного
пара, которая содержится в 1 м³
влажного
воздуха. Так как объем водяного пара в
1 м³
влажного
воздуха также составляет 1 м³,
то
можно сказать, что абсолютная влажность
численно равна плотности водяного пара
в смеси ρ_п,
кг/м³.
Таким
образом, абсолютная влажность представляет
собой объемную концентрацию пара.
Концентрация
влаги в воздухе может изменяться. Воздух,
который способен поглощать водяной
пар, назы­вается ненасыщенным, причем
эта его способность к на­сыщению
зависит от температуры. Чем выше
температура, тем больше движущая сила
процесса сушки, определяемая разностью
парциальных давлений паров растворителя
над
материалом
и в окружающем воздухе. Влага переходит
из материала в воздух до наступления
состояния равно­весия. При насыщении
воздух не поглощает влагу, и из­быточная
влага начинает конденсироваться. Поэтому
в процессе сушки очень важно знать
способность воздуха к насыщению, которая
характеризуется относительной влажностью
φ.

Относительная
влажность
— это отношение концентра­ции водяного
пара ненасыщенного воздуха или газа к
концентрации водяного пара насыщенного
воздуха или газа при одинаковых
температурах и давлениях, т. е. это
отношение плотности водяного пара при
данных условиях к плотности, предельно
возможной при той же температуре и том
же барометрическом давлении:

(4)

где ρ_п
−
плотность пара в ненасыщенном состоянии
(перегретого пара), кг/м³;

ρ_н

−
плотность пара в состоянии насыщения
(сухого насыщенного пара), кг/м³.

Из
уравнения (3) относительную влажность
воздуха можно выразить с небольшой
погрешностью отношением парциаль­ного
давления пара в воздухе к парциальному
давлению насыщенного водяного пара при
той же температуре. Ошибка при
предположении, что водяной пар является
идеальным газом, составляет приблизительно
1,5%,
что вполне допустимо при инженерных
расчетах. Тогда относительная влажность
воздуха при температуре t
менее
100°С:

(5)

При
температуре выше 100°С
относительная влажность определяется
по формуле:

(6)

где В −
барометрическое
давление,
Па;
,кг/м³.

Для
абсолютно сухого воздуха, когда р_п
= 0,
отно­сительная влажность тоже равна
0. Для воздуха, насы­щенного водяными
парами, р_п
= р_н
и
φ=
1.
Поэтому можно ска­зать, что относительная
влажность является показателем степени
насыщения воздуха водяными парами.

Влагосодержание
воздуха.
Влагосодержанием влажного воздуха
называется масса водяного пара в граммах,
прихо­дящаяся на 1 килограмм абсолютно
сухого воздуха:

,г/кг
сух.воз (7)

где
М_п
и
М_в
— соответственно массы водяного пара
и сухого газа, кг.

Используя
уравнение состояния (2) для влажного
воздуха, запишем:

,г/кг
сух.воз. (8)

Величина
В,
входящая
в формулу, зависит от геогра­фического
положения местности (для центральных
частей России В ≈ 745 мм
рт. ст.).

Из
уравнения (8) видно, что влагосодержание
воз­духа зависит от относительной
влажности, парциального давления
насыщенного водяною пара и барометрического
давления. Для насыщенного воздуха (φ =
1) с возрастанием пар­циального давления
(или температуры насыщения) увели­чивается
количество влаги в газе. С увеличением
баро­метрического давления
влагосодержание воздуха падает.
При
температуре более 100 °С
р_н
= В,
тогда
формула (8) приобретает следующий вид:

,
г/кг сух.воз. (9)

т. е.
величина d
при
t
> 100
°С
зависит только от φ.

Теплосодержание
влажного воздуха, в котором содер­жится
1 кг
сухого
воздуха и d
г влаги,
можно представить как сумму теплосодержаний
(энтальпий) сухого газа и перегретого
водяного пара. Теплосодержание I
влажного воздуха относится обычно к 1
кг
сухого
воздуха:

,
кДж/кг
(10)

где
h_в
=
1,006·t — энтальпия сухого воздуха, кДж/кг
(1,006
— средняя удельная теплоемкость сухого
воздуха при постоянном давлении,
кДж/(кг·град);

h_п
=
(2500+1,97·t) — энтальпия водяного пара,
равная сумме его теплосодержания при
0°С и тепла пере­грева от 0° до t
(1,97
— средняя удельная теплоемкость
перегретого водяного пара, кДж/(кг
· град).

Таким
образом, теплосодержание влажного
воздуха на 1 кг
сухого
воздуха определяется по формуле:

,кДж/кг
(11)

Из
этой формулы видно, что энтальпия
влажного воз­духа возрастает с
увеличением его температуры и
влагосодержания.

Температура
точки росы
является одной из характе­ристик
влажного воздуха. По этой температуре
можно определить относительную влажность
воздуха. Темпера­турой точки росы,
или температурой насыщения, назы­вается
та температура, до которой следует
охладить влаж­ный воздух (при постоянном
влагосодержании), чтобы он стал насыщенным
При этом водяной пар конденсируется и
выпадает в виде росы (φ = 1). Парциальное
давление водяного пара р_п
равно давлению в состоянии насыще­ния
р_н.
Температуру
точки росы можно определить по табли­цам
термодинамических свойств воды и
водяного пара как температуру насыщенного
воздуха при парциаль­ном давлении
насыщения р_н
или
по I−d
диаграмме влажного воздуха (рис. 3).

3.
Схема и описание установки.
Лабораторная установка (рис. 1) состоит
из прозрачного пластмассового воздуховода
1, внутри которого установлен психрометр.
Психрометр состоит из двух ртутных
термометров: сухого 5 и так называемого
мокрого 4.

Рис. 1. Схема
лабораторной установки.

Мокрый термометр
отличается от сухого тем, что его ртутный
термобаллончик обернут тканью, смоченной
водой. Таким образом, мокрый термометр
показывает температуру, которую имеет
вода, содержащаяся во влажной ткани.
Очевидно, что с поверхности мокрой ткани
(если только влажный воздух не является
насыщенным) происходит испарение воды.
Убыль влаги в процессе испарения
компенсируется ее поступлением под
действием капиллярных сил из специального
баллончика 3 с водой. Для уменьшения
погрешности показаний мокрого термометра
компрессором 2 создается поток воздуха,
скорость которого измеряется расходомерным
устройством типа труба «Вентури» 9 по
показаниям U-образного вакуумметра 10.
При достижении стационарного режима
(разность показаний сухого и мокрого
термометров не изменяется во времени)
сухой термометр показывает истинное
значение температуры влажного воздуха
t_с,
а мокрый −
температуру испаряющейся с поверхности
ткани воды t_м.

Причем, чем суше
воздух, тем больше психрометрическая
разность (t_с
−
t_м).
Переход от одного режима к другому
осуществляется путем изменения
температуры воздуха с помощью
электронагревателя 6. В работе предусмотрена
возможность изменения скорости воздушного
потока с помощью поворотной заслонки
8, а также изменение влагосодержания
путем впрыскивания в поток воздуха
водяного пара, генерируемого в автоклаве
7. Измерение параметров окружающей среды
выполняется с помощью ртутного барометра
11 и термометра 12. Результаты наблюдений
вносятся в протокол (таблица 1).

Таблица 1.

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна- чение	Единицы измерен.	Номера опытов
1	2	3	4	5	6
1	Температура сухого термометра	tс	°С
2	Температура мокрого термометра	tм	°С
3	Разрежение в «горле» воздухомера	Н	мм вод.ст.
4	Показания барометра	B	мбар
5	Температура окружающей среды	tокр	°С

4. Расчетные
формулы и расчеты.

4.1. Приступая к
вычислениям, необходимо рассчитать
истинное значение температуры мокрого
термометра t_м^′
по формуле:

,°С (12)

где t_м
−
показание мокрого термометра в
психрометре, °С;

Δ −
ошибка в процентах от измеренной
психрометрической разности (t_с
– t_м),
определяемая по графику рис. 2 в зависимости
от скорости потока воздуха;

t_с
−
температура по сухому термометру, °С.

Рис. 2. График для
определения величины ошибки к показаниям
мокрого термометра при разной скорости
воздуха

4.2. Атмосферное
давление находится с учетом температурного
расширения столбика ртути барометра
по формуле:

,Па (13)

4.3. Перепад давления
воздуха в воздухомере ΔР:

,Па (14)

где ρ – плотность
воды в U-образном
вакуумметре, равная 1000 кг/м³;

g
– ускорение свободного падения, равное
9,81 м/сек²;

Н – показание
вакуумметра («горло») воздухомера,
переведенное
в м вод.ст.

4.4. Плотность
воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
ρ_в

,кг/м³ (15)

где R
– характеристическая газовая постоянная
воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.

4.5. Расход воздуха
G

,кг/сек (16)

4.9. Средняя скорость
потока W
определяется по уравнению

,м/сек (17)

где F
– площадь проходного сечения для потока
воздуха, равная величине 0,0177, м²;

4.10. Плотность
воздуха ρ в рассматриваемом сечении
при атмосферном давлении по формуле

,кг/м³ (18)

4.11.Определение
относительной влажности:

а) по психрометрической
формуле

,% (19)

где р_м
−
давление насыщения водяного пара при
измеренной температуре мокрого
термометра;

р_н
−
давление насыщения водяного пара при
температуре сухого термометра.

Величины р_м
и р_н
находятся по таблицам термодинамических
свойств воды и водяного пара или по
рекуррентной формуле полинома:

,Па (20)

Поправочный
коэффициент А, учитывающий влияние
скорости воздуха, находится по формуле:

, (21)

где В −
барометрическое давление; W
−
скорость воздуха, м/сек.

Величины всех
парциальных давлений р и барометрического
давления В в формулах (19, 20 и 21) должны
иметь одинаковую размерность (например
бар или Па).

б) по I−d
диаграмме (рис.3). Для нахождения
относительной влажности на диаграмме
следует найти точку пересечения изотерм
t_с
и t_м^′.
Затем путем интерполяции между линиями
φ = const определяется относительная
влажность в %.
Кроме того, по I−d
диаграмме влажного воздуха в соответствии
с найденным положением точки изотерм
t_с
и t_м^′,
определяются: влагосодержание,
теплосодержание, температура точки
росы и парциальное давление водяного
пара во влажном воздухе.

Рис.
3.I−d
диаграмма

4.12.
Абсолютная влажность воздуха ρ_п
определяется
по уравнению состояния:

,кг/м³ (22)

здесь и далее φ
– относительная влажность в долях
единицы;

R_п
– характеристическая газовая постоянная
водяного пара равная 462 Дж/(кг·град);

р_н
−
давление насыщения водяного пара при
температуре сухого термометра, Па;

4.13. Влагосодержание
воздуха определяется по формуле (8).

4.14.
Теплосодержание (энтальпия) влажного
воздуха находится по формуле (11).

4.15.
Парциальное давление пара во влажном
воздухе по формуле:

,Па (23)

4.6. Результаты
расчетов по формулам и найденные по I−d
диаграмме влажного воздуха должны
быть продублированы в форме сводной
таблицы 2. Таблица 2.

№ п/п	Расчетная величина	Обозна- чение	Единицы измерен.	Номера опытов
по расчету	по I – d диаграмме
1	2	3	4	5	6	1	2	3	4	5	6
1	Истинное значение мокрого термометра	tм’	°С
2	Относительная влажность	φ	%
3	Влагосодержание	d	г/кг сух.воз.
4	Абсолютная влажность	ρп	кг/м3							–	–	–	–	–	–
5	Теплосодержание (энтальпия)	I	кДж/кг
6	Парциальное давление пара	рп	Па
7	Парциальное давление насыщения	рн	Па
8	Температура точки росы	tтр	°С	–	–	–	–	–	–

5. Контрольные
вопросы.

5.1. Сформулируйте
цель лабораторной работы и поясните,
как достигается поставленная цель?

5.2. Назовите основные
узлы экспериментальной установки и
укажите их назначение.

5.3. Как Вы понимаете
такие состояния, как насыщенный и
ненасыщенный влажный воздух?

5.4. Как Вы относитесь
к термину «пересыщенный» влажный воздух?

5.5. Как формулируется
и записывается закон парциальных
давлений для влажного воздуха?

5.6. Что называется
абсолютной, относительной влажностью
и влагосодержанием влажного воздуха?

5.7. Как выражается
и из чего складывается теплосодержание
(энтальпия) влажного воздуха?

5.8. Почему с
увеличением температуры влажного
воздуха его относительная влажность
уменьшается?

5.9. Чем Вы можете
объяснить влияние скорости воздуха на
отклонение показания смоченного
термометра от истинного значения
температуры мокрого термометра?

5.10. Как устроена
диаграмма I-d влажного воздуха и, каким
образом определяются параметры влажного
воздуха с помощью диаграммы по показаниям
сухого и мокрого термометров?

5.11. Покажите на
диаграмме и поясните процессы «сухого»
нагрева и охлаждения влажного воздуха.

5.12. Покажите на
диаграмме и поясните процесс адиабатного
насыщения влажного воздуха.

5.13. Дайте определение
понятию точки росы. Как определяется
температура точки росы на диаграмме?

5.14. Какова связь
между относительной влажностью воздуха
и его влагосодержанием?

5.15. Дайте вывод
аналитической формулы для расчета
абсолютной влажности воздуха.

5.16. Дайте вывод
аналитической формулы для расчета
влагосодержания воздуха.

5.17. Дайте вывод
аналитической формулы для расчета
теплосодержания (энтальпии) воздуха.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #