При какой температуре пар становится влажным
Насыщенный пар.
Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то сначала количество жидкости уменьшится, а затем
будет оставаться постоянным. При неизменной температуре система жидкость – пар
придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно
долго. Одновременно с процессом испарения происходит и конденсация, оба
процесса в среднем компенсируют друг друга. В первый момент, после того как
жидкость нальют в сосуд и закроют его, жидкость будет испаряться и плотность
пара над ней будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и
число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем
большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом
сосуде при постоянной температуре установится динамическое (подвижное)
равновесие между жидкостью и паром, т. е. число молекул, покидающих поверхность
жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул
пара, возвратившихся за то же время в жидкость. Пар, находящийся в динамическом
равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это определение
подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться
большее количество пара.
Более подробно здесь
Давление насыщенного пара.
Что будет
происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например,
если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем,
поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной. При сжатии пара
равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится,
и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в
газ. Ведь число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только
от температуры, и сжатие пара это число не меняет. Процесс продолжается до тех
пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а
значит, и концентрация его молекул не примут прежних своих значений.
Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре
не зависит от его объема. Так как давление пропорционально концентрации молекул
(p=nkT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не
зависит от занимаемого им объема. Давление pн.п. пара, при котором
жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного
пара.
Зависимость давления насыщенного
пара от температуры.
Состояние
насыщенного пара, как показывает опыт, приближенно описывается уравнением
состояния идеального газа, а его давление определяется формулой Р = nкТ С
ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не
зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры. Однако
зависимость рн.п. от Т, найденная экспериментально, не является
прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением
температуры давление реального насыщенного пара растет быстрее, чем давление
идеального газа (рис. участок кривой 12). Почему это происходит? При нагревании
жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате
согласно формуле Р = nкТ давление насыщенного пара растет не только вследствие
повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул
(плотности) пара. В основном увеличение давления при повышении температуры
определяется именно увеличением концентрации. (Главное различие в поведении
идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры
пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре)
меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар
частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.). Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть
насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо
пропорционально абсолютной температуре (см. рис., участок кривой 23).
Кипение.
Кипение –
это интенсивный переход вещества из жидкого состояния в газообразное,
происходящее по всему объему жидкости (а не только с ее поверхности).
(Конденсация – обратный процесс.) По мере увеличения температуры жидкости
интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При
кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара,
которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается
постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия
расходуется на превращение ее в пар. При каких условиях начинается кипение?
В
жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне и стенках
сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами
парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются
насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и
пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они
всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то
в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно
падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что
стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких
микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется,
пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит.
Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы обнаружите, что перед
закипанием он почти перестает шуметь. Зависимость давления насыщенного пара от
температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления
на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара
внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из
давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического
давления столба жидкости . Кипение начинается при температуре, при которой давление
насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше
внешнее давление, тем выше температура кипения. И наоборот, уменьшая внешнее
давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и
пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре. У
каждой жидкости своя температура кипения (которая остается постоянной, пока вся
жидкость не выкипит), которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше
давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости.
Заполни опорный конспект Контрольные вопросы
Влажность воздуха и ее измерение.
В окружающем
нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров.
Влажность воздуха зависит от количества водяного пара, содержащегося в нем.
Сырой воздух содержит больший процент молекул воды, чем сухой. Большое значение
имеет относительная влажность воздуха, сообщения о которой каждый день звучат в
сводках метеопрогноза.
Относительная влажность — это отношение плотности
водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного пара при данной
температуре, выраженное в процентах (показывает, насколько водяной пар в
воздухе близок к насыщению).
Точка росы
Сухость или
влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к
насыщению. Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно
довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться. Признаком того, что
пар насытился является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости –
росы. Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится
насыщенным, называется точкой росы. Точка росы также характеризует влажность
воздуха. Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если
на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе,
сырость в подвалах домов. Для измерения влажности воздуха используют
измерительные приборы – гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но
основные: волосной и психрометрический.
Так как непосредственно измерить
давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха
измеряют косвенным путем. Известно, что от относительной влажности воздуха
зависит скорость испарения. Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге
испаряться. В психрометре есть два термометра. Один – обычный, его называют
сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра
обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр
показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и
название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее
испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени
отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно,
тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров. Определив
разность показаний сухого и увлажненного термометров, по специальной таблице,
расположенной на психрометре, находят значение относительной влажности.
Источник: https://5fan.ru/wievjob.php?id=1361
Источник
Водяной пар
Основные понятия
Газообразные тела (с примесью одноименной жидкости в виде взвешенных мелкодисперсных частиц или без нее) принято называть парами.
Все пары являются реальными газами и подчиняются всем присущим этим газам закономерностям, в частности закономерностям фазовых переходов.
Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством ее испарения или кипения. Между этими двумя процессами существует принципиальное различие.
Испарение жидкости может происходить лишь с открытой поверхности и при любой температуре.
С повышением температуры жидкости процесс испарения ускоряется, т.к. средняя скорость движения молекул возрастает.
Кипение жидкости может происходить и при отсутствии открытой поверхности. Сущность его состоит в том, что образование пара происходит в основном в объеме самой жидкости.
В сосуде одновременно происходят противоположные процессы испарения жидкости и конденсации пара.
Пока концентрация молекул пара в паровоздушной смеси мала, первый процесс превалирует над вторым. Вместе с этим увеличивается и парциальное давление пара Рп в паровоздушной смеси; парциальное же давление воздуха Рв уменьшается, ибо избыток его удаляется в окружающую среду через обратный клапан, но суммарное давление паровоздушной смеси остается неизменным.
С повышением парциального давления пара скорость испарения жидкости уменьшается, а скорость обратной конденсации пара возрастает и в конечном итоге наступает момент, когда скорости обоих процессов становятся одинаковыми, а Рп устанавливается одинаковым.
Пар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщенным.
Температура и давление насыщенного пара взаимосвязаны и каждой температуре соответствует вполне определенное давление насыщения.
По мере роста температуры паровоздушной смеси содержание воздуха в ней уменьшается за счет вытеснения его паром через обратный клапан. Поэтому наступает момент, когда из сосуда удаляются последние остатки воздуха и в верхней его части остается один лишь насыщенный пар.
Этот момент отмечается тем, что давление насыщенного пара становится равным давлению окружающей среды, под которым все время находилась жидкость, а потому становится возможным кипение жидкости.
Температура, при которой давление насыщения становится равным внешнему давлению на жидкость, называется температурой кипения; она является функцией внешнего давления и с увеличением его возрастает.
После начала кипения в рассматриваемом сосуде продолжение подвода тепла сопровождается дальнейшим парообразованием, причем давление в нём сохраняется неизменным, т.к. излишки пара вытесняются через обратный клапан. Неизменной остается и температура, как пара, так и самой жидкости. Такой процесс продолжается до полного выкипания жидкости, и, наступает момент, когда весь сосуд оказывается заполненным лишь насыщенным паром, температура которого еще равна температуре кипения.
Пар какого-либо вещества, не содержащий в себе одноименной жидкости и имеющий температуру кипения при данном давлении, называется сухим насыщенным.
Пар какого-либо вещества, температура, которого превышает температуру кипения при данном давлении, называется перегретым.
Состояние перегретого пара определяется значениями двух независимых параметров, в качестве которых наиболее часто используются давление и температура.
С повышением перегрева пар по своим свойствам приближается к идеальному газу.
При изобарном отводе теплоты от сухого насыщенного пара температура его не изменяется, а вместо этого начинается конденсация пара, и по всему его объему образуются мельчайшие капельки жидкости.
Насыщенный пар какого-либо вещества, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц, называется влажным насыщенным паром.
Представив себе влажный пар как механическую смесь сухого насыщенного пара и равномерно распределенной в нем жидкости, можно определить степень сухости х влажного пара как массовую долю содержащегося в нем сухого насыщенного пара.
Очевидно, величина х может изменяться от единицы (что соответствует сухому насыщенному пару) до нуля (что соответствует кипящей воде).
Таким образом, состояние влажного пара определяется значениями двух независимых параметров, – давления (или температуры) и степени сухости.
Влажный пар и его параметры
Объем влажного пара можно представить как сумму объемов двух компонентов.
где х – степень сухости пара.
Первое слагаемое представляет собой объем жидкости, содержащейся в 1 кг влажного пара, а второе – объем содержащегося в нем сухого насыщенного пара.
Для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянном давленииему необходимо сообщить количество теплоты, называемое теплотой парообразования:
Часть теплоты парообразования расходуется на увеличение внутренней энергии, связанное с совершением работы против сил взаимного притяжения молекул (внутренняя теплота парообразования). Остальная часть теплоты парообразования расходуется на работу расширения, не связанную с наличием сил молекулярного взаимодействия (внешняя теплота парообразования).
С помощью теплоты парообразования r энтальпия влажного пара определяется следующим образом.
В процессе парообразования при Р=const
где х – степень сухости влажного пара.
Интегрируя, получаем:
ix
Энтропия влажного пара:
а для данного случая
sx (*)
где Тн – температура кипения при заданном постоянном давлении.
Для сухого насыщенного пара х=1, поэтому
откуда получаем
Формула (*) может быть записана так
sx
Источник
1. Относительная влажность
На Земле много открытых водоемов, с поверхности которых испаряется вода: океаны и моря занимают около 80 % поверхности Земли. Поэтому в воздухе всегда есть водяной пар.
Он легче воздуха, потому что молярная масса воды (18 * 10-3 кг моль-1) меньше молярной массы азота и кислорода, из которых в основном состоит воздух. Поэтому водяной пар поднимается вверх. При этом он расширяется, так как в верхних слоях атмосферы давление ниже,чем у поверхности Земли. Этот процесс приближенно можно считать адиабатическим, потому что за то время, пока он происходит, теплообмен пара с окружающим воздухом не успевает произойти.
? 1. Объясните, почему при этом пар охлаждается.
Как мы увидим далее, при охлаждении до некоторой температуры, которую называют точкой росы, водяной пар начинает конденсироваться, собираясь в крошечные капельки воды. Так образуются облака.
Они не падают потому, что парят в восходящих потоках воздуха подобно тому как парят дельтапланы (рис. 45.1). Но когда капли в облаках становятся слишком большими, они начинают все-таки падать: идет дождь (рис. 45.2).
Содержание водяного пара в воздухе часто характеризуют давлением, которое он оказывал бы, если бы не было других газов. Его называют парциальным давлением водяного пара. («Парциальный» в переводе с латинского означает «частичный».)
Мы чувствуем себя комфортно, когда давление водяного пара при комнатной температуре (20 ºС) составляет около 1,2 кПа.
? 2. Какую часть (в процентах) составляет указанное давление от давления насыщенного пара при той же температуре?
Подсказка. Воспользуйтесь таблицей значений давления насыщенного водяного пара при различных значениях температуры. Она была приведена в предыдущем параграфе. Приведем здесь более подробную таблицу.
Вы нашли сейчас относительную влажность воздуха. Дадим ее определение.
Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение парциального давления p водяного пара к давлению pн насыщенного пара при той же температуре:
φ = (p/pн) * 100 %. (1)
Комфортные условия для человека соответствуют относительной влажности 50-60 %. Если относительная влажность существенно меньше, воздух кажется нам сухим, а если больше – влажным. Когда относительная влажность приближается к 100 %, воздух воспринимается как сырой. Лужи при этом не высыхают, потому что процессы испарения воды и конденсации пара компенсируют друг друга.
Итак, об относительной влажности воздуха судят по тому, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению.
Если воздух с находящимся в нем ненасыщенным водяным паром изотермически сжимать, будет увеличиваться как давление воздуха, так и давление ненасыщенного пара. Но давление водяного пара будет увеличиваться только до тех пор, пока он не станет насыщенным!
При дальнейшем уменьшении объема давление воздуха будет продолжать увеличиваться, а давление водяного пара будет постоянным – оно будет оставаться равным давлению насыщенного пара при заданной температуре. Избыток пара сконденсируется, то есть превратится в воду.
? 3. В сосуде под поршнем находится воздух, относительная влажность которого равна 50 %. Начальный объем под поршнем равен 6 л, температура воздуха 20 ºС. Воздух начинают изотермически сжимать. Примите, что объемом образовавшейся из пара воды можно пренебречь по сравнению с объемом воздуха и пара.
а) Чему будет равна относительная влажность воздуха, когда объем под поршнем станет равным 4 л?
б) При каком объеме под поршнем пар станет насыщенным?
в) Чему равна начальная масса пара?
г) Во сколько раз уменьшится масса пара, когда объем под поршнем станет равным 1 л?
д) Какая масса воды при этом сконденсируется?
2. Как зависит относительная влажность от температуры?
Рассмотрим, как изменяются при повышении температуры числитель и знаменатель в формуле (1), определяющей относительную влажность воздуха.
В числителе стоит давление ненасыщенного водяного пара. Оно прямо пропорционально абсолютной температуре (напомним, что водяной пар хорошо описывается уравнением состояния идеального газа).
? 4. На сколько процентов увеличивается давление ненасыщенного пара при увеличении температуры от 0 ºС до 40 ºС?
А теперь посмотрим, как изменяется при этом давление насыщенного пара, стоящее в знаменателе.
? 5. Во сколько раз увеличивается давление насыщенного пара при увеличении температуры 0 ºС до 40 ºС?
Результаты выполнения этих заданий показывают, что при повышении температуры давление насыщенного пара возрастает намного быстрее, чем давление ненасыщенного пара, Следовательно, определяемая формулой (1) относительная влажность воздуха быстро уменьшается с ростом температуры. Соответственно при понижении температуры относительная влажность увеличивается. Ниже мы рассмотрим это подробнее.
При выполнении следующего задания вам поможет уравнение состояния идеального газа и приведенная выше таблица.
? 6. При 20 ºС относительная влажность воздуха была равна 100 %. Температура воздуха увеличилась до 40 ºС, а масса водяного пара осталась неизменной.
а) Каким было начальное давление водяного пара?
б) Каким стало конечное давление водяного пара?
в) Чему равно давление насыщенного пара при 40 ºС?
г) Чему равна относительная влажность воздуха в конечном состоянии?
д) Как будет этот воздух восприниматься человеком: как сухой или как влажный?
? 7. В сырой осенний день температура на улице 0 ºС. В комнате температура 20 ºС, относительная влажность 50 %.
а) Где больше парциальное давление водяного пара: в комнате или на улице?
б) В какую сторону будет идти водяной пар, если открыть форточку, – в комнату или из комнаты?
в) Какой стала бы относительная влажность в комнате, если бы парциальное давление водяного пара в комнате стало равным парциальному давлению водяного пара снаружи?
? 8. Влажные предметы обычно тяжелее сухих: так, промокшее платье тяжелее сухого, а сырые дрова тяжелее сухих. Объясняется это тем, что к собственному весу тела добавляется еще и вес содержащейся в нем влаги. А с воздухом дело обстоит наоборот: влажный воздух легче сухого! Как это объяснить?
3. Точка росы
При понижении температуры относительная влажность воздуха увеличивается (хотя масса водяного пара в воздухе при этом не изменяется).
Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяной пар становится насыщенным. (При специальных условиях можно получить перенасыщенный пар. Его используют в камерах Вильсона для детектирования следов (треков) элементарных частиц на ускорителях.) При дальнейшем понижении температуры начинается конденсация водяного пара: выпадает роса. Поэтому температуру, при которой данный водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы для этого пара.
? 9. Объясните, почему роса (рис. 45.3) выпадает обычно в предутренние часы.
Рассмотрим пример нахождения точки росы для воздуха определенной температуры с заданной влажностью. Для этого нам понадобится следующая таблица.
? 10. Человек в очках вошел с улицы в магазин и обнаружил, что его очки запотели. Будем считать, что температура стекол и прилежащего к ним слоя воздуха равна температуре воздуха на улице. Температура воздуха в магазине равна 20 ºС, относительная влажность 60 %.
а) Является ли водяной пар в слое воздуха, прилежащего к стеклам очков, насыщенным?
б) Чему равно парциальное давление водяных паров в магазине?
в) При какой температуре такое давление водяного пара равно давлению насыщенного пара?
г) Какой может быть температура воздуха на улице?
? 11. В прозрачном цилиндре под поршнем находится воздух с относительной влажностью 21 %. Начальная температура воздуха 60 ºС.
а) До какой температуры надо охладить воздух при постоянном объеме, чтобы в цилиндре выпала роса?
б) Во сколько раз надо уменьшить объем воздуха при постоянной температуре, чтобы в цилиндре выпала роса?
в) Воздух сначала изотермически сжимают, а затем охлаждают при постоянном объеме. Выпадение росы началось, когда температура воздуха упала до 20 ºС. Во сколько раз уменьшили объем воздуха по сравнению с начальным?
? 12. Почему сильная жара труднее переносится при высокой влажности воздуха?
4. Измерение влажности
Влажность воздуха измеряют часто психрометром (рис. 45.4). (От греческого «психрос» – холодный. Такое название обусловлено тем, что показания влажного термометра ниже, чем сухого.) Он состоит из сухого и влажного термометров.
Показания влажного термометра ниже, чем сухого, потому что при испарении жидкость охлаждается. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее идет испарение.
? 13. Какой термометр на рисунке 45.4 расположен левее?
Итак, по показаниям термометров можно определить относительную влажность воздуха. Для этого используют психрометрическую таблицу, которую помещают часто на самом психрометре.
Чтобы определить относительную влажность воздуха, надо:
– снять показания термометров (в данном случае 33 ºС и 23 ºС);
– найти в таблице строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствий разности показаний термометров (рис. 45.5);
– на пересечении строки и столбца прочитать значение относительной влажности воздуха.
? 14. Используя психрометрическую таблицу (рис. 45.5), определите, при каких показаниях термометров относительная влажность воздуха равна 50 %.
Дополнительные вопросы и задания
15. В теплице объемом 100 м3 надо поддерживать относительную влажность не менее 60 %. Рано утром при температуре 15 ºС в теплице выпала роса. Температура днем в теплице поднялась до 30 ºС.
а) Чему равно парциальное давление водяного пара в теплице при 15 ºС?
б) Чему равна масса водяного пара в теплице при этой температуре?
в) Каково минимально допустимое парциальное давление водяного пара в теплице при 30 ºС?
г) Какова при этом масса водяного пара в теплице?
д) Какую массу воды надо испарить в теплице, чтобы поддержать в ней необходимую относительную влажность?
16. На психрометре оба термометра показывают одну и ту же температуру. Чему равна при этом относительная влажность воздуха? Поясните свой ответ.
Источник