• +7 777 150 51 51

Насыщенный и ненасыщенный пар. Влажность воздуха.

Основные термины:


Испарение - процесс отрыва наиболее быстрых молекул с поверхности жидкости.
Особенности:


Скорость испарения зависит от рода жидкости, ее температуры, площади поверхности жидкости, концентрации пара над поверхностью.

Динамическое равновесие – это состояние термодинамической системы, при котором за одно и то же время число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся в нее.
Пар бывает насыщенным и ненасыщенным.

Насыщенный пар - пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью (испарение равно конденсации). Это означает, что при данной температуре в этом объеме не может находиться большее количество пара. Если сжимать пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью под поршнем (при условии, что воздух из сосуда предварительно откачан), то равновесие будет нарушаться. Так как плотность пара в первый момент увеличится, то усилится конденсация (из пара в жидкость начнет переходить большее количество молекул, чем из жидкости в газ). Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вновь не установятся динамическое равновесие и плотность пара, а следовательно, и концентрация молекул газа не примет прежнее значение. Отсюда можно сделать вывод: концентрация молекул насыщенного пара не зависит от его объема при постоянной температуре. Давление же насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема, так как р = nkT (давление прямо пропорционально концентрации молекул).
Давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

Ненасыщенный пар - газ, при неизменной температуре превращенный в жидкость простым сжатием. Пар не будет находится в динамическом равновесии с жидкостью.
Если над жидкостью образуется ненасыщенный пар, то испарение всегда больше конденсации (процесс перехода газа в жидкость). Если сосуд, в котором находятся жидкость и ненасыщенный пар, закрыть крышкой, то произойдет насыщение пара.

Влажность воздуха Окружающий нас воздух всегда содержит в себе водяные пары. Количество водяного пара, содержащегося в \(1\ м^3\) воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха. Если в воздухе объемом \(V\) содержится пар массой \(m\), то в каждой единице объема воздуха содержание водяного пара будет равно: $$\rho = \frac{m}{V}$$ \(где\ \rho\ -\ абсолютная\ влажность\)
Водяные пары, находящиеся в воздухе, являются, как правило, ненасыщенными. Температуру, при которой водяной пар, находящийся в атмосферном воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы.

Интенсивность испарения воды зависит от степени насыщения водяных паров, которая характеризуется относительной влажностью.
Относительная влажность воздуха – это отношение абсолютной влажности воздуха к количеству пара, которое необходимо для насыщения \(1\ м^3\) воздуха при данной температуре, выраженное в процентах.
Водяного пара в атмосфере может быть много или мало. Если водяного пара много, то металлические предметы покрываются ржавчиной, картины в музеях набухают. Если же водяного пара в атмосфере мало, то люди и животные испытывают жажду, реки пересыхают, а картины в музеях трескаются. $$\varphi = \frac{\rho}{\rho_н} \cdot 100 %$$ \(где\ \varphi\ −\ относительная\ влажность,\)
\(\rho\ −\ абсолютная\ влажность\ пара,\)
\(\rho_н\ −\ плотность\ насыщенного\ пара\ при\ данной\ температуре\)

Отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, называют относительной влажностью воздуха. $$\varphi = \frac{p}{p_н} \cdot 100 %$$ \(где\ \varphi\ −\ относительная\ влажность,\)
\( p\ −\ давление\ водяного\ пара,\)
\(p_н\ −\ давление\ насыщенного\ пара\ при\ той\ же\ температуре\)

Для определения влажности воздуха пользуются специальным прибором, называемым психрометр. Его работа заключается в следующем. Два термометра показывают температуру сухого (комнатного воздуха) и влажного воздуха (второй термометр помещен во влажную марлю). Разность температур между этими термометрами отражает влажность комнатного воздуха. Для определения величины относительной влажности воздуха используют психрометрическую таблицу, которая работает следующим образом:

  1. в первом столбце находим температуру сухого термометра (в градусах Цельсия);
  2. в первой строке находим разность температур между сухим и влажным термометром;
  3. на пересечении найденных строк из первых двух пунктов будет указана относительная влажность воздуха для данных условий.
график

Примеры решения задач:

1.Определите абсолютную влажность воздуха при температуре \(50°С\), если давление водяного пара \(8\ кПа\).

\(Дано:\)
\(t = 50°С\)
\(p = 8\ кПа = 8 \cdot 10^{3}\ Па\)

\(Найти: \varphi = ?\)
\(Решение:\)
Относительной влажностью воздуха находится по формуле $$\varphi = \frac{p}{p_н} \cdot 100 \%$$ Значение давления насыщенного пара получим по таблице. \(p_н(50°С) = 12300\ Па\)
Подставим все в формулу: $$\varphi = \frac{p}{p_н} \cdot 100 \% = \frac{8 \cdot 10^3}{12300} \cdot 100 \% \approx 65\ \%$$

\(Ответ: 65\ \%\)

2. Относительная влажность воздуха в комнате \(43\ %\), а температура \(19°С\). Какую температуру показывает влажный термометр психрометра?

\(Дано:\)
\(t = 19°С\)
\(\varphi = 43\ \%\)

\(Найти: t_{вл} = ?\)
\(Решение:\)
Относительная влажность воздуха находится по психрометрической таблице. Значение \(43\ \%\) при температуре \(t = 19°С\), мы получаем если разность температур между влажным и сухим термометром равна \(\Delta t = 7°С\)
Подставим все в формулу: $$\Delta t = t - t_{вл} \quad \quad \quad \Rightarrow \quad \quad \quad t_{вл} = t - \Delta t = 19°С - 7°С = 12°С$$

\(Ответ: 12°С\)

3. Определите абсолютную влажность воздуха в помещении, если при температуре \(24 °С\) относительная влажность воздуха равна \(69\ %\).

\(Дано:\)
\(t = 24°С\)
\(\varphi = 69\ \%\)

\(Найти: \varphi = ?\)
\(Решение:\)
Относительной влажностью воздуха находится по формуле $$\varphi = \frac{\rho}{\rho_н} \cdot 100 \%$$
Найдем значение плотности насыщенного пара по таблице для \(24 °С\)
\(\rho(24 °С) = 21.8\ г/м^3 = 21,8 \cdot 10^{-3}\ кг/м^3\)
Преобразуем формулу для нахождения абсолютной влажности воздуха: $$\varphi = \frac{\rho}{\rho_н} \cdot 100 \% \quad \quad \quad \Rightarrow \quad \quad \quad \rho = \frac{\rho_н \cdot \varphi}{100 \%} = \frac{21,8 \cdot 10^{-3} \cdot 69\ \%}{100 \%} = 9.4 \cdot 10^{-3}\ кг/м^3$$

\(Ответ: 9.4 \cdot 10^{-3}\ кг/м^3\)