Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха
Испарение и конденсация.
Пример 1. Хорошо закрытый флакон с духами может стоять очень долго, и количество духов в нем не изменится. Если же флакон оставить открытым, то жидкость испаряется.
Пример 2. Быстрее испаряется (высыхает) лужа на асфальте, особенно если высока температура воздуха и дует ветер.
Объяснение: Молекулы жидкости движутся беспорядочно. Чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определенное значение. Но у каждой молекулы кинетическая энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше средней. В какой-то момент кинетическая энергия отдельных молекул может стать настолько большой, что они окажутся способными вылететь из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул.
Процесс превращения жидкости в пар называется испарением.
При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определенный промежуток времени, больше числа молекул возвращающихся.
Вылетевшая молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость.
Интенсивность испарения зависит от:
- рода жидкости;
- температуры жидкости;
- от площади поверхности жидкости;
- от скорости движения воздуха над поверхностью жидкости.
Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.
При испарении жидкость покидают более быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается. Это означает, что происходит понижение температуры жидкости. Смочив руку какой-нибудь быстро испаряющейся жидкостью (например, бензином или ацетоном), вы тут же почувствуете сильное охлаждение смоченного места. Охлаждение этого места усилится, если на руку подуть.
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
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.
Если процессы
испарения и конденсации идут с одинаковой скоростью, то есть ежесекундно из
жидкости вылетает в среднем столько же молекул, сколько и влетает в жидкость, то
говорят, что жидкость и пар над ней находятся в динамическом равновесии.
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 (р = nκT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.
Давление рн.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.
При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.
Газовые законы для насыщенного пара несправедливы (при любом объеме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково). В то же время состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Менделеева — Клапейрона.
Вывод:
Давление насыщенного пара зависит только от его химического состава и температуры и не зависит от величины объёма, который он занимает.
При увеличении температуры, увеличивается не только скорость молекул, но и их концентрация.
Ненасыщенный пар.
Если пар постепенно сжимают, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют ненасыщенным.
Если процесс испарения идет быстрее, чем процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасыщенный пар. На рисунке схематически изображены процессы испарения и конденсации в случае ненасыщенного пара.
При определенном объеме пар становится насыщенным, и при дальнейшем его сжатии происходит превращение его в жидкость. В этом случае над жидкостью уже будет находиться насыщенный пар.
Однако пар превращается в жидкость не при любой температуре. Если температура выше некоторого значения, то, как бы мы ни сжимали газ, он никогда не превратится в жидкость.
Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется критической температурой.
Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.
Вывод:
Если температура газа выше критической, то газ не перейдет в жидкое состояние ни при каком давлении;
Если температура газа равна критической, то газ перейдет в жидкое состояние и без перехода в состояние насыщения;
Если температура газа меньше критической, то изотермическое сжатие приведет газ в начале в состояние насыщения, а затем в жидкое состояние.
Каждому веществу соответствует своя критическая температура, у гелия Ткр = 4 К, у азота Ткр = 126 К.
Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны.
Кипение.
Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости;
Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.
Температуру кипения можно понизить, если уменьшать внешнее давление.
Влажность воздуха, точка росы.
Содержание водяного пара в воздухе, т. е. его влажность, можно характеризовать несколькими величинами.
Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью.
Абсолютная влажность ρ – это количество граммов водяного пара, содержащееся в кубическом метре воздуха при данных условиях. Абсолютная влажность измеряется, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м3).
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара.
Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях или миллиметрах ртутного столба.
Атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений компонент сухого воздуха (кислорода, азота и т. д.) и водяного пара.
По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность.
Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению рн п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:
Относительная влажность воздуха обычно меньше 100%.
Давление насыщенного пара определяется с помощью специальной таблицы
Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них — психрометре.
Психрометр состоит из двух термометров.
Резервуар одного из них остается сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идет испарение и температура, показываемая термометром, окруженным влажной тканью, ближе к температуре сухого термометра.
При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.
Точка
росы.
Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его
водяной пар к насыщении.
Если влажный воздух охладить, то находящийся в нем пар можно довести до
насыщения, и далее он будет конденсироваться. Признаком того, что пар насытился
является появление капель сконденсировавшейся жидкости – росы.
Точка росы определяется как температура, при которой парциальное давление водяного пара равно давлению насыщенного пара.
Физический смысл этой величины состоит в том, что она характеризует температуру, при которой из влажного воздуха начинает конденсировать влага.
Точка росы определяется однозначно величиной парциального давления и может быть найдена по таблице.
Примеры решения задач:
Задача 1. Относительная влажность воздуха в бане при температуре 100ºС составляет 10% (t/φ = 100/10). Определить точку росы воздуха.
Задача 2. Сухой термометр показывает 21 градус, а влажный -16 градусов. Какая относительная влажность воздуха и сколько водяного пара содержится в 1м кубическом воздуха.
Задачи для самостоятельного решения
1. Парциальное давление водяного пара в воздухе равно 12 кПа
2. Найдите относительную влажность воздуха в комнате при температуре 18oС, если при температуре 10oС появилась роса.
3. Относительная влажность воздуха φ в русской бане при t = 60ºС составляет 60% (t/φ = 60/60). Определить точку росы воздуха.
4. Относительная влажность воздуха в летний день при температуре 30ºС составляет 55% (t/φ = 30/55). Определить точку росы воздуха
5. Температура воздуха в доме, где расположена баня при относительной влажности 60% равна 25ºС (t/φ = 25/60). Определить – какая будет относительная влажность этого воздуха в парилке при температуре 45ºС?
6. Начали вдвоем прогреваться в герметичной керамической бане (РБМ) при температуре воздуха 45ºС и относительной влажности 20%. Через тридцать минут относительная влажность поднялась до 60%. Определить - какое количество пота испарилось в парной, если габариты парной 2,0 • 2,5 • 2,2 м.
7. Температура воздуха 23 градуса Цельсия, относительная влажность 45%. Найти абсолютную влажность воздуха и точку росы.
8. Относительная влажность воздуха 25%. Каково соотношение парциального давления водяного парв в комнате и давление насыщенного пара при такой же температуре.
Домашнее задание:
Задачи:
1. Температура воздуха 200С, точка росы 100С. Определить относительную влажность воздуха.
2. Найдите относительную влажность воздуха, если парциальное давление водяного пара в воздухе при 19oС было 1,1 кПа
3. В 10 л воздуха при температуре 30oС содержится 0,2 г водяного пара. Какое количество пара сконденсируется, если при постоянной температуре уменьшить объём воздуха вдвое?
4. Найдите массу 1 м3 влажного воздуха при температуре 36oС и давлении 1013 гПа, если относительная влажность его 80%, а давление насыщенного пара при этой температуре 5,945 кПа.
Составить план обобщенного характера изучения величины – влажность воздуха.
Пункты плана.
1. Какое явление и свойство характеризует величина
2. Определение величины
3. Формула определения величины
4. Векторная или скалярная величина
5. Единицы измерения величины
6. Способы измерения величины