Что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?

Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.

Водяной пар в атмосфере.

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью .

Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3).

Парциальное давление водяного пара

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём 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.

Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.

Относительная влажность.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё 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 р н. п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.

При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.

Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы .

По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометр.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них - психрометре .

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.

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.

Значение влажности.

От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40-60%).

Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?

Очень важно знать влажность в метеорологии - в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.

В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.

Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.

Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.

Относительная влажность

Отношение действительного значения абсолютной влажности к максимально возможному ее значению при той же температуре называется о т н о с и т е л ь н о й влажностью.

Обозначают относительную влажность φ :

Как правило, относительную влажность выражают в процентах, тогда

∙ 100, % и ∙ 100, %.

Для сухого воздуха φ = 0%, влажный насыщенный воздух имеет φ = 100%.

Увеличение относительной влажности воздуха происходит за счет добавления в него количества водяного пара. В тоже время, если охлаждать влажный воздух при неизменном парциальном давлении водяного пара, то φ будет увеличиваться вплоть до φ = 100%.

Температуру, при которой достигается состояние насыщения влаж- ного воздуха, называют т е м п е р а т у р о й т о ч к и р о с ы и обозначают t р .

При температуре ниже t р воздух будет оставаться насыщенным, избыточная же влага выпадает из влажного воздуха в виде капель воды или тумана. Это свойство положено в основу принципа определения t р прибором, называемым гигрометром.

При обработке влажного воздуха (подогрев, охлаждение) количество сухого воздуха в нем не изменяется, поэтому целесообразно все удельные величины относить к 1 кг сухого воздуха.

Массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха, называютют в л а г о с о д е р ж а н и е м.

Обозначают влагосодержание через d , измеряют в г/кг.

Из определения следует:

При допущении, что водяной пар и сухой воздух являются идеальными газами, можно записать:

p п V п = m п R п Т п и p с V c = m c R c T с.

Почленно разделим их и, учитывая особенности газовых смесей (пар и сухой воздух занимают один и тот же объем и имеют одинаковую температуру), т.е. V п = V c и T п = Т с ), получим:

(3.5)

Из уравнения (3.5) следует, что влагосодержание при заданном барометрическом давлении (р бар) зависит только от парциального давления водяного пара. В выражение (3.5) можно ввести значение относительной влажности φ: так, с учетом (3.3)

. (3.6)

Из уравнения (3.5) определим парциальное давление водяного пара во влажном воздухе через влагосодержание:

. (3.7)

3.2.2. Диаграмма id влажного воздуха

Определение параметров влажного воздуха и расчет процессов тепло- и массообмена значительно упрощается при использовании id – диаграммы, которая была предложена в 1918 г Л.К.Рамзиным. Диаграмма (рис. 3.3) построена для барометрического давления 745 мм рт. ст., т.е. 99,3 кПа (среднее годовое давление в Центральной части России), но ею можно пользоваться и при других барометрических давлениях в пределах допустимой точности.

При построении диаграммы по оси ординат отложена удельная энтальпия сухого воздуха – i, а по оси абсцисс влагосодержании – d . С целью расширения наиболее используемой для расчетов области, соответствующей насыщенному влажному воздуху, угол между осями выбран равным 135 0 . Горизонтально проведена вспомогательная ось, на которую спроецированы значения влагосодержания с наклонной оси. Хотя ось абсцисс на диаграмму обычно не наносится, изоэнтальпы идут параллельно ей, поэтому они на диаграмме изображаются наклонными прямыми. Линии d = const проведены параллельно оси ординат.

Значения d = const и i = const образуют координатную сетку, на которую наносятся линии постоянных температур (изотермы) и кривые линии относительной влажности (φ=const).

Для построения изотерм необходимо выразить энтальпию через влагосодержание. Энтальпия влажного воздуха на основании условия аддитивности выразится как

I = I c + I п .

Поделим величины данного уравнения на массу сухого воздуха, получим:

i = i c + .

Если второе слагаемое умножить и разделить на массу пара, то будем иметь:

(3.8)

Отсчитывая энтальпию от 0 0 С, выражение (3.8) можно записать:

i = c pc t + d (r 0 + c p п t ), (3.9)

где c pc и c p п – массовые теплоемкости сухого воздуха и пара;

r 0 – теплота фазового перехода воды в пар при 0 0 С;

t – текущее значение температуры.

При допущении, что теплоемкости сухого воздуха и пара в диапазоне измеряемых температур постоянны, для фиксированного t уравнение (3.9) представляет линейную зависимость i от d. Следовательно, изотермы в координатах i d будут прямыми линиями.

Используя выражение (3.6) и табличные зависимости давления насыщенного пара от температуры p н = f(t), несложно построить кривые относительной влажности. Так, при построении кривой для конкретного φ выбирают несколько значений температур, из таблиц для них определяют p н и по (3.6) вычисляют d. Соединив точки с координатами t i , d i линией, получим кривую φ = const. Линии (φ = const) имеют вид расходящихся кривых, которые претерпевают излом при t = 99,4 0 С (температура кипения воды при давлении 745 мм рт. ст), и дальше идут вертикально. Кривая φ=100% делит площадь диаграммы на две части. Выше кривой располагается область влажного воздуха с ненасыщенным паром, а ниже – область влажного воздуха с насыщенным и частично – с конденсированным паром. Изотермы, соответствующие температурам адиабатного насыщения воздуха (t м), на диаграмме проходят под небольшим углом к изоэнтальпам и изображены пунктирными линиями. Они измеряются "мокрым" термометром и обозначаются t м. На кривой φ = 100 % в одной точке пересекаются изотермы сухого и мокрого термометров. В нижней части диаграммы по уравнению (3.7) построена зависимость р п = f(d) для р бар = 745 мм рт ст.

По id-диаграмме, зная два любых параметра, можно определит все остальные параметры влажного воздуха. Так, например, для состояния A

(см рис. 3.6) имеем t a , i a , φ a , d a , p па, t p . Значения температуры t a , энтальпии i a и влагосодержания d a есть проекция точки А на оси i, d и t. Величина относительной влажности характеризуется значением на кривой, проходящей через данное состояние.

Для определения температуры точки росы необходимо точку A спроецировать на кривую φ = 100%. Изотерма, проходящая через эту проекцию, дает значение t p . Давление пара определяется по влагосодержанию d a и линией p п = f(d).

При нагревании воздуха его влагосодержание не изменяется (d=const), а энтальпия возрастает, поэтому процесс нагрева на id-диаграмме изображается вертикальной прямой AB.

Процесс охлаждения воздуха также происходит при d=const; энтальпия уменьшается (линия CE), а относительная влажность возрастает вплоть до точки росы, являющейся пересечением прямой охлаждения CE с кривой φ = 100 %.

В процессе сушки материала воздух увлажняется. Если при этом теплота, истраченная на испарение влаги, берется из воздуха, то этот процесс приближенно (без учета энтальпии воды) считают изоэнтальпным, так как израсходованная теплота снова возвращается воздуху вместе с испаренной влагой. Поэтому на id – диаграмме процесс сушки изображается прямой CR, параллельной линиям i = const.

При увлажнении воздуха паром (линия КМ) энтальпия влажного воздуха увеличивается. Параметры состояния (i м, d м) определяются по начальным (i к, d к),. из теплового и материального балансов процесса смешения

i м = i к + d п i п и d м = d к + d п,

где i п и d п – энтальпия и количество подаваемого пара на 1 кг сухого воздуха, соответственно.

При смешивании потоков влажного воздуха параметры смеси определяются на основании балансов массы, энтальпии и влаги. Если расходы влажного воздуха в смешиваемых потоках и , а энтальпии и влагосодержания, соответственно, i 1 , d 1 и i 2 , d 2 , то уравнения для определения энтальпии и влагосодержания смеси следующие:

i см = (i 1 m 1 + i 2 m 2)/(m 1 +m 2) ,

d см = (d 1 m 1 +d 2 m 2)/(m 1 +m 2).

При смешении двух потоков воздуха относительная влажность смеси не может быть больше 100 %.

Вам понадобится

• - ртутный термометр;
• - герметичный сосуд;
• - таблица зависимости насыщенного водяного пара от температуры;
• - психрометр.

Инструкция

Для непосредственного измерения влажности, отберите пробу воздуха в герметичный сосуд и начинайте охлаждать его. При определенной на стенках сосуда появится роса (пар конденсируется), запишите значение температуры, при котором это произойдет. По специально таблице найдите плотность насыщенного пара при той температуре, что он конденсировался. Это и будет абсолютная влажность воздуха , проба которого отбиралась.

Определение относительной влажности двумя термометрамиВозьмите два одинаковых термометра. Лучше подойдут жидкостные ртутные термометры. На пузырек с рабочей жидкостью одного из них намотайте марлю, после чего обильно смочите ее водой. Подождав некоторое время, снимите показания с термометров в Цельсия. После чего найдите разность температур на влажном и сухом термометре, показания термометра будут или такими же, или ниже, чем сухого. В психрометрической таблице найдите столбец показаний сухого термометра и найдите наиболее к тому, что показало измерение. Затем по строке найдите значение, которое соответствует рассчитанной разнице показаний сухого и влажного термометров, в ячейке будет относительная влажность воздуха в процентах.

Определение относительной влажности волосяным гигрометромПоскольку конский волос изменяет свою длину в зависимости от влажности воздуха , натяните его и присоедините к чувствительному динамометру. По силе можно определять относительную влажность воздуха . Данное измерение будет наименее точным.

Полезный совет

При расчетах давление насыщенного пара можно заменить на его плотность, на результат это не повлияет.

Влажность показывает, какое количество паров воды содержится в воздухе. Важным экологическим показателем среды является относительная влажность. Если она принимает слишком низкие или слишком высокие значения, человек быстро устает, ухудшается его восприятие, память и самочувствие.

Инструкция

Влажность бывает абсолютной и относительной. Абсолютная влажность f показывает реальное количество водяного пара по массе, которое находится в одном воздуха. Чтобы найти абсолютную влажность воздуха, разделите массу пара к общему объему . Единицы измерения – на метр кубический, г/м³.

Существует понятие максимальной абсолютной влажности при фиксированной температуре. Дело в том, что плотность не может увеличиваться до бесконечности, в определенный момент термодинамическое равновесие. Это состояние системы, при котором макроскопические параметры, такие как температура, объем, давление, энтропия, постоянны во времени. Эти величины колеблются возле своих средних значений, если максимально изолирована от воздействий внешней среды.

Итак, при наступлении термодинамического равновесия между паром и воздухом говорят, что воздух насыщен паром. Влажность воздуха, насыщенного паром, и является максимальной. Ее называют также границей насыщения. Она тоже в г/м³. Можно обозначить ее за F.

Абсолютная влажность

Абсолютная влажность воздуха – это плотность водяного пара в воздухе, иными словами, масса водяного пара, который фактически вмещается в один кубический метр воздуха. Показатель измеряется в граммах на кубический метр.

Воздух вполне способен дойти до состояния полного насыщения, это происходит из-за того, что при постоянной температуре он способен впитать в себя только определенное количество пара. Такая абсолютная влажность (когда воздух полностью насыщен) называется влагоемкостью.

Относительная влажность

Влагоемкость напрямую зависит от температуры, и при ее повышении резко возрастает. Если вычислить отношение абсолютной влажности воздуха при конкретной температуре к его влагоемкости при той же температуре, получится показатель, называемый .

Если анализировать значения показателя относительной влажности в масштабах Земли, то наиболее высок он в экваториальный зоне, в полярных широтах и внутри материков средней широты в зимнее время, а наиболее низок в субтропических и . С увеличением высоты влажность воздуха быстро убывает.

Как узнать относительную влажность

Для определения значения относительной влажности воздуха применяется специальный прибор – психрометр. По сути это система из двух термометров. На один из них надевается марлевый чехол, кончик которого опущен в воду. Второй термометр работает в обычном режиме и показывает значение текущей температуры воздуха. Первый же, термометр с чехлом, показывает более низкую температуру (ведь при испарении влаги из чехла расходуется тепло).

Значение температуры, которое показывает смоченный термометр, называется пределом охлаждения, а разница между данными сухого и смоченного – психрометрической разностью. При этом относительная влажность воздуха обратно пропорциональна психрометрической разности: чем меньше влажность, тем больше влаги воздух может поглотить.

Для получения численного показателя относительной влажности нужно значение абсолютной влажности разделить на максимально возможную влажность. Обычно результат выражается в процентах.

Показатель влажности воздуха очень важен, ведь при слишком низкой или высокой влажности ухудшается самочувствие человека, снижается работоспособность, ухудшается восприятие и память. Кроме того, при строго определенных границах влажности воздуха требуется хранить продукты питания, стройматериалы и многие электронные компоненты.

В воздухе, характеризуемое рядом величин. Вода, испарившаяся с поверхности при их нагревании, попадает в и сосредотачивается в нижних слоях тропосферы. Температура, при которой воздух достигает насыщения влагой при данном содержании водяного пара и неизменном , называется точкой росы.

Влажность характеризуется следующими показателями:

Абсолютная влажность (лат. absolutus - полный). Она выражается массой водяного пара в 1м воздуха. Исчисляется в граммах водяного пара на 1 м3 воздуха. Чем выше , тем больше абсолютная влажность, так как больше воды при нагревании переходит из жидкого состояния в парообразное. Днем абсолютная влажность больше, чем ночью. Показатель абсолютной влажности зависит от : в полярных широтах, например, она равна до 1 г на 1 м2 водяного пара, на экваторе до 30 грамм на 1 м2 в Батуми ( , побережье ) абсолютная влажность составляет 6 г на 1 м, а в Верхоянске ( , ) - 0,1 грамма на 1 м От абсолютной влажности воздуха в большой степени зависит растительный покров местности;

Относительная влажность . Это отношение количества влаги, находящейся в воздухе, к тому количеству, которое он может содержать при той же температуре. Исчисляется относительная влажность в процентах. Например, относительная влажность равна 70%. Это значит, что воздух содержит 70% того количества пара, которое он может вместить при данной температуре. Если суточный ход абсолютной влажности прямо пропорционален ходу температур, то относительная влажность обратно пропорциональна этому ходу. Человек чувствует себя хорошо при , равной 40-75%. Отклонение от нормы вызывает болезненное состояние организма.

Воздух в природе редко бывает насыщенным водяными парами, но всегда содержит какое-то его количество. Нигде на Земле не была зарегистрирована относительная влажность, равная 0%. На метеорологических станциях влажность измеряется с помощью прибора гигрометра, кроме того, используются приборы-самописцы - гигрографы;

Воздух насыщенный и ненасыщенный. При испарении воды с поверхности океана или суши воздух не может вмещать водяной пар беспредельно. Этот предел зависит от . Воздух, который больше не может вместить влагу, называется насыщенным. Из этого воздуха при малейшем охлаждении его начинают выделяться капельки воды в виде росы, . Это происходит потому, что вода при охлаждении переходит из состояния (пар) в жидкое. Воздух, находящийся над сухой и теплой поверхностью, обычно содержит водяного пара меньше, чем мог бы содержать при данной температуре. Такой воздух называется ненасыщенным. При его охлаждении не всегда выделяется вода. Чем воздух теплее, тем больше его способность к влагопоглощению. Например, при температуре -20°С воздух содержит не более 1 г/м воды; при температуре + 10°С - около 9 г/м3, а при +20°С - около 17 г/м Поэтому при кажущейся сильной влажности воздуха в

Психрометр Августа состоит из двух ртутных термометров, укрепленных на штативе или расположенных в общем футляре. Шарик одного термометра обернут тонкой батистовой тканью, опущенной в стаканчик с дистиллированной водой.

При пользовании психрометром Августа вычисление абсолютной влажности производят по формуле Ренье:
A = f-a(t-t 1)H,
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (см. таблицу 2); а - психрометрический коэффициент, t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление в момент определения.

Если воздух совершенно неподвижен, то а=0,00128. При наличии слабого движения воздуха (0,4 м/с) а = 0,00110. Максимальную и относительную влажность рассчитывают, как указано на стр. 34.

Таблица 2. Упругость насыщенных водяных паров (выборочно)

Температура воздуха (°С)		Температура воздуха (°С)	Напряжение водяных паров (мм рт. ст.)	Температура воздуха (°С)	Напряжение водяных паров (мм рт. ст.)
-20 - 15 -10 -5 -3 -4 0 +1 +2,0 +4,0 +6,0 +8,0 +10,0 +11,0 +12,0	0,94 1.44 2.15 3.16 3,67 4,256 4,579 4,926 5,294 6,101 7,103 8.045 9,209 9,844 10,518	+13,0 +14,0 +15,0 +16,0 +17,0 +18,0 +19,0 +20,0 +21,0 +22,0 +24,0 +25,0 +27,0 +30,0 +32,0	11,231 11,987 12,788 13,634 14,530 15,477 16.477 17,735 18,650 19,827 22,377 23,756 26,739 31,842 35,663	+35,0 +37,0 +40,0 +45,0 +55,0 +70,0 +100,0	42,175 47,067 55,324 71,88 118,04 233,7 760,0

Таблица 3. Определение относительной влажности по показаниям
аспирационного психрометра (в процентах)

Таблица 4. Определение относительной влажности воздуха по показаниям сухого и влажного термометров в психрометре Августа при обычных условиях спокойного и равномерного движения воздуха в комнате со скоростью 0,2 м/с

Для определения относительной влажности существуют специальные таблицы (таблицы 3, 4). Более точные показания дает психрометр Ассмана (рис. 3). Он состоит из двух термометров, заключенных в металлические трубки, через которые равномерно просасывается воздух с помощью заводного вентилятора, находящегося в верхней части прибора. Ртутный резервуар одного из термометров обернут кусочком батиста, который перед каждым определением смачивается дистиллированной водой при помощи специальной пипетки. После того как омочили термометр, заводят ключом вентилятор и вешают прибор на штатив. Через 4-5 мин записывают показания сухого и влажного термометров. Так как с поверхности ртутного шарика, смоченного термометра, происходит испарение влаги и поглощение тепла, то он будет показывать более низкую температуру. Вычисление абсолютной влажности производят по формуле Шпрунга:

где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра; 0,5 - постоянный психрометрический коэффициент (поправка на скорость движения воздуха); t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление; 755 - среднее барометрическое давление (определяют по таблице 2).

Максимальную влажность (F) определяют с помощью таблицы 2 по температуре сухого термометра.

Относительную влажность (R) рассчитывают по формуле:

где R - относительная влажность; А - абсолютная влажность; F - максимальная влажность при температуре сухого термометра.

Для определения колебаний относительной влажности во времени пользуются прибором гигрографом. Прибор устроен аналогично термографу, но воспринимающей частью гигрографа является обезжиренный пучок волос.

Рис. 3. Аспирационный психрометр Ассмана:

1 - металлические трубки;
2 - ртутные термометры;
3 - отверстия для выхода просасываемого воздуха;
4 - зажим для подвешивания психрометра;
5 - пипетка для смачивания влажного термометра.