Абсолютная влажность водяного пара в сосуде при температуре
Влажность воздуха
Насыщенный пар
Парциальное давление
Абсолютная влажность
Относительная влажность
Водяные пары
Точка росы
Максимальная влажность
Туман
Теория
В воздухе, как мы знаем, существуют расстояния между молекулами. Возьмем гипотетический шар 1м³ с температурой 40 °С и заполним его 4 молекулами воды.
Между молекулами остается пространство, которое заполняется молекулами воды, пусть остается 5 свободных мест.
Если все 5 «вакатных» мест заняты, то относительная влажность составляет 100% (5 из 5). Такое состояние еще называют насыщенным паром.
Если нашлось только 3 молекулы воды, то относительная влажность составляет 60% (3 из 5).
Относительная влажность – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения (сколько молекул воды могут занять свободные места).
Если же теперь взвесить первоначальный шар только с воздухом, а затем с воздухом и водой, то изменение массы и будет абсолютной влажностью
Абсолютная влажность – масса молекул воды при данной температуре.
Точка росы – это температура, при которой водяной пар становится насыщенным (не осталось свободного места для молекул воды).
Надеюсь, ты читал внимательно и заметил, что все сравнения мы проводили при одной температуре. Можно находить относительную и абсолютную влажность только при одинаковой температуре!
При увеличении температуры растет абсолютная влажность. При T↑ Eк↑, значит, расстояние между молекулами воздуха увеличивается, тогда для молекул воды места будет больше. С ростом температуры увеличивается максимальная влажность.
Максимальная влажность – максимальное количество газообразной воды, которое может поместиться в заданном объеме.
Туман
Тума́н – атмосферное явление, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара.
Почему слева на фото есть туман, справа его нет?
Туман возникает не всегда при низких температурах. Если на улице температура низкая, это не значит, что там появится туман. Туман возникает при резком спаде температур. Днем, например, температура была высокой, поэтому много влаги испарилось в воздух. Ночью температура быстро опустилась – той влаги, что содержалась в воздухе до падения температуры (и была незаметна), становится слишком много – воздух становится перенасыщенным водой, и часть ее оседает в виде росы, а часть находится во взвешенном состоянии в воздухе. Это и есть сам туман.
Задачи
Для решения задач требуется две дополнительные формулы, помимо основных формул МКТ:
Плотность пара делим на плотность насыщенного пара при данной температуре или давление пара делим на давление насыщенного пара при данной температуре.
В скобочках написаны советы, когда какой формулой пользоваться:
Задача №1 Плотность водяного пара при температуре 25 °С равна 23 г/м³. Насыщенная это пар или ненасыщенный?
Насыщенный пар имеет относительную влажность φ = 100%. Для того, чтобы определить это, нужно открыть таблицу зависимости плотности насыщенного пара от температуры:
Ответ: насыщенный.
Задача №2 Относительная влажность воздуха равна 42 %, парциальное давление пара при температуре 20 °С равно 980 Па. Каково давление насыщенного пара при заданной температуре?
Парциа́льное давление – давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Воздух состоит из множества газов, давление одного из газов равно 980 Па.
Нужно найти давление насыщенного пара, значит, воспользуемся формулой относительной влажности через давления:
Температура не меняется, значит, ее никак использовать не нужно.
Ответ: 2333 Па.
Задача №3 На рисунке изображена зависимость давления p насыщенного водяного пара от температуры t. Точкой A на этом графике обозначено состояние пара, находящегося в закрытом сосуде. Чему равна относительная влажность воздуха в этом сосуде?
О том, что показано на графике: 
Что самое главное при нахождение относительной влажности? Конечно, одинаковая температура!
Сравниваем давления только при одинаковой температуре:
Начальная температура 80 °С и начальное давление 30 кПа, а давленые насыщенного пара при 80 °С 40 кПа, тогда:
Ответ: 0,75
Задача №4 При температуре t = 20 °С относительная влажность в комнате φ1 = 20%. Какую массу воды нужно испарить для увеличения влажности до φ2 = 50%, если объем комнаты V = 40 м³? Плотность насыщенных паров воды при температуре t = 20 °С равна ρ₀ = 1,73⋅10⁻² кг/м
Комнату можно представить в виде закрытого сосуда, значит, для нахождения относительной влажности воспользуемся формулой через плотность:
Изменение массы (сколько нужно испарить) найдем по определению:
Ответ: 0,21 кг
Задача №5 В сосуде объёмом 3 л при температуре +70 °C находится смесь воздуха с водяными парами. Давление в сосуде равно 99,2 кПа, относительная влажность воздуха 50 %. Давление насыщенного водяного пара при данной температуре равно 31,1 кПа. Какое количество воздуха находится в сосуде?
Как вещи постепенно все труднее упаковывать в чемодан, так и давление все труднее и труднее повышать.
По закону Дальтона давление смеси газов равно сумме всех отдельных газов (Как объем полностью забитого чемодана равен сумме объемов всех вещей в нем).
Давление насыщенных водяных паров и относительная влажность известны, тогда можно найти давление паров:
Выразим давление сухого воздуха и представим его через уравнениеие Менделеева-Клапейрона:
Ответ: 88 милимоль
Задача №6 В закрытом сосуде объёмом 6 л при температуре +17 °C находится воздух, имеющий влажность 25%. Давление насыщенных паров воды при этой температуре равно 1875 Па. Какую массу воды надо испарить в сосуде при данной температуре для того, чтобы влажность воздуха стала равна 100%? Ответ выразите в миллиграммах и округлите до целого числа.
25% влажности уже есть, нам осталось добавить еще 75% и найти, сколько нужно добавить давления:
Остается выразить массу из уравнения Менд.-Кл. и подставить числа:
Ответ: 63 мг
Задача №7 В комнате размерами 4×5×3 м, в которой воздух имеет температуру 10 °C и относительную влажность 30 %, включили увлажнитель воздуха производительностью 0,2 л/ч. Чему станет равна относительная влажность воздуха в комнате через 1,5 ч? Давление насыщенного водяного пара при температуре 10 °C равно 1,23 кПа. Комнату считать герметичным сосудом. (ЕГЭ 2019)
Для начала найдем, сколько обрзовалось воды за 1,5 часа с мощностью 0,2 л/ч.
Начальное давление в комнате можно найти уже по известной нам формуле:
С этими знаниями через уравнение Менд.-Кл. найдем начальную массу воды в газообразном состоянии:
Через 1,5 часа в воздухе окажется почти полкило воды, найдем давление:
Ответ: 83%
Задача №8 Два сосуда объёмами 20 л и 30 л, соединённые трубкой с краном, содержат влажный воздух при комнатной температуре. Относительная влажность в сосудах равна соответственно 30% и 40%. Если кран открыть, то какой будет относительная влажность воздуха в сосудах после установления теплового равновесия, считая температуру постоянной? (ЕГЭ 2015)
В данной задаче говорится о закрытых сосудах, значит, через какую формулу будем выражать относительную влажность? Да, через плотность!
Плотность можно найти через отношение массы к объему, а дальше расписываем как сумму масс и объемов:
Остается соединить выведенные соотношения (1), (2), (3), сократить плотность насыщенных паров и получить ответ:
Ответ: 36%
Задача №9 После тёплого летнего дождя относительная влажность воздуха уповерхности земли достигла 100%. При этом плотность влажного воздуха (масса пара и воздухав 1 м³) оказалась равной ρ = 1171 г/м³, его давление p = 100 кПа и температура 22 °C. Найти по этим данным давление насыщенного водяного пара при температуре 22 °C. Молярная массавоздуха Mв = 29 г/моль. (МФТИ 1999)
По закону Дальтона запишем, что плотность и давление влажного воздуха находятся как сумма сухового воздуха и пара:
Выразим через уравнение Менд.-Кл. плотность сухового воздуха через давление:
А теперь наоборот выразим давление пара через плотность:
Подставляя теперь в ур-ие (4) ур-ие (2), ур-ие (3) и затем ур-ие (1) получим уравнение относительно давления пара:
Остается выразить и подставить значения:
Ответ: 2,7 кПа
Хорошая тема, и в баньку с ней сходить можно, и с туманом познакомиться. Не знаю, чего она так вам не нравится. Помни, какую формулу и где лучше применить – это на порядок упростит решение задач!
В качестве закрепления материала решите несколько похожих задач с ответами.
Будь в курсе новых статеек, видео и легкого технического юмора.
Источник
На данном уроке будет введено понятие абсолютной и относительной влажности воздуха, будут обсуждаться термины и величины, связанные с этими понятиями. Также мы познакомимся со способами измерения влажности воздуха.
1. Абсолютная влажность
Попробуем сформулировать, что в физике понимается под влажностью воздуха. Прежде всего, что за вода содержится в воздухе? Ведь таковой, например, является туман, дождь, облака и прочие атмосферные явления, проходящие с участием воды в том или ином агрегатном состоянии. Если все эти явления учитывать при описании влажности, то как проводить измерения? Уже из таких простых рассуждений становится ясно, что интуитивными определениями здесь не обойтись. На самом деле речь идет, прежде всего, о парах воды, которые содержатся в нашей атмосфере.
Атмосферный воздух – это смесь газов, одним из которых и является водяной пар. Он вносит свой вклад в атмосферное давление, этот вклад называется парциальным давлением (а также упругостью) водяных паров.
Парциальное давление p водяных паров является одним из показателей влажности воздуха, который измеряется в паскалях или миллиметрах ртутного столба.
2. Закон Дальтона
Основные закономерности, которые мы с вами получали в рамках изучения молекулярно-кинетической теории, относятся к так называемым чистым газам, т. е. газам, состоящим из атомов или молекул одного сорта. Однако очень часто приходится иметь дело со смесью газов. Самым простым и распространенным примером такой смеси является атмосферный воздух, который окружает нас. Как мы знаем, он на 78 % состоит из азота, на 21 % с лишним – из кислорода, а оставшийся процент занимают водяные пары и другие газы (рис. 1).
Рис. 1. Состав атмосферного воздуха
Каждый из газов, который входит в состав воздуха или любой другой смеси газов, безусловно, вносит свой вклад в общее давление данной смеси газов. Вклад каждого отдельного такого компонента носит название парциальное давление газа, т. е. то давление, которое оказывал бы данный газ в отсутствии других компонент смеси.
Английский химик Джон Дальтон экспериментальным путем установил, что для разреженных газовых смесей общее давление есть простая сумма парциальных давлений всех компонент смеси:
P = P1 + P2 + …
Данное соотношение носит название закона Дальтона.
3. Определения
Ознакомимся с рядом понятий, неразрывно связанных с понятием влажности воздуха:
Давление водяного пара зависит от концентрации его молекул в воздухе, а также от абсолютной температуры последнего. Чаще за характеристику влажности принимают плотность ρ водяного пара, содержащегося в воздухе, она называется абсолютной влажностью.
Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в 1м3 воздуха. Соответственно, единица измерения абсолютной влажности – 1Г/м3.
Оба упомянутых показателя влажности связаны уравнением Менделеева – Клапейрона.
М – молярная масса водяного пара;
Т – его абсолютная температура.
То есть, зная один из показателей, например плотность, мы можем легко определить другой, то есть давление.
4. Влияние интенсивности испарения и конденсации воды на живые организмы.
Мы с вами знаем, что водяной пар может быть как ненасыщенным, так и насыщенным. В целом водяной пар в атмосфере, несмотря на наличие большого количества водоемов (океаны, моря, реки, озера и так далее), является ненасыщенным, ведь наша атмосфера не является закрытым сосудом. Однако перемещение воздушных масс (ветра, ураганы и так далее) приводят к тому, что в разных точках Земли в каждый момент времени наблюдается разное соотношение между скоростями конденсации и испарением воды, вследствие чего в отдельных местах пар может достигать насыщения. К чему это приводит? К тому, что в такой местности пар начинает конденсироваться, ведь мы помним, что насыщенный пар всегда контактирует со своей жидкостью. Как результат, может образоваться туман или облака, выпасть роса.
Температура, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы.
5. Значение влажности
Люди восприимчивы к значению относительной влажности, от нее зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи. При высокой влажности, особенно в жаркий день, это испарение уменьшается, вследствие чего нарушается нормальный теплообмен организма с окружающей средой. В сухом воздухе, наоборот, происходит быстрое испарение влаги с поверхности кожи, от чего высыхают, например, слизистые оболочки дыхательных путей. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность в интервале 40-60 %.
Важна также роль водяного пара в формировании погодных условий. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и к последующему выпадению осадков, что, безусловно, имеет значение для любых аспектов нашей жизни и для народного хозяйства. Во многих производственных процессах поддерживаются искусственные режимы влажности. Примером таких процессов являются ткацкие, кондитерские, фармацевтические цеха и многие другие. В библиотеках и музеях для сохранения книг и экспонатов также важно поддерживать определенное значение относительной влажности, поэтому в таких учреждениях во всех помещениях обязательно на стене висит психрометр.
6. Относительная влажность
Чтобы охарактеризовать удаленность состояния пара от насыщения, ввели специальную величину, называемую относительной влажностью.
Относительной влажностью воздуха называют выраженное в процентах отношение давления P водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению P0 насыщенного пара при той же температуре:
Теперь ясно, что чем меньше относительная влажность, тем дальше тот или иной пар от насыщения. Так, например, если значение относительной влажности равно 0, то фактически водяного пара в воздухе нет. Т. е. у нас невозможна конденсация, а при значении относительной влажности 100 % весь водяной пар, который находится в воздухе, является насыщенным, т. к. его давление равно давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Таким способом мы теперь точно определи, что такое та влажность, значение которой нам каждый раз сообщают в прогнозах погоды.
Воспользовавшись уравнением Менделеева – Клапейрона, мы можем получить для относительной влажности альтернативную формулу, в которую входит теперь значение плотности водяного пара, содержавшегося в воздухе, и плотность насыщенного пара при той же температуре.
7. Формула относительной влажности
– плотность водяного пара, содержавшегося в воздухе;
– плотность насыщенного пара при той же температуре.
Для расчета относительной влажности, как мы только что убедились, нам необходимо знать значение давления или плотности насыщенного пара при данной температуре.
8. Зависимость влажности от температуры
Теперь рассмотрим изменение относительной влажности с температурой. Чем выше температура, тем меньше является относительная влажность. Почему и как – рассмотрим на примере задачи.
В некотором сосуде пар становится насыщенным при 0oC. Какова будет его относительная влажность при 10oC, 20oC, 50oC?
Ответить на поставленный вопрос легко, если учесть, что речь идет о паре в сосуде, то объем пара остается неизменным при изменении температуры. Кроме этого, нам необходима таблица зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры, которая представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры
Решение
Из текста вопроса ясно, что при t = 0oC, = 100oC, ведь именно при этом значении пар становится насыщенным, т. е. из определения относительной влажности мы имеем:
Эту же плотность пар будет иметь и при всех остальных температурах. Следовательно, из вычисления влажности нам будет достаточно знать значение плотности насыщенного пара при всех заданных температурах и мы сразу можем получить ответы. Значение плотности насыщенного пара возьмем из таблицы.
Подставляя поочередно данные значения в формулу для влажности, получим такие ответы.
9. Измерения относительной влажности
А теперь поговорим не только о том, что такое влажность, но и о том, как эту самую влажность можно измерять. Наиболее распространенным инструментом для таких измерений служит так называемый гигрометрический психрометр, который представлен на рис. 3.
Рис. 3. Гигрометрический психрометр
На стойке закреплены два термометра с одинаковыми шкалами. Ртутный резервуар одного из них обернут влажной тряпочкой (рис. 4).
Рис. 4. Термометры гигрометрического психрометра
Вода с этой тряпочки испаряется, благодаря чему сам термометр охлаждается, соответственно, термометры носят название сухой и влажный (рис. 5).
Рис. 5. Сухой и влажный термометр гигрометрического психрометра
Чем больше относительная влажность окружающего воздуха, тем менее интенсивно, слабее идет испарение воды с влажной тряпочки, тем меньше разность в показаниях сухого и влажного термометров. Т. е. при = 100 % вода не будет испаряться, т. к. весь водяной пар является насыщенным и показания обоих термометров будут совпадать. При = 0% разность показаний термометров будет максимальной. Таким образом, по разности показаний термометров с помощью специальных психометрических таблиц (чаще всего такая таблица сразу размещена на корпусе самого прибора) и определяют значение относительной влажности.
10. Итоги
Как мы знаем, большая часть поверхности нашей планеты покрыта мировым океаном, поэтому вода и все процессы, происходящие с ней, в частности испарение и конденсация, играют важнейшую роль во всех процессах нашей жизнедеятельности. Мы с вами дали строгое определение понятий «абсолютная влажность» и «относительная влажность». Фактически, это физическая величина, относительная влажность показывает, на сколько атмосферный пар отличается от насыщенного.
11. Пример решения типичной задачи на определение относительной влажности
В замкнутом сосуде объёмом V = 1 м3 находится вода массой m = 12 г и насыщенный пар; плотность и давление пара при данной температуре равны соответственно л = 8 * 10-3 кг/м3 и p = 1,1 кПа. Какое давление установится при увеличении объема в k = 5 раз? Считать, что температура при увеличении объёма не изменяется.
Решение: в сосуде первоначально содержался насыщенный пар массой m1 = лV = 8 * 10-3 кг (объёмом, занимаемым водой, можно пренебречь).
Масса воды и пара была равна m + m1 = 2 * 10-2 кг. Для насыщения объёма, равного kV, необходим пар массой m2 = лkV = 4 * 10-2 кг. Так как m + m1 < m2, то после увеличения объёма пар станет ненасыщенным. Его плотность л1= m + m1/kV . Давление пара при данной температуре прямо пропорционально плотности. Поэтому 1 = * л1 / л = (m + m1)/лkV = 550 Па.
12. Тест
1 вопрос:
Определить, какова была относительная влажность воздуха в баллоне емкостью 10 л при температуре 20oC, если для осушки воздуха в баллоне в него ввели кусок хлористого калия, который поглотил 0,13 г воды:
Варианты ответа:
2 вопрос:
Укажите соотношение, которое описывает Закон Дальтона
Варианты ответа:
3 вопрос:
В запаянном сосуде емкостью 1000 л находится 10 г ненасыщенного водяного пара. Укажите давление, при котором пар становится насыщенным:
Варианты ответа:
л = m/v = 10г / 1м3 (1000л = 1м3) = 10г/м3 по таблице
4 вопрос:
Определите объем помещения, если при относительной влажности 50 % и температуре 11oC масса водяного пара в этом помещении составляет 400 г:
Варианты ответа:
5 вопрос:
На улице моросит осенний холодный дождь, в кухне для просушки вывесили белье. Быстрее ли это белье высохнет и высохнет ли вообще, если открыть форточку?
Варианты ответа:
- Ничего не изменится;
- Медленнее;
- Не высохнет полностью;
- Быстрее.
Приложение 1
Приложение 2
Источник