Конспект урока: Общая характеристика червей. Тип Плоские черви: ресничные черви

Насыщенный пар. Влажность

План урока

Насыщенный и ненасыщенный пар
Влажность
Относительная влажность воздуха
Точка росы

Цели урока

знать, какой пар называется насыщенным, а какой ненасыщенным
знать, что называют абсолютной влажностью
уметь рассчитывать относительную влажность воздуха
знать, что такое точка росы

Разминка

Какой процесс называют испарением?
Что такое конденсация?
По какой формуле рассчитывается тепло, необходимое для испарения жидкости?

Насыщенный и ненасыщенный пар

Рис. 1. Динамическое равновесие пара и жидкости

Переход молекул из жидкости в газ и обратно происходит не только при температуре кипения. Фактически обмен молекулами между жидкостью и газом происходит при любых температурах. Это связано с тем, что при температурах ниже температуры кипения жидкость и газ могут находиться в динамическом равновесии друг с другом. Представим себе закрытый сосуд с жидкостью, примером из жизни может быть оставленная закрытая бутылка с водой. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющейся жидкости в газообразном состоянии. Влажный пар будет собираться под крышкой сосуда. В какой-то момент времени концентрация молекул жидкости в паре станет настолько большой, что каждая последующая испарившаяся молекула будет тут же приводить к конденсации молекулы пара. Иными словами, в сосуде установится состояние, при котором число молекул, покидающих жидкость (парообразование) в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость (конденсация) за то же время. Такое состояние называют динамическим равновесием между процессами парообразования и конденсации вещества (рис. 1).

Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Давление $P_{н а с}$ насыщенного пара зависит только от температуры. Пар, находящийся при давлении ниже давления насыщенного пара, называется ненасыщенным. Если плотность пара очень велика, то число возвращающихся в жидкость молекул будет превышать число молекул, покидающих её за то же время. В этом случае пар называют перенасыщенным.

Поведение насыщенного и идеального газа при различных термодинамических процессах будет различно. Если насыщенный пар начать сжимать, то концентрация молекул пара возрастёт. В этом моменте равновесие между процессами испарения и конденсации сразу нарушается, и конденсация будет преобладать над парообразованием. С другой стороны, при расширении насыщенного пара, концентрация его молекул уменьшается и парообразование будет преобладать над конденсацией. Таким образом, концентрация насыщенного пара остаётся постоянной независимо от объёма. В соответствии с основным уравнением МКТ, давление газа пропорционально концентрации и температуре ( $p = n k T$ ), давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от объёма. Интенсивность процесса парообразования увеличивается с возрастанием температуры жидкости. Поэтому динамическое равновесие между парообразованием и конденсацией при повышении температуры устанавливается при больших концентрациях молекул газа.

Рис. 2

Давление идеального газа при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре. Так как в насыщенном паре при возрастании температуры концентрация молекул увеличивается, давление насыщенного пара с повышением температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа с постоянной концентрацией молекул (рис. 2).

Влажность

Окружающий нас воздух всегда содержит некоторое количество молекул жидкости. Количество водяных паров в воздухе определяет его влажность. Влажность является очень важной физической величиной, значение которой отслеживают практически всегда, когда требуется сохранить исходное состояние того или иного объекта. Так, например, повышенная влажность может приводить к различным человеческим болезням, разрушению строительных пород, коррозии металла. Влажность принято описывать с помощью двух величин: абсолютной и относительной влажности.

Абсолютной влажностью воздуха называют плотность $ρ_{н а с}$ водяного пара, содержащегося в этом воздухе.

Зная абсолютную влажность $ρ_{н а с}$ , можно рассчитать массу $m$ водяного пара в любом заданном объёме $V$ воздуха: $m = ρ_{н а с} \cdot V$ .

Парциальное давление $p_{н а с}$ водяного пара также используют в качестве меры абсолютной влажности.

Парциальное давление $p_{н а с}$ — давление, которое создавал бы водяной пар, если бы не было других газов.

Эксперименты показывают, что если пар не является перенасыщенным и находится в состоянии термодинамического равновесия, то его термодинамические параметры с достаточной степенью точности удовлетворяют уравнению Менделеева – Клапейрона. Согласно этому уравнению, абсолютная влажность $ρ_{н а с}$ и парциальное давление $p_{н а с}$ пара связаны соотношением:

$ρ_{н а с} = \frac{m}{V} = \frac{M}{R \cdot T} \cdot p_{н а с}$ ,

где $M$ — молярная масса пара, $T$ — его абсолютная температура.

Ниже приведём значения плотности $ρ_{н а с}$ и давления $p_{н а с}$ насыщенных паров при некоторых температурах.

Таблица 1. Значение абсолютной влажности паров воды при некоторых температурах

t, °C	–20	–10	0	10	20	40	60	8	10
$p_{н а с}$ , кПа	0,103	0,259	0,611	1,227	2,337	7,376	19,29	47,30	101,3
$ρ_{н а с}$ , г/м3	0,88	2,14	4,85	9,41	17,32	51,2	130,5	294	598

Относительная влажность воздуха

Физическая величина, показывающая насколько близок данный воздух к насыщенному пару, называется относительной влажностью. В атмосферном воздухе интенсивность испарения воды зависит от того, насколько близко давление паров воды к давлению насыщенных паров при данной температуре.

Относительная влажность воздуха — отношение парциального давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре:

$φ = \frac{p}{p_{нас}} \cdot 100 %$ .

При относительной влажности 100 % устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации воды, в результате количество молекул жидкости в газе не уменьшается и не увеличивается.

Точка росы

Рассмотрим воздух с парами воды в закрытом сосуде, объём которого не изменяется. Абсолютная влажность воздуха $ρ$ существенно меньше $ρ_{н а с}$ . При малом понижении температуры плотность пара будет оставаться неизменной. Из таблицы 1 видно, что значение плотности насыщенного пара уменьшается с уменьшением температуры. Таким образом, при понижении температуры воздуха относительная влажность будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет 100 %. С этого момента находящийся в воздухе водяной пар станет насыщенным и начнётся его конденсация. В результате образуется роса и выпадает туман.

Температура $T_{р}$ , при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы.

По точке росы можно найти давление водяного пара в воздухе $p_{1}$ . Оно равно давлению насыщенного пара при температуре $T_{1}$ , равной точке росы. По значениям давления пара $p_{1}$ и давления $p_{0}$ насыщенного водяного пара при данной температуре можно определить относительную влажность воздуха.

Для определения влажности воздуха используют такие приборы, как конденсационные и волосные гигрометры и психрометр.

Нормальная влажность воздуха в жилых помещениях около 60 %.

Днём с возрастанием температуры, а значит, с ростом давления, относительная влажность убывает. Ночью, наоборот, относительная влажность возрастает.

Пример 1

Найдите массу водяного пара в комнате объёмом $V$ = 100 м³, зная, что температура воздуха в комнате равна $T$ = 10 °C, а относительная влажность $φ$ = 50 %.

Решение

1. Запишем исходные данные:

$\{\begin{cases} V = 100 м^{3} \\ T = 10 ° C \\ φ = 50 % \\ m - ? \end{cases}$ .

2. Относительная влажность находится с помощью двух формул:

$φ = \frac{ρ}{ρ_{н}} \cdot 100 %$ ,

где $ρ_{н}$ — плотность насыщенного пара;

$φ = \frac{p}{p_{н}} \cdot 100 %$ ,

где $p_{н}$ — давление насыщенного пара.

Поскольку нам надо найти массу водяного пара, а масса $m = ρ \cdot V$ , то будем использовать формулу $φ = \frac{ρ}{ρ_{н}} \cdot 100 %$ .
В справочных материалах найдём плотность насыщенного пара, соответствующую данной температуре 10 °C:

$ρ_{н} (10 ° C) = 9, 41 \cdot 10^{- 3} \frac{кг}{м^{3}}$ .

3. Найдём плотность пара:

$ρ = \frac{φ}{100} \cdot ρ_{н} = \frac{50}{100} \cdot 9, 41 \cdot 10^{- 3} = 4, 705 \cdot 10^{- 3} \frac{кг}{м^{3}}$ .

4. Теперь найдём массу пара:

$m = ρ \cdot V = 4, 705 \cdot 10^{- 3} \cdot 100 \approx 0, 5 кг$ .

Ответ: $m = 0, 5 кг$ .

Упражнение 1

1. В 4 м³ воздуха при температуре 16 °C находится 40 г водяного пара. Найти относительную влажность.

2. Найти относительную влажность воздуха в комнате при температуре
18 °C, если при 10 °C образуется роса.

Контрольные вопросы

1. Какой пар называется насыщенным?
2. Почему давление насыщенного пара с ростом температуры растёт быстрее, чем давление идеального газа?
3. Что называют абсолютной влажностью воздуха?
4. Как рассчитывается относительная влажность воздуха?
5. Что позволяет определить точка росы?

Ответы

Упражнение 1

1. 73,5 %

2. 59 %

Конспект урока: Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность. Кипение

Агрегатные состояния вещества

Насыщенный и ненасыщенный пар

Влажность

Относительная влажность воздуха

Точка росы