Вода – уникальное вещество, находящееся в трех состояниях в условиях Земли: твердом, жидком, газообразном. Пар – это вода в газообразной фазе. Он находится в подвижном равновесии с жидкой или твердой фракцией воды.
Читайте также: Какая скорость света?
Параметр плотности и единицы измерения пара
Образование пара с поверхности жидкой или твердой фракции называется испарением. Активное парообразование сопровождается обратным процессом конденсации – перехода из газообразного состояния в жидкое. Водяной пар не имеет вкуса, запаха.
Плотность вещества (ро, ) – это отношение его массы (m) к объему (V): = m / V. Этот показатель находится в прямой зависимости от температуры, изменяется с ее возрастанием и падением по определенным формулам, в зависимости от физических свойств вещества.
Измеряется этот параметр соответственно измерению массы и объема: кг/м
Измерение плотности пара при различных показателях среды имеет важное значение для развития теории термодинамики и применения ее на практике.
Сравнение плотности сухого воздуха и водяного пара
Сравнивать параметры сухого газа (например, воздуха) и пара имеет смысл в замкнутых сосудах.
Показатели сухого воздуха без частичек воды можно приравнять к идеальному газу. С возрастанием температуры количество молекул в ограниченном объеме не увеличивается. Значит, плотность газа в таких условиях будет постоянна при различной степени нагревания. При этом давление воздуха в замкнутом сосуде имеет линейную зависимость от температуры.
В замкнутом сосуде с насыщенным паром (имеющим соприкосновение с поверхностью жидкости) наблюдается противоположная картина. В сосуде имеется небольшое количество воды, из которого происходит испарение. При нагревании испарение становится более интенсивным, и концентрация молекул воды возрастает по экспоненциальной или логарифмической кривой. Как следствие, растет плотность пара, зависимая от концентрации.
В емкости с насыщенным паром, контактирующим с поверхностью воды, уравновешены процессы испарения и конденсации (превращение пара в жидкое состояние). При нагревании концентрация испаряющихся молекул стремительно возрастает. Происходит увеличение плотности и давления пара, при котором испарение и конденсация становятся более интенсивными.
Плотность насыщенного и ненасыщенного водяного пара — в чем разница?
Насыщенным считается пар, который постоянно контактирует с жидкой фракцией воды, постоянно пополняется из нее в закрытом сосуде. При этом наблюдается выравнивание числа испаряемых и конденсируемых молекул. С возрастанием температуры стремительно увеличивается плотность пара.
ВНИМАНИЕ: Давление насыщенного пара зависит от температуры и не зависит объема. Это объясняется активизацией конденсирования излишних молекул воды при уменьшении объема и возрастании давления.
Ненасыщенный пар образуется в открытом пространстве. Испаряемые молекулы воды разносятся на неограниченное расстояние, не создавая увеличение давления. Концентрация молекул в таком случае не увеличивается, плотность остается относительно стабильной. Поэтому конденсация значительно отстает от испарения, наступает при снижении температуры до точки росы.
СПРАВКА: Точкой росы называется температура, при которой ненасыщенный пар становится насыщенным. При такой температуре происходит конденсация жидкости из ненасыщенного модифицированного пара.
От чего зависит плотность и давление водяного пара?
Плотность вещества (в нашем варианте водяного пара) зависит от:
Количества молекул вещества (воды) в единице объема. Эта величина, в свою очередь, имеет зависимость:
от температуры;
давления.
Массы молекулы.
При нагревании газы стремятся к расширению. С увеличением температуры растет концентрация молекул воды, за счет испарения с поверхности жидкости. Если объем остается стабильным (в замкнутом пространстве, сосуде), то плотность пара возрастает.
При неизменной температуре увеличение давления сгущает концентрацию молекул. Их становится больше на единицу объема, поэтому плотность возрастает.
Масса молекул воды постоянна, поэтому для водяного пара плотность остается стабильной при неизменной температуре и постоянном давлении.
Таким образом, зависимость плотности пара от температуры можно выразить в формуле:
= n*k*T, где:
n – концентрация молекул;
k – постоянная, зависящая от массы молекулы (воды);
T – температура.
Что такое абсолютная плотность водяного пара?
Абсолютной плотностью пара принято считать показатель насыщенного пара в динамическом равновесии испарения и конденсации.
Плотность насыщенного пара при различных термических показателях варьирует, определяется по формуле:
= 216,49 * P / (Z * (T°+ 273)), где:
– плотность насыщенного пара в кг/м;
P – абсолютное давление в барах;
T° – температура в градусах Цельсия, изменяемая в шкалу Кельвина (+ 273);
Z – коэффициент, выражающий зависимость от способности сжатия насыщенного пара при показателе давления Р и температуре T°.
С абсолютной плотностью пара связано понятие абсолютной влажности воздуха. Значение абсолютной влажности отличается от плотности в связи с измерением ее согласно Международной метрической системе мер с коррекцией температуры по шкале Кельвина.
Как меняется плотность пара при изменении температуры?
Зависимость плотности пара от температуры прямая, но не линейная. Этим водяной пар отличается от сухого газа.
При достижении температуры, соответствующей точке росы, линейная зависимость плотности от температуры модифицируется в экспоненциальную (плотность стремительно растет до полного испарения зарезервированной воды). Когда вся жидкость переходит в газообразное состояние – линейная зависимость возобновляется. Эти переходы изображены на графике.
График зависимости плотности насыщенного пара от Т° при полном испарении воды (А–В – кривая зависимости насыщенного пара;
В–С – линейная зависимость ненасыщенного пара).
Таблица зависимости плотности паров от температуры
| Т°, °С | Плотность кг/м | Плотность г/м | Плотность г/см |
| 110 | 0,826 | 826 | 0,000826 |
| 100 | 0,597 | 597 | 0,000597 |
| 80 | 0,2929 | 292,9 | 0,0002929 |
| 60 | 0,1301 | 130,1 | 0,0001301 |
| 30 | 0,03037 | 30,37 | 0,00003037 |
| 25 | 0,02309 | 23,09 | 0,00002309 |
| 20 | 0,01729 | 17,29 | 0,00001729 |
| 17 | 0,01453 | 14,53 | 0,00001453 |
| 15 | 0,01280 | 12,8 | 0,0000128 |
| 10 | 0,00939 | 9,39 | 0,00000939 |
| 0 | 0,00484 | 4,84 | 0,00000484 |
ОСОБЕННОСТИ: При низком давлении и высокой температуре свойства пара модифицируются по подобию со свойствами идеального газа.
Пошаговая инструкция как определить плотность водяного пара
Задача 1. Как измерить относительную плотность водяного пара при снижении температуры до 10° С, если известно, что в 1 м воздуха 20°С содержится 13 г газообразной воды?
Для выполнения задачи необходимо воспользоваться экспериментальными таблицами зависимости плотности от давления и температуры.
Если при температуре 20° С плотность насыщенного водяного пара 17,3 г/м, то относительная плотность пара при 13 г/м рассчитывается по формуле пропорции:
100% – 17,3
Х – 13
Х = 100*13 / 17,3 = 75%.
При снижении температуры до 10°С относительная плотность водяного пара рассчитывается по новой пропорции:
100% – 9,39
Х – 13
Х = 100*13 / 9,39 = 138,4%.
Ответ: относительная плотность пара при Т°=10, массе воды 13 г равна 138,4%.
Интерпретация результата: при снижении температуры до 10° относительная плотность пара приведет к процессу усиленной конденсации и превышению над испарением. В этом случае в природе наблюдаются обильные осадки.
Задача 2. Расчет относительной плотности углекислого газа по воздуху.
Для решения необходимо соотнести массу молекулы СО с таковой воздуха:
Хair(CO) = М(СО) / М(air).
С учетом содержания в воздухе смеси газов кислорода, водорода, азота и других, молекулярную массу воздуха принимают как 29.
Молекулярная масса углекислого газа вычисляется по формуле суммы атомных масс:
М(СО) = А(С)+ 2А(О) = 12 + 2*16 = 44.
Результат:
Хair(CO) = М(СО) / М(air) = 44 / 29 = 1,52.
Ответ: относительная плотность углекислого газа по отношению к воздуху – 1,52.
Где используют знания о плотности насыщенного пара на практике?
Теория термодинамики водяного пара очень полезна для систем обогрева в различных хозяйственных отраслях. Соотношение варьирования плотности и температуры при парообразовании и конденсации создает условия для перемещения бльших масс насыщенного пара в трубах и резервуарах.
Термодинамические свойства пара используются:
в системах парового обогрева для отопления высотных домов;
в системах теплоизоляции;
в котельнях различного назначения;
для обеспечения циркуляции воздуха в теплицах, парниках;
в паровых двигателях;
паровых турбинах для производства электрической энергии на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС, АЭС.
Заключение
Свойства водяного пара интенсивно изучаются на протяжении столетий и продолжаются в настоящее время. Взаимозависимость плотности, давления, температуры открывает возможности применения газообразного состояния воды, которое таит в себе потенциал новой еще не познанной информации.