Лабораторна робота № 8
Атмосферне повітря завжди змішаний з водяною парою. Така суміш сухого повітря з водяною парою називається вологим повітрям. Однак кількість водяної пари в газовій суміші не може бути довільним. Залежно від температури і повного тиску суміші кількість водяної пари у вологому повітрі не може перевищувати певної величини.
Так як в процесах зміни фізичного стану вологого повітря склад сухого повітря не змінюється, його можна вважати одним з компонентів пароповітряної суміші, незважаючи на те, що в дійсності він сам є сумішшю газів. Другим компонентом вологого повітря є водяна пара. Можливість фазового переходу у одного з компонентів суміші (води) відрізняє вологе повітря від звичайної газової суміші.
Крім водяної пари вологе повітря може містити дрібні крапельки води (у вигляді туману) або кристалики льоду. Водяна пара у вологому повітрі може бути в перегрітому стані. Парціальний тиск водяної пари Рп у вологому повітрі не може бути вище тиску насичення Рн при даній температурі вологого повітря (Рп ≤ Рн). Найбільше значення парціального тиску водяної пари у вологому повітрі Рн визначається тільки температурою суміші і не залежить від тиску суміші Р.
Суміш сухого повітря з перегрітою водяною парою називається ненасиченим вологим повітрям. Для такої суміші справедливо умова Рп <Рн Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нём перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы.
Суміш сухого повітря з насиченою водяною парою називається насиченим вологим повітрям. У насиченому вологому повітрі Рп = Рн.
Знижуючи температуру насиченого вологого повітря при постійному тиску, можна охолодити повітря до такої температури, при якій парціальний тиск водяної пари буде відповідати стану насичення, і при подальшому зниженні температури з повітря почне виділятися волога. Так, наприклад, зниження температури атмосферного повітря часто призводить до появи туману (тобто до конденсації пари). При тисках, близьких до атмосферного, газова суміш, що складається з повітря і водяної пари, за своїми властивостями мало відрізняється від властивостей ідеального газу.
Парціальний тиск водяної пари в повітрі зазвичай мало, тому і водяна пара при цих умовах можна вважати ідеальним газом.
Абсолютна і відносна вологість повітря. Маса водяної пари, що міститься в 1м 3 вологого повітря, що чисельно дорівнює щільності пара # 961; п при парціальному тиску Рп називається абсолютною вологістю. Так як вологе повітря являє собою газову суміш, то обсяг водяної пари в суміші дорівнює обсягу всієї суміші і, отже, абсолютна вологість дорівнює парціальної густини пара в суміші при своєму парціальному тиску і температурі суміші:
Ставлення дійсної абсолютної вологості повітря # 961; п до максимально можливої абсолютної вологості # 961; н при тій же температурі називається відносною вологістю.
де: Рп - парціальний тиск водяної пари у вологому повітрі; Рн - максимально можливе парціальний тиск водяної пари при даній температурі.
Відносна вологість зазвичай виражається у відсотках і змінюється в межах. Для сухого повітря. для насиченого. Для визначення змісту пари у вологому повітрі крім відносної вологості необхідно знати температуру вологого повітря, по якій з парових таблиць визначається тиск насиченої пари Рн.
Абсолютна вологість повітря.
де: і - парціальні щільності водяної пари і повітря, кг / м 3
де: індексами «п» і «в» відзначені маси і молярні маси водяної пари і сухого повітря відповідно.
В процесі зміни фізичного стану вологого повітря кількість сухого повітря залишається незмінним, тому всі удільні величини, що характеризують стан вологого повітря, доцільно відносити до кількості сухого, а не вологого повітря. З урахуванням того, що молярні маси водяної пари # 956; п і повітря # 956; в відповідно рівні 18,06 і 28,95 кг / кмоль тоді
Удавана молярна маса, газова постійна вологого повітря.
Об'ємні частки сухого повітря і пари у вологому повітрі можуть бути визначені, якщо відомі парціальні тиску пара і сухого повітря, відносинами rв = Рм / Р = (Р-Рп) / Р, rп = Рп / Р, де ^ відповідно до закону Дальтона Р = Рм + Рп. При відомих об'ємних частках здається молярна маса вологого
повітря може бути обчислена за формулою:
Якщо врахувати, що Рп = Рн. і прийняти водяна пара, що знаходиться у вологому повітрі, як ідеального газу, то
# 956; = 28,96-10,94 Рн / Р (6)
При заданому тиску вологого повітря здається молярна маса вологого повітря залежить від температури і відносної вологості повітря.
Так як газова постійна суміші газів R = 8314 / # 956 ;, тоді газову постійну повітря можна визначити відношенням
При = 0 (відповідає сухого повітря) R = R в = 287 Дж / (кг # 8729; К). В іншому граничному випадку при = 1 (відповідає чистому водяній парі) Рн = Р, а R = R п = 461 Дж / (кг # 8729; К).
Газова постійна вологість повітря завжди більше газової постійної сухого повітря.
Парциальная щільність водяної пари може бути обчислена по рівнянню стану.
Підставляючи значення в вираз (8), остаточно отримаємо
Теплоємність і ентальпія вологого повітря
Ізобарну теплоємність вологого повітря cр зазвичай відносять до 1 кг сухого повітря, тобто (1 + d) кг вологого повітря. Вона дорівнює сумі теплоємностей 1кг сухого повітря і d кг водяної пари:
де срв і УРП - масові ізобарна теплоємності сухого повітря і водяної пари відповідно.
У наближених термодинамічних розрахунках процесів, пов'язаних з вологим повітрям в невеликому діапазоні температур, можна приймати срв = 1 кДж / (кг # 8729; К) і УРП = 2 кДж / (кг # 8729; К).
Ентальпія вологого повітря визначається як ентальпія газової суміші, що складається з 1 кг сухого повітря і d кг водяної пари, тому
де hв - ентальпія сухого повітря, hп - ентальпія водяної пари.
При визначенні ентальпії газової суміші необхідно, щоб ентальпії компонентів суміші мали одне і те ж початок відліку. Ентальпія сухого повітря hв = cрв t = t, так як cрв = 1. Водяна пара в першому наближенні можна прийняти в якості ідеального газу, ентальпія якого не залежить від тиску. Якщо крім того, врахувати, що в умовах зміни фізичного стану вологого повітря інтервал зміни температур малий, то можна прийняти теплоємність водяної пари постійною. При цих спрощують припущеннях ентальпія водяної пари може бути обчислена за формулою
де r - прихована теплота пароутворення при 0 0 С.
Так як r = 2501 кДж / кг, то hп = 2501 + 1,93t. Таким чином
Встановимо залежність ентальпії вологого повітря від відносної вологості: