• Главная
  •  > 
  • Подготовка
  •  > 
  • В зависимости от влажности и. Относительная влажность воздуха, количество теплоты. Перенасыщенный водяной пар

В зависимости от влажности и. Относительная влажность воздуха, количество теплоты. Перенасыщенный водяной пар

На данном уроке, тема которого: «Влажность. Измерение влажности», мы обсудим свойства насыщенного и ненасыщенного водяного пара, который всегда присутствует в атмосфере.

На предыдущем уроке мы с вами познакомились с понятием «насыщенный пар». Как при изучении любых тем и предметов, может возникнуть вопрос: «Где же мы пользуемся этим понятием, как мы его будем применять?». Самое важное применение свойств насыщенного пара мы и обсудим на данном уроке.

Название темы наверняка вам хорошо известно, ведь понятие «влажность воздуха» вы каждый день слышите, когда смотрите или слушаете прогноз погоды. Однако если вас спросят: «Что же понимается под влажностью воздуха?», вы вряд ли сразу дадите точное физическое определение.

Попробуем сформулировать, что же в физике понимается под влажностью воздуха. Прежде всего, что это 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 же 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 является смесью газов, одним из которых и является водяной пар (рис. 1). Он вносит свой вклад в атмосферное давление, этот вклад называется парциальным давлением (а также упругостью) водяных паров.

Рис. 1. Составляющие атмосферного воздуха

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. 2. 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:

Данное соотношение носит название закона Дальтона.

Доказательство закона Дальтона в рамках молекулярно-кинетической теории хотя и не особо сложное, однако достаточно громоздкое, поэтому приводить здесь мы его не будем. Качественно же объяснять этот закон достаточно просто, если учесть тот факт, что мы пренебрегаем взаимодействием между молекулами, т. е. молекулы представляют собой упругие шары, которые могут только сталкиваться друг с другом и со стенками сосуда. На практике модель идеального газа хорошо работает лишь для достаточно разреженных систем. В случае же плотных газов будут наблюдаться отклонения от выполнения закона Дальтона.

Парциальное давление p водяных паров является одним из показателей влажности воздуха, который измеряется в паскалях или миллиметрах ртутного столба.

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 воздуха. Соответственно, единица измерения абсолютной влажности - .

Оба упомянутых показателя влажности связаны уравнением Менделеева-Клапейрона:

- молярная масса водяного пара;

- его абсолютная температура.

То есть, зная один из показателей, например плотность, мы можем легко определить другой, то есть давление.

Мы с вами знаем, что водяной пар может быть как ненасыщенным, так и насыщенным. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью того же состава, называется насыщенным. Ненасыщенный пар - пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. В этом случае равновесие между процессами конденсации и испарения отсутствуют.

В целом водяной пар в атмосфере, несмотря на наличие большого количества водоемов: океанов, морей, рек, озер и так далее - является ненасыщенным, ведь наша атмосфера не закрытый сосуд. 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. Давление водяного пара (насыщенного) в точке росы обозначим .

Подумайте, почему роса, как правило, выпадает ранним утром? Что в этот момент суток происходит с температурой, а следовательно, и с предельным давлением, с давлением насыщенного пара? Очевидно, что знание абсолютной влажности или парциального давления водяного пара не дает нам никакого представления о том, насколько близок или далек данный пар от насыщения. А ведь именно от этой удаленности или близости к насыщению и зависит скорость процессов испарения и конденсации, т. е. тех процессов, которые и обуславливают жизнедеятельность живых организмов.

Если испарение превалирует над конденсацией, то организмы и почва теряют влагу (рис. 3). Если превалирует конденсация, то становятся невозможными процессы сушки (рис. 4).Перед нами стоит необходимость усовершенствовать понятие влажности; понятие абсолютной влажности, как мы только что убедились, не полностью описывает все необходимые нам явления.

Рис. 3. Испарение превалирует над конденсацией

Рис. 4. Конденсация превалирует над испарением

Еще раз обсудим проблематику. Сделаем это на простом примере. Представьте себе, что в некотором транспортном средстве находится 20 человек. Много это или мало, т. е. вот эта абсолютная величина 20 человек? Естественно, что мы не сможем сказать, много это или мало, до тех пор пока не будем знать максимальную вместимость данного автомобиля или транспортного средства. 20 человек в легковой машине - это, естественно, много, это фактически невозможно, а 20 человек в большом автобусе не так уж и много. Аналогично и в случае с абсолютной влажностью, т. е. с парциальным давлением водяного пара, нам необходимо его с чем-то сравнивать. С чем же сравнивать это парциальное давление? Ответ нам подсказывает прошлый урок. Какое важное, особое значение есть у давления водяного пара? Это давление насыщенного водяного пара. Если мы будем сравнивать парциальное давление водяного пара при данной температуре с давлением насыщенного водяного пара при этой же температуре, мы сможем точнее охарактеризовать ту самую влажность воздуха. Чтобы охарактеризовать удаленность состояния пара от насыщения, ввели специальную величину, называемую относительной влажностью .

Относительной влажностью воздуха называют выраженное в процентах отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению 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 как раз давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Вот таким вот способом мы теперь точно определили, что же такое та самая 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, содержащегося в воздухе, и плотность насыщенного пара при той же температуре.

Давление и плотность пара;

Давление и плотность насыщенного пара при данной температуре ;

Универсальная газовая постоянная.

Формула относительной влажности:

Плотность водяного пара, содержащегося в воздухе;

Плотность насыщенного пара при той же температуре.

Влияние интенсивности испарения и конденсации воды на живые организмы

Люди очень 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 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 - прибор для измерения относительной влажности.

Для расчета относительной влажности, как мы только что убедились, нам необходимо знать значение давления или плотности насыщенного пара при данной температуре.

На прошлом уроке, изучая насыщенный пар, мы говорили об этой зависимости, однако ее аналитический вид весьма сложен, наших математических знаний еще не достаточно. Как же быть в этом случае? Выход очень прост: вместо записи этих формул в аналитическом виде, мы будем пользоваться таблицами значения давления и плотности насыщенного пара при данной температуре (табл. 1). Эти таблицы есть как в учебниках, так и в любом справочнике технических величин.

Табл. 1. Зависимость давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры

Теперь рассмотрим изменение относительной влажности с температурой. Чем выше температура, тем меньше относительная влажность. Почему и как, рассмотрим на примере задачи.

Задача

В некотором сосуде пар становится насыщенным при . Какова будет его относительная влажность при , , ?

Поскольку 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 (табл. 2).

Табл. 2. Зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры

Решение:

Из текста вопроса ясно, что при , , ведь именно при этом значении пар становится насыщенным, т. е. из определения относительной влажности мы имеем:

В числителе стоит плотность имеющегося в сосуде водяного пара, а в знаменателе находится плотность отсутствующего в сосуде насыщенного пара при той же температуре. Что будет происходить с величиной влажности при увеличении температуры? Числитель, с учетом замкнутости сосуда, изменяться не будет. Действительно, поскольку не происходит конденсации и нет обмена веществом с внешним миром, то масса пара, а вместе с ней и его плотность, сохранят свои значения. А знаменатель, как мы знаем из прошлого урока, растет с температурой, поэтому относительная влажность будет уменьшаться. Плотность пара в сосуде при можно вычислить из приведенной формулы:

Эту же плотность пар будет иметь и при всех остальных температурах. Следовательно, для 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 значения в формулу для влажности, получим такие ответы:

Ответ:

Пример решения типичной задачи на определение относительной влажности

При решении таких задач важно знать, что давление насыщенного пара зависит от температуры, но не зависит от объема.

Условие задачи:

В сосуде находится воздух, относительная влажность которого при температуре равна . Какой будет относительная влажность после уменьшения объема сосуда в n раз (n = 3) и нагревания газа до температуры ? Плотность насыщенных водяных паров при температуре равна .

Ход решения:

Из определения относительной влажности мы можем записать, что при температуре абсолютная влажность, до сжатия, равна:

А после сжатия:

То есть при уменьшении объема в раз при постоянной массе плотность увеличивается в раз.

После сжатия масса влаги, приходящаяся на единицу объема сосуда, не только в виде паров, но и в виде сконденсировавшееся жидкости, если возникли условия для конденсации, будет равна:

При температуре давление насыщенных водяных паров равно нормальному атмосферному давлению, мы об этом говорили на прошлом уроке, и составляет:

А их плотность, если воспользоваться уравнением Менделеева-Клапейрона, может быть рассчитана по формуле:

Где , т. к. в сосуде будет ненасыщенный пар с относительной влажностью:

Выражая эту влажность в процентах, мы получим значение 2,9 %.

Ответ: .

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. 5.

Рис. 5. Гигрометрический психрометр

На стойке закреплены два термометра с одинаковыми шкалами. Ртутный резервуар одного из них обвернут во влажную тряпочку (рис. 8).

Рис. 6. Термометры гигрометрического психрометра

Вода с этой тряпочки испаряется, благодаря чему сам термометр охлаждается, соответственно, термометры носят название сухой и влажный (рис. 7).

Рис. 7. Сухой и влажный термометры 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 ϕ = 100 % вода не будет испаряться, т. к. весь водяной пар является насыщенным, и показания обоих термометров будут совпадать. При 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.

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 сами дали строгое определение понятий «абсолютная влажность» и «относительная влажность». Фактически это физическая величина, относительная влажность показывает, на сколько атмосферный пар отличается от насыщенного.

Список литературы

  1. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.
  2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.
  1. Интернет-портал WorldOfSchool.ru ()
  2. Интернет-портал «Физика. Старые учебники» ()

Домашнее задание

  1. Чем отличаются абсолютная влажность и относительная влажность?
  2. Что можно измерить с помощью гигрометра психрометрического и каков его принцип действия?
  3. Из каких парциальных давлений складывается атмосферное давление?

Насыщенные и ненасыщенные пары

Насыщенный пар

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно $10^{22}$ молекул за $1с$ на $1см^2$ площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара, температура которого поддерживается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восстановится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление $р_0$, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением $р_0$ эта зависимость выражается равенством:

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость $Р_0(Т)$ отличается от зависимости $p_0=nkT$ для идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (участок кривой $АВ$). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку $А$ (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет.

Поэтому, согласно формуле $p_0=nkT$, давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в изменении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (МКТ идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок $ВС$ кривой).

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным .

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в $1м^3$ воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара $р$, выраженная в г/$м^3$.

Относительная влажность воздуха $φ$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $р$ к плотности $р_0$ насыщенного пара при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Концентрация пара связана с давлением ($p_0=nkT$), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления $р$ пара в воздухе к давлению $р_0$ насыщенного пара при той же температуре:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Точка росы

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения при постоянном давлении и данной влажности воздуха. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности воздуха или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности воздуха $φ = 100%$ точка росы совпадает с температурой воздуха. При $φ

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.

Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).

Удельная теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении

Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.

Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами:

где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура, $t_2$ — конечная температура.

При нагревании тела $t_2 > t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2

В случае, если известна теплоемкость всего тела $С, Q$ определяется по формуле

Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.

Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии, т. к. расстояние между молекулами существенно увеличивается.

Удельная теплота парообразования и конденсации. Опытами установлено, что для полного обращения в пар $1$ кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить $2.3$ МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет $0.9$ МДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1$ кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой $r$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $r$ умножить на массу $m$:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Удельная теплота плавления

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления , надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Удельная теплота сгорания

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Уравнение теплового баланса

В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,

$∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$

Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: $∆U_i=Q_i$. Учитывая ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$), получим:

$Q_1+Q_2+Q_3+...+Q_n=∑↙{i}↖{n}Q_i=0$

Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.

Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.

Понятие влажности воздуха определяется, как фактическое нахождение частиц воды в определенной физической среде, в том числе — в атмосфере. При этом следует различать влажность абсолютную и относительную: в первом случае речь идет о чистом процентном количестве влаги. В соответствии с законом термодинамики, предельное содержание молекул воды в воздухе ограничено. Максимально допустимый уровень определяет относительные показатели влажности и зависит от ряда факторов:

  • атмосферное давление;
  • температура воздуха;
  • наличие мелких частиц (пыли);
  • уровень загрязнения химическими веществами;

Общепринятая мера измерения — проценты, при этом расчет идет по специальной формуле, которая будет рассмотрена далее.

Абсолютная влажность измеряется в граммах на кубический сантиметр, которые для удобства также переводятся в проценты. С увеличением высоты количество влаги может увеличиваться в зависимости от региона, но по достижении определенного потолка (примерно 6-7 километров над уровнем моря) влажность снижается до около нулевых значений. Абсолютная влажность считается одним из основных макропараметров: на его основе составляются планетарные климатические карты и зоны.

Определение уровня влажности

(Прибор психометр - по нему определяют влажность по разницы температур между сухим и влажным термометром )

Влажность по абсолютному соотношению определяется при помощи специальных приборов, которые устанавливают процентное содержание молекул воды в атмосфере. Как правило, суточные колебания ничтожны — этот показатель можно считать статическим, и он не отражает важные климатические условия. Напротив, относительная влажность подвержена сильным суточным колебаниям, и отражает точное распределение конденсированной влаги, ее давление и равновесное насыщение. Именно этот показатель считается основным и рассчитывается как минимум раз в сутки.

Определение относительно влажность воздуха проводится по сложной формуле, которая учитывает:

  • текущую точку росы;
  • температуру;
  • давление насыщенного пара;
  • различные математические модели;

В практике синоптических прогнозов используется упрощенный подход, когда влажность вычисляется приблизительно, с учетом температурной разницы и точки росы (отметки, когда излишняя влага выпадает в виде осадков). Такой подход позволяет с точностью в 90-95% определить требуемые показатели, что более чем достаточно для повседневных нужд.

Зависимость от природных факторов

Содержание молекул воды в воздухе зависит от климатических особенностей конкретного региона, погодных условий, атмосферного давления и некоторых других условий. Так, наибольшая абсолютная влажность наблюдается в тропической и прибрежной зонах. Относительная влажность дополнительно зависит от колебаний ряда факторов, рассмотренных ранее. В дождливый период с условиями пониженного атмосферного давления, показатели относительной влажности могут достигать 85-95%. Высокое давление снижает насыщение водяных паров в атмосфере, соответственно понижая их уровень.

Важная особенность относительной влажности — ее зависимость от термодинамического состояния. Естественной равновесной влажностью является показатель в 100%, что, разумеется, недостижимо по причине крайней неустойчивости климата. Техногенные факторы также влияют на колебания атмосферной влажности. В условиях мегаполисов наблюдается повышенное испарение влаги с асфальтированных поверхностей, одновременно с выбросом большого количества взвешенных частиц и угарного газа. Это обуславливает сильное снижение влажности в большинстве городов мира.

Влияние на человеческий организм

Комфортные для человека границы атмосферной влажности находятся в пределах от 40 до 70%. Длительное нахождение в условиях сильного отклонения от указанной нормы может вызвать заметное ухудшение самочувствия, вплоть до развития патологических состояний. Следует отметить, что человек особенно чувствителен к чрезмерно низкой влажности, испытывая ряд характерных симптомов:

  • раздражение слизистых оболочек;
  • развитие хронических ринитов;
  • повышенная утомляемость;
  • ухудшение состояния кожных покровов;
  • снижение иммунитета;

Среди негативных эффектов повышенной влажности можно отметить риск развития грибковых и простудных заболеваний.

Влажность воздуха - содержание 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

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Абсолютная влажность воздуха - это количество водяного пара в единице объема воздуха:

В системе СИ единица измерения абсолютной влажности

Влажность воздуха является очень важным параметром окружающей среды. Известно, что большую часть поверхности Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой непрерывно происходит испарение. В различных климатических зонах интенсивность этого процесса различна. Она зависит от среднесуточной температуры, наличия ветров и др. факторов. Таким образом, в определенных местах процесс парообразования воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых - наоборот.

Человеческий организм активно реагирует на изменения влажности воздуха. Например, процесс потоотделения тесно взаимосвязан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации, и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции; при низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.

Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды.

Абсолютная влажность воздуха дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, однако эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Человек ощущает не массовое количество воды в воздухе, а ее содержание относительно максимально возможного значения. Для описания реакции живых организмов на изменения содержания водяного пара в воздухе вводят понятие относительной влажности.

Относительная влажность воздуха

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная влажность воздуха - это физическая величина, показывающая насколько водяной пар в воздухе далек от насыщения:

где плотность водяного пара в воздухе (абсолютная влажность); плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Точка росы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Точка росы - это температура, при которой водяной пар становится насыщенным.

Зная температуру точки росы, можно получить представление об относительной влажности воздуха. Если температура точки росы близка к температуре окружающего воздуха, значит влажность высокая (при совпадении температур образуется туман). И напротив, если значения точки росы и температуры воздуха в момент измерения сильно расходятся, то можно говорить о низком содержании водяных паров в атмосфере.

Когда в теплое помещение с мороза заносят какую-либо вещь, воздух над ней охлаждается, насыщается водяными парами, и на вещи конденсируются капельки воды. В дальнейшем вещь прогревается до температуры воздуха помещения, и весь конденсат испаряется.

Другой, не менее хорошо знакомый пример - запотевание стекол в доме. У многих зимой на окнах появляется конденсат. На это явление влияют два фактора -- влажность и температура. Если установлен нормальный стеклопакет и правильно проведено утепление, а конденсат есть, -- значит, в помещении высокая влажность; возможно плохая вентиляция или вытяжка.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание На фотографии представлены два термометра, используемые для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы. Что покажет влажный термометр, если при неизменной температуре воздуха относительная влажность увеличится на 7%?

Решение Запишем показания сухого и влажного термометра, представленных на фотографии:

Определим разность показаний термометров:

По психрометрической таблице определим относительную влажность воздуха:

Если влажность воздуха увеличится на 7%, она станет равной 55%. По психрометрической таблице определяем показания сухого термометра и разности показаний сухого и влажного термометров:

Таким образом, влажный термометр покажет:
Ответ Показания влажного термометра .

ПРИМЕР 2

Задание Относительная влажность вечером при температуре равна 50%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до ?
Решение Относительная влажность: