Как найти массу водяного пара в цилиндре

Как найти массу водяного пара?

Жизнь на Земле невозможна без перехода воды в пар. Он присутствует в атмосфере всегда, в том или ином количестве. В некоторых ситуациях, человеку необходимо знать количество пара, содержащегося в воздухе, в текущий момент.

Чтобы это сделать, нужно знать массу водяного пара. Формула расчета, понятие о молярной и молекулярной массе, ее зависимость от давления и температуры, обо всем этом рассказывается в статье.

Что это такое?

Масса водного пара, находящегося в одном кубометре воздуха, носит название абсолютной влажности воздуха. В физике различают молярную и молекулярную массы веществ.

Молекулярная

Учитывая, что пар – это одно из агрегатных состояний воды, значит, молекулярная величина пара, равна молекулярной массе воды.

Вода является составным веществом, одна её молекула содержит две молекулы водорода и одну молекулу воды.

Различают относительную молекулярную и абсолютную молекулярную массу. Относительная молекулярная масса – это единица, не имеющая размерности, и отображающая отношение массы атома или молекулы к 112 массы атома углерода (¹²С).

Абсолютная молекулярная – это значение атома или молекулы вещества, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Значение а.е.м, принимаемое для расчетов, берут из периодической таблицы Менделеева.

Рассчитывают молекулярную массу пара следующим образом:

1. Ar (воды) = 2 x Ar (водорода) + Ar (кислорода).
2. Возьмем из таблицы Менделеева значения атомных величин водорода и кислорода, округлим их до целых чисел, и подставив значения в формулу, получим:
3. Ar (пара) = Ar (воды) = 2 x Ar (1,0) + Ar (16,0) = 18,0.
4. Итог: абсолютная молярная масса водяного пара равна 18,0 (а.е.м).

Молярная

Молярная масса воды – это молекулярный вес её 1 моль. Учитывая, что пар – одно из состояний воды, значит его молярная величина, равна молярной массе воды. Этот вид физических измерений не зависит от каких-либо других факторов и является величиной постоянной.

Рассчитывается величина путем деления молекулярной величины вещества на единицу его количества.

Молярная масса вещества, состоящего из различных атомов других веществ, может незначительно отличаться от молекулярной величины, если какой-либо из элементов, входящих в его состав имеет нестабильное состояние.

Зная молекулярную массу, довольно легко определить его молярное значение: Mr (пара) = Ar (пара) : 1000 = 0,018 Кгмоль.

Удельная

В физике, термин «масса» имеет отношение только к молекулярным величинам.

Удельное отношение показывает содержание весовых единиц в единице объема, поэтому такого понятия, как «удельная масса вещества» в физике не существует, однако есть понятие удельного веса.

Удельный вес вещества – величина, указывающая, сколько его килограммов содержится в одном кубометре объема. По-другому, удельный вес называется плотностью, и измеряется в КДжКг.

Какие факторы влияют на параметр?

На этот параметр оказывает влияние только один фактор – суммарная атомная масса двух молекул водорода и одной кислорода. На удельный вес водяного пара значительно влияют его температура и давление, под которым он находится в единице объема.

Как зависит от давления и температуры?

Учитывая молекулярную сущность термина «масса пара», можно сказать, что ни от давления, ни от температуры она не зависит. От указанных параметров зависит только его удельный вес.

При повышении давления, удельный вес возрастает:

• при давлении в 6 Бар, 1 м³ будет весить 3170 г.;
• 10 Бар – вес 5150 г.;
• 25 Бар – уже 12500 г.

Похожие изменения происходят с удельным весом пара воды и при повышении температуры – он становится больше.

Существует небольшая таблица зависимости веса пара от давления и температуры:

Как найти массу паров воды в воздухе?

Найти вес пара в единице объема воздуха можно, используя инструкцию, основанную на применении уравнения Клайперона-Менделеева: РV = mM * R*T.

Шаг 1. Переведем формулу для поиска массы: m = РV*M/R*T.

Шаг 2. Для определения давления пара Р, применяется формула вычисления относительной влажности воздуха φ: φ = P/Pн. Давление будет: P = Pн*φ.

Шаг 3. Для получения корректных значений, необходимо все используемые значения перевести в одну систему единиц – температуру в значения по шкале Кельвина, а проценты относительной влажности в единичные доли.

Шаг 4. Выражение из шага №2, необходимо подставить в формулу из шага №1: m = Pн*φ*V*M/R*T. Проведя математические действия, получают искомое значение в килограммах.

Пример расчета

Определить вес водяного пара в 1 кубометре воздуха при нормальном атмосферном давлении, температуре 26˚С и относительной влажности 61%. Давление пара при 26˚С, составляет 3168 Па:

1. Выпишем данные: V = 1 м³; T = 26˚С; φ = 61%; Pн = 3168 Па; m — ?
2. Переведем величины: 26˚С = 299 К, и 61% = 0,61.
3. Подставим данные в формулу из шага №4 инструкции: m = Pн*φ*V*M/R*T = 0,61*3168*1*0,018 8,31*299 = 0,0138 Кг.

Получаем ответ: Вес водяного пара в 1 кубометре воздуха при нормальном атмосферном давлении, температуре 26˚С, и относительной влажности 61%, составляет 0,0138 кг.

Определение массы водяных паров, видео-инструкция:

Где в быту используются знания?

Водяной пар широко используется в промышленности и других областях деятельности человека:

1. Добыча и переработка нефти – его закачивают в скважины для повышения их продуктивности путем снижения вязкости нефти. Им прогревают трубопроводы, резервуары. На НПЗ он применяется для увеличения количества отбора светлых нефтепродуктов (бензин, керосин).
2. Производство электроэнергии – применяют в ТЭЦ для вращения паровых турбин, а после отработки, в виде горячей воды закачивают в системы ГВС и отопления.
3. Химическая промышленность – им разогревают гальванические ванны, используют его для ускорения процесса синтеза некоторых материалов.
4. Деревообработка и производство бумаги – при его помощи разогревают дерево перед различными типами обработки: «раскрутка» ствола при производстве шпона, разделка дерева для получения целлюлозы и бумаги.
5. Строительство – сушат железобетонные изделия, прогревают инертные материалы, увеличивают прочность газобетона сушкой паром в автоклавах.
6. ЖКХ – разморозка трубопроводов, канализации и других конструкций в зимний период.
7. Пищевая промышленность – стерилизация и пастеризация продуктов, их размораживание и варка.
8. Судоходство и другие отрасли транспорта – использование в паровых турбинах и в системах парового пожаротушения.

Множественное применение нашел пар и в быту – приготовление еды в пароварках, парилки в банях, глажка одежды. Измерение его веса в быту вряд ли будет иметь место, но знание этого процесса никому не помешает.

Заключение

Подводя итог, можно сделать вывод – знание веса пара воды необходимо при расчетах паропроводов в системах энергетики, конструкций, работающих в других отраслях промышленности.

Необходимы такие знания и при расчете некоторых типов бытовых приборов. Несложные по своей сути, такие расчеты вполне по силам любому грамотному человеку.

2017-04-24   

В цилиндре под поршнем находится $m = 10 г$ водяного пара при температуре $t = 100^{ circ} C$ и давлении $p = 4 cdot 10^{4} Па$. Какая масса пара сконденсируется, если объем пара изотермически уменьшить в 5 раз?

Решение:

Известно, что при температуре $t = 100^{ circ} С$ давление насыщенных водяных паров $p_{н} = 10^{5} Па$. Так как по условию давление паров $p = 4 cdot 10^{4} Па$, то они ненасыщенны, причем известны их масса, температура и давление. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, найдем их объем: $pV = frac{m}{ mu} RT Rightarrow V = frac{m}{ mu} frac{RT}{p}$. Здесь $mu = 18 cdot 10^{-3} кг/моль$ — молярная масса воды.

После изотермического сжатия пар становится насыщенным, часть его переходит в жидкое состояние. Массу пара обозначим через $m_{п}$; объем, который он занимает, равен $frac{1}{5} V$ (объемом жидкости можно пренебречь). Применив уравнение Менделеева-Клапейрона, получим:

$p_{н} cdot frac{1}{5} V = frac{m_{п}}{ mu} RT Rightarrow m_{п} = frac{p_{н} mu}{5RT} frac{m}{ mu} frac{RT}{p} = frac{1}{5} m frac{p_{н}}{p} = 5 г$.

Масса сконденсировавшегося пара равна $m — m_{п} = 5 г$.

Расчеты, связанные с водяным паром

Задача 32.
В комнате объемом 45 м³ при температуре 25,0 °С относительная влажность воздуха равна 70% или 0,7. Определите массу водяного пара в комнате, если давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно 3,17 кПа.
Решение:
Массу водяного пара в комнате можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона.

pV = (m/M ^. RT), где

р — давление насыщенного водяного пара; V — объем пара; М — молярная масса пара; R — газовая постоянная; Т — температура пара.

Температура, объем и молярная масса пара известны. Для определения давления водяного пара используем формулу относительной влажности.

ф = р/р_н, из которой р = фр_н.

При подставлении значения давления (фр_н) в уравнение Клапейнона-Менделеева, то найдем массу пара m, получим: 

фр_нV = (m/M ^. RT)

откуда

m = фр_нVM/RT = [0,7 ^. (3,17 ^. 10³) ^.45 ^. (18 ^. 10^-3)]/(8,31 ^. 298) = 0,738 кг = 738 г.

Ответ: масса водяного пара в комнате составляет 738 г.
 

Задача 33. 
В комнате объемом 20,0 м³ температура воздуха равна 20,0 °С, а его относительная влажность составляет 20,0 %. Какое количество воды следует испарить, чтобы относительная влажность воздуха в комнате достигла 60,0 %? Известно, что при 20,0 °С давление насыщенного пара равно 2,33 кПа, молярная масса воды составляет 18,0 г/моль.
Решение: 
Масса водяного пара в воздухе определяется следующими формулами:

при влажности ф₁ = 20 %:

m₁ = р₁V, где 

р₁ — плотность водяного пара в воздухе при влажности 20 %; V — объем комнаты;

при влажности ф₂ = 50%:

m₂ = р₂V, где 

р₂ — плотность водяного пара в воздухе при влажности 60 %.

Масса воды, которую следует испарить для повышения влажности воздуха, определяется разностью

∆m = m₂ — m₁, или, в явном виде, ∆m = р₂V — р₁V = (р₂ — р₁)V.

Плотность водяного пара при увеличении влажности увеличивается и определяется следующими формулами:

при влажности ф₁ = 20%:

ф₁ = p₁M/RT, где 

p₁ — давление ненасыщенного водяного пара при влажности 20%; M — молярная масса водяного пара (воды); R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ^. К); T — температура воздуха, T = 273 + 20 = 293 K;

при влажности ф₂ = 50%:

ф₂ = p₂M/RT, где 

p₂ — давление ненасыщенного водяного пара при влажности 60 %.

Формула для расчета искомой величины принимает вид:

∆m = p₂M/RT — p₁M/RT = (p₂ — p₁)VM/RT.

Давления ненасыщенного водяного пара найдем из формулы ф = (p ^. 100 %)/p₀:

при влажности ф₁ = 20%:

 p₁ = ф₁p₀/100%, где 

р₁ — первоначальная влажность воздуха, ф₁ = 20%; p₀ — давление насыщенного пара при температуре T = 293 К;

при влажности ф₂ = 60%:

p₂ = ф₂p₀/100%, где 

ф₂ — влажность воздуха после испарения некоторого количества воды, ф₂ = 60 %.

Подстановка полученных выражений в формулу для ∆m дает:

∆m = (ф₂ — ф₁)/100% ^. p₀VM/RT.

Вычислим:

∆m = (60,0% — 20,0%)/[100% ^. (2,33 ^. 10³) ^. 20,0 ^. (18,0 ^. 10^-3)/(8,31 ^/ 293) = 137,8 ^. 10^-3 кг = 137,8 г.

Ответ: Для указанного повышения влажности воздуха в комнате необходимо испарить 137,8 г воды.
 

Задача 34.
Определить состояние водяного пара, находящегося под давлением p_п = 246660 Па, если его температура составляет:
а) t₁ = 115 °С; б) t₂ = 132 °С.
Решение: 
Согласно табличным данным, давлению p_п = 246,66 кПа соответствует температура насыщения t_н = 127°С. Поскольку t₁ < t_н, то в первом случае пар является влажным. Для второго случая t₂ > t_н, т.е. пар является перегретым.

Таким образом, водяной пар при температуре 115 °С является влажным, а пар при температуре 132 °С — перегретый.

Ответ: а) влажный; б) перегретый.
 

Задача 35. 
Водяной пар, имеющий температуру t = 150 °С, находится под давлением pп = 0,4 МПа. Определить степень его насыщенности.
Решение: 
По табличным данным, применив метод интерполяции, определяем, что температуре t = 150°С соответствует давление насыщения p_н = 475722 Па. Далее, использовав формулу:

ф = p_п/p_н, где

ф — степень насыщенности пара; p_п — давление пара (плотность перегретого пара);  p_н — давление насыщенного пара воды (плотность насыщенного пара).

Находим степень насыщенности пара, получим:

ф = p_п/p_н = 400000/475722 = 0,84.

Ответ: ф = 0,84.