Насыщенный пар. Влажность воздуха - МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Цель: объяснить понятие «влажность воздуха», показать практическое применение и важность данной физической величины.

Ход урока

I. Повторение изученного. Проверка домашнего задания

1. Сформулируйте определение процессов испарения и конденсации.

2. При каких условиях происходит испарение жидкости?

3. От каких факторов зависит скорость испарения?

4. Что такое удельная теплота парообразования?

5. На что расходуется подводимое количество теплоты при парообразовании?

6. Почему при ветре жара переносится легче?

7. Одинакова ли внутренняя энергия 1 кг воды и пара при температуре 100 °С?

II. Самостоятельная работа

1. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 20 кг каменного угля?

2. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 50 л метана? Плотность метана примите равной 0,7 кг/м³.

3. На стаканчике с йогуртом написано: энергетическая ценность 72 ккал. Выразите энергетическую ценность продукта в Дж.

4. Теплота сгорания суточного рациона питания для школьников вашего возраста составляет около 1,2 МДж.

1) Достаточно ли для вас потребление в течение дня 100 г жирного творога, 50 г пшеничного хлеба, 50 г говядины и 200 г картофеля. Необходимые дополнительные данные:

Удельная теплота сгорания q · 10³, Дж/кг:

- творог жирный - 9755;

- хлеб пшеничный - 9261;

- говядина - 7524;

- картофель - 3776.

2) Достаточно ли для вас потребление в течение дня 100 г окуня, 50 г свежих огурцов, 200 г винограда, 100 г ржаного хлеба, 20 г подсолнечного масла и 150 г сливочного мороженого.

Удельная теплота сгорания q · 10³, Дж/кг:

- окунь - 3520;

- огурцы свежие - 572;

- виноград - 2400;

- хлеб ржаной - 8884;

- масло подсолнечное - 38900;

- мороженое сливочное - 7498.

5. При подготовке к урокам в течение двух часов вы тратите около 800 кДж энергии. Восстановите ли вы запас энергии, если выпьете 200 мл обезжиренного молока и съедите 50 г пшеничного хлеба? Плотность обезжиренного молока равна 1036 кг/м³.

6. Воду из мензурки перелили в сосуд, нагреваемый пламенем спиртовки, и испарили. Рассчитайте массу сгоревшего спирта. Нагреванием сосуда и потерями на нагревание воздуха можно пренебречь.

7. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 т антрацита?

8. Какую массу биогаза надо сжечь, чтобы выделилось 50 МДж теплоты?

9. Какое количество теплоты выделится при сгорании 5 л мазута. Плотность мазута примите равной 890 кг/м³.

10. На коробке конфет написано: калорийность 100 г 580 ккал. Выразите калорийность продукта в Дж.

11. Изучите этикетки разных пищевых продуктов. Запишите энергетическую ценность (калорийность) продуктов, выразив ее в джоулях или калориях (килокалориях).

12. При езде на велосипеде за 1 час вы тратите примерно 2260 000 Дж энергии. Восстановите ли вы запас энергии, если съедите 200 г вишни?

Ответы: 1. 418 МДж. 2. ≈ 1,7 МДж. 4. 1) Потреблено ≈ 2,2 МДж - достаточно; 2) Потреблено ≈3,7 МДж - достаточно. 5. Потреблено ≈ 1 МДж - достаточно. 6. 1,26 г. 7. 26,8 · 10? Дж. 8. 2 кг. 9. ≈ 173 МДж.

III. Изучение нового материала

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности рек, озер, океанов, не является насыщенным, атмосфера - открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других - наоборот.

Содержание водяного пара в воздухе - его влажность - характеризуется рядом величин. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.

За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара S, содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью S [г/м³].

Абсолютные влажность и парциальное давление водяного пара связаны уравнением:

Парциальное давление водяного пара или абсолютная влажность ничего не говорят о том, насколько водяной пар далек от насыщения.

Для этого вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность:

Р - парциальное давление при данной температуре;

Р₀ - давление насыщенного пара при той же температуре;

S - абсолютная влажность;

S₀ - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами.

При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара.

Температура t, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.

Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, равной точке росы, есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка росы также характеризует влажность воздуха.

Влажность воздуха можно определить специальными приборами.

1. Гигрометр

С его помощью определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной влажности.

2. Волосяной гигрометр

Его действие основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности.

Применяется в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.

3. Психрометр

Обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.

Значение влажности воздуха для живых организмов

При температуре 20-25 °С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60 %. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое потоотделение является значительной нагрузкой для человека.

Относительная влажность ниже 40 % при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию. Особенно низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20 %. При низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими увлажнителями являются растения.

Если относительная влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый. Высокая влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100 % испарение вообще не может происходить - при таких условиях мокрая одежда или влажная кожа никогда не высохнут.

Из курса биологии вы знаете о разнообразных приспособлениях растений в засушливых местностях. Но растения приспособлены и к высокой влажности воздуха. Так, родина Монстеры - влажный экваториальный лес. Монстера при относительной влажности, близкой к 100 %, «плачет», она удаляет избытки влаги через отверстия в листьях - гидатоды.

В современных зданиях производится кондиционирование воздуха - создание и поддержание в закрытых помещениях воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей. При этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.

Исключительное значение для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может стать насыщенным и начнет выпадать роса. Но при конденсации водяных паров выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к 0 °С, равна 2490 кДж/кг). Поэтому воздух у поверхности почвы при образовании росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения температуры и, во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать некоторые из этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.

IV. Повторение изученного

1. Что понимается под влажностью воздуха?

2. Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В каких единицах ее выражают?

3. Что такое упругость водяного пара?

4. Что называют относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?

5. Относительная влажность воздуха 70 %, что это значит?

6. Что называют точкой росы?

7. С помощью каких приборов определяют влажность воздуха?

8. Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком?

9. Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров и психрометра.

V. Решение задач

1. Плотность водяного пара при температуре 50 °С равна 83 г/м³. Насыщенный это пар или ненасыщенный?

Решение: Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо определить давление водяного пара при данной температуре.

Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона:

μ = 18 · 10^-3 кг/моль - молярная масса водяного пара, которая равна молярной массе воды Н₂O.

Следовательно, при температуре 50 °С давление насыщенного пара ≈ 12,577 кПа. Определим по таблице давление насыщенного пара воды при температуре 50 °С. Оно равно 12,3 кПа, что меньше давления пара, рассчитанного в задаче, следовательно, пар является перенасыщенным.

(Ответ: Р = 12,4 кПа - пар перенасыщенный.)

2. Давление насыщенного пара спирта при 0 °С равно 1,6 кПа, а при 60 °С - 46,6 кПа. Сравнить значения плотности пара при этих температурах.

Решение:

Плотность пара можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что плотность

С увеличением давления и температуры плотность пара увеличивается. Найдем отношение плотности при двух значениях давления Р и температуры Т, учитывая, что молярная масса не менялась.

T. е. при t° = 60 °С плотность паров спирта примерно в 24 раза больше плотности паров спирта при 0 °С. (Ответ: ≈ 24.)

3. При каком давлении вода будет кипеть при 21°С? (Ответ: Вода будет кипеть при температуре 21 °С при давлении 2,49 кПа.)

4. Может ли вода находиться в жидком состоянии при температуре 360 °С; 380 °С? (Ответ: при температуре 360 °С вода может находиться в жидком состоянии, а при температуре 380 "С вода находится в газообразном состоянии.)

5. В каком состоянии вещества плотность повышается с повышением температуры и почему это происходит? (Ответ: Плотность вещества повышается с повышением температуры в состоянии насыщенного пара, т. к. с увеличением температуры скорость движения частиц увеличивается, испарение происходит быстрее. Поэтому плотность насыщенного пара начинает повышаться и динамическое равновесие между жидкостью и паром наступает при большей плотности пара и при большей температуре.)

6. Почему в холодных помещениях часто бывает сыро? (Ответ: При низких температурах относительная влажность воздуха велика, а иногда достигает и 100 %, т. е. весь водяной пар, содержащийся в воздухе, является насыщенным. Поэтому стены, пол и т. п. в холодном помещении покрываются влагой, которая медленно испаряется.)

7. Почему зимой оконные стекла потеют, если в комнате много людей? (Ответ: Большое скопление людей в комнате повышает содержание водяного пара в воздухе, который близок к насыщению. В таком состоянии достаточно небольшого охлаждения воздуха, чтобы пар начал конденсироваться. Попадая на оконные стекла, пар конденсируется, т. е. идет процесс перехода вещества (водяного пара) из газообразного состояния в жидкое.)

8. Определите абсолютную влажность воздуха, если парциальное давление пара в нем 14 кПа, а температура 60 °С. (Ответ: с ≈ 9,1 · 10^-2 кг/м³).

9. По гигрометру обнаружено появление росы при температуре 10 °С. Какова относительная влажность воздуха, если его температура 15 °С? (Ответ: φ = 71 %.)

10. Показания сухого термометра в психрометре 15 °С, влажного - 12 °С. Определите относительную влажность воздуха. (Ответ: φ = 71 %.)

Домашнее задание

П. 74, задачи на с. 191 (5-6).