Плотность – физическая характеристика, присущая твердым, жидким и газообразным веществам. Она очень важна и для, казалось бы, такого неплотного состояния вещества, как пар. Особенно она важна для использования насыщенного водяного пара в деятельности человека.

Мы не только расскажем вам о том, что из себя представляет насыщенный пар и чем характеризуется его плотность, но также покажем, как рассчитать этот показатель, используя другие характеристики вещества, и приведем несколько примеров с решением задач по расчету плотности насыщенного пара.

Базовые определения

Что такое насыщенный пар

Есть два главных вида пара:водяной и насыщенный.

Обычно в природе мы имеем дело с водяным или ненасыщенным паром, который легко смешивается с воздухом и обычно появляется над поверхностью жидкости в открытом пространстве.
Часто он образуется пассивным образом в результате испарения, при сравнительно невысоких температурах.

Но если создать другие условия – закрытую емкость, интенсивное парообразование в результате кипения, повышенное давление – то водяной пар может приобрести новые свойства и перейти в состояние насыщенности.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
В свою очередь, насыщенным паром называют полученную посредством активного парообразования в ходе кипения особую газообразную форму воды. Для него характерно сохранение газообразного агрегатного состояния несмотря на равное с жидкостью количество молекул и предельные значения плотности и давления вещества.

Определение и измерение плотности

Плотностью вещества называют физическую величину, которая указывает на отношение массы к занимаемому объему.Для насыщенного пара, простыми словами, это общее количество газа на единицу занимаемого им объема.

Единицей измерения плотности является кг/м3 – килограмм на кубический метр (по системе СИ) или г/см3 – грамм на кубический сантиметр (по системе СГС). Обозначается данная величина буквой «p».

Плотность насыщенного пара всегда приравнивается к уровню абсолютной влажности. Связано это с тем, что для данного вида пара свойственно насыщение молекулами воды, которые и повышают плотность.

Факторы плотности насыщенного пара

Значение плотности насыщенных паров зависит от нескольких факторов:

Температура. С ее повышением увеличивается плотность пара, так как прослеживается рост числа молекул насыщения.

Также стоит учесть, что при снижении давления, плотность растет, так как снижается температура кипения, увеличивается парообразование и уровень насыщения.



Атмосферное давление. Чем оно выше, тем плотность меньше. Связано это с уменьшением числа свободных молекул, покидающих поверхность воды.

Температура внешней стенки (сосуда). Увеличивает конденсацию, снижает общую температуру жидкости, приводит к дисбалансу динамического равновесия. В следствии этих факторов, снижается плотность пара.

Также стоит учесть, что плотность насыщенного пара зависит от примесей других газов и твердых частиц в нем. Примеси снижают плотность самого пара, так как увеличивают конденсацию при сниженном уровне насыщения.

Изменение температуры

Плотность насыщенного пара прямо зависит от температуры:

  • При понижении температуры прослеживается уменьшение плотности. Связано это с тем, что замедляется процесс парообразования и насыщения пара. Молекулы воды теряют энергию и скорость выхода с поверхности воды, а значит перестают насыщать пар.

  • При увеличении температуры плотность растет прямо пропорционально. Связано это с увеличением скорости насыщения среды до уровня 100%. При достижении этого уровня, наступает фазовый переход из газообразного состояния в жидкое (конденсация). Фазовый переход обусловлен термодинамическим равновесием между паром и водой. При таком условии, плотность стабилизируется без дальнейшего роста.

Мнение эксперта
Татьяна Любимова
Заведующая кафедрой нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ. Доцент, кандидат геолого-минералогических наук. Татьяна Владимировна закончила Саратовский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского, получив диплом инженера-геолога-гидрогеолога. Прошла переподготовку по специальности «Педагогическая деятельность специалиста в сфере высшего, среднего и начального профессионального образования».
Рост и стабилизация плотности с увеличением температуры возможна только до температуры кипения воды. Дальнейший нагрев снижает плотность, так как выпаривает молекулы воды из пара, делая его перегретым.

Таблица зависимости

Зависимость плотности от температуры легко проследить по приведенной таблице:

Температура °С Плотность г/м3
-30 0,3
-20 0,8
-10 2,1
0 4,8
10 9,4
20 17,3
30 30,4
40 51,2
50 82,8
60 129
70 196,4
80 289,7
90 417,3
100 588,5

По таблице можно проследить рост плотности от отрицательной к положительной температуре.

Увеличение связано с ростом количества свободных молекул воды, насыщающих пар. При отрицательной температуре низкая плотность связана с кристаллизацией молекул воды и отсутствием конденсации.

Расчет плотности насыщенного пара

Рассмотрим, как рассчитать параметр.

Формула и правила расчета

Для вычисления плотности вещества используется формула:P=m/v или F=m/v

Выражение состоит из следующих значений:

  • «F» — абсолютная влажность воздуха (г/м3)
  • «P» — плотность вещества

 

  • «m» — его масса (грамм-килограмм)
  • «V» — занимаемый объем (см3-м3)

Так как у насыщенного пара плотность связана с уровнем влажности, то данный параметр может быть рассчитан с использованием выражения:φ=(p/po)*100%

Уравнение состоит из:

  • «φ» — абсолютная влажность
  • «p» — плотность пара

 

  • «pо» — плотность насыщения
  • «100%» — относительная влажность

При использовании формулы стоит учитывать зависимость плотности от температуры и использовать табличные значения этого параметра.

Несколько примеров

Формулу расчета плотности очень просто использовать для решения задач.

Задача:

  • Масса водяного пара 250 г.
  • Объем пара 300 м3.
  • Плотность неизвестна.

Решение:

  • P=m/v=грамм/м3.
  • P=250/300=0,83 г/м3.
  • Ответ: плотность насыщенного пара, массой 250 г и объемом 300 м3 составляет 0,83 г/м3.

Задача:

  • Масса водяного пара 700 г.
  • Объем пара 150 м3.
  • Плотность пара в кг/м3 неизвестна.

Решение:

  • P=m/v=грамм/м3.
  • P=700/150=4,66 г/м3 или 0,0046 кг/м3.
  • Ответ: плотность насыщенного пара массой 700 г и объемом 150 м3 составляет 0,0046 кг/м3

Практическое применение теории

Знания о плотности насыщенного пара используются в метеорологии и инженерии.

Мнение эксперта
Татьяна Любимова
Заведующая кафедрой нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ. Доцент, кандидат геолого-минералогических наук. Татьяна Владимировна закончила Саратовский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского, получив диплом инженера-геолога-гидрогеолога. Прошла переподготовку по специальности «Педагогическая деятельность специалиста в сфере высшего, среднего и начального профессионального образования».

Метеорологи применяют расчет плотности для установления уровня насыщения атмосферы влагой.

Также расчет помогает контролировать испарения естественных источников в разные периоды года и устанавливать скорость испарения при различных температурах.

Инженеры применяют данные знания при проектировании:

  • вентиляции и очистительного оборудования

  • отопительных и охладительных систем

Плотность помогает рассчитать оптимальный уровень насыщения системы влагой.

Частые вопросы

Когда люди начали использовать пар?

Первый прототип паровой машины был изобретен Героном Александрийским в в 1 веке нашей эры. Но по-настоящему эффективные паровые машины смогли создать лишь в 19 веке.

Можно ли получать насыщенный пар без кипения?

Нет. Процесс парообразования в ходе испарения слишком пассивен, чтобы создать насыщенный пар.

Чист ли насыщенный пар?

Обычно водяной пар по своей чистоте близок к дистилляту, потому что при испарении все примеси в жидкости остаются в воде. Но из-за деятельности человека (например, городского смога и химикатов) при конденсации водяной пар может стать загрязнен токсичными веществами.

Насыщенный пар встречается в природе?

Да, но редко. Обычно это происходит в гейзерах и высокотермальных водоносных горизонтах, то есть в зонах вулканической активности, а также в пластовых нефтяных запасах, насыщенных газом.

Насыщенный пар всегда обжигает?

Нет. В большинстве условий для его получения требуются высокие температуры, и он будет обжигать. Но если давление окружающей среды достаточно низкое, чтобы вода кипела при небольших температурах, можно получить насыщенный, но не горячий водяной пар.

Заключение

Плотность насыщенного пара имеет прямую зависимость от температуры, давления и наличия термодинамического равновесия с исходной водой.

Такая зависимость позволяет рассчитать климатические изменения в разный период, а также решить множество задач при проектировании климатических систем.