Что это за параметр, в чем измеряется, как обозначается?

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.


От чего зависит?

Значение плотности насыщенных паров зависит от нескольких факторов:

  1. foto48076-2Температура. С ее повышением увеличивается плотность пара, так как прослеживается рост числа молекул насыщения.
  2. Атмосферное давление. Чем оно выше, тем плотность меньше. Связано это с уменьшением числа свободных молекул, покидающих поверхность воды.

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

  3. 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.

Как изменяется при изменении температуры?

Плотность насыщенного пара прямо зависит от температуры:

  1. 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.
  2. 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.
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
-5 3,6
0 4,8
3 6
4 6,4
5 6,8
10 9,4
11 10
12 10,6
13 11,3
14 12
15 12,8
16 13,6
17 14,4
18 15,3
19 16,3
20 17,3
21 18,3
22 19,4
23 20
24 21,7
25 23
30 30,4
35 39,6
40 51,2
45 65,4
50 82,8
55 104
60 129
65 160
70 196,4
75 239,3
80 289,7
85 348,7
90 417,3
95 496,4
при 100 градусах Цельсия 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.

Как определить?

Рассмотрим, как рассчитать параметр.


Формула и правила расчета

Для вычисления плотности вещества используется формула:

foto48076-3

Выражение состоит из следующих значений:

  • «p» — плотность вещества;
  • «F» — абсолютная влажность воздуха (г/м3);
  • «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:

foto48076-4

Уравнение состоит из:

  • «ф» — 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:

  1. Масса водяного пара 250 г.
  2. Объем пара 300 м3.
  3. Плотность неизвестна.

Решение:

  1. P=m/v=грамм/м3.
  2. P=250/300=0,83 г/м3.

Ответ: плотность насыщенного пара, массой 250 г и объемом 300 м3 составляет 0,83 г/м3.

Задача:

  1. Масса водяного пара 700 г.
  2. Объем пара 150 м3.
  3. Плотность пара в кг/м3 неизвестна.

Решение:

  1. P=m/v=грамм/м3.
  2. 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


Где используют знания в жизни?

foto48076-5Знания о плотности насыщенного пара используются в метеорологии и инженерии.

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:

  • отопительных и охладительных систем,
  • вентиляции,
  • очистительного оборудования.

Плотность помогает рассчитать оптимальный уровень насыщения системы влагой.

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.