Что это за параметр, в чем измеряется (кг/м3 и г/см3)?

Плотностью водяного пара является соотношение его массы к объему. По международной системе «СИ», данный параметр рассчитывается в килограммах на кубический метр (кг/м3).

По системе «СГС», в граммах на кубический сантиметр (г/см3). В формулах и руководствах по эксплуатации данный параметр обозначается буквой «p».

Простыми словами, понятие плотности можно объяснить, как общий вес водяного пара, который занимает определенный объем. Например, емкость.

Сравнение плотности сухого воздуха и водяного пара

foto48060-2Обе среды сильно отличаются. Для того чтобы провести сравнение, необходимо учесть, что эталонным значением плотности сухого воздуха является 1,22 кг/м3.

Эта величина рассчитывается в условиях температуры 15 градусов и атмосферного давления 101 Па.

При температуре 15 градусов и атмосферном давлении 101 Па, плотность водяного пара составляет 0,0128 кг/м3, что примерно в 95 раз меньше плотности сухого воздуха.

Такое большое различие по плотности обусловлено химическим составом двух газов. В сухом воздухе содержится большее число молекул, так как он является смесью нескольких газов, наполнен различными тяжелыми частицами.


В чем разница в значении для насыщенного и ненасыщенного?

Плотность насыщенного пара всегда больше, чем ненасыщенного. Разница кроется в уровне влажности.

В насыщенном паре больше молекул воды, они более крупные и горячие. Для ненасыщенного пара свойственен малый уровень насыщения водой, молекул в среде меньше, а значит пространство, которое занимает пар разряженное.

Еще одной зависимостью является температура. При ее росте увеличивается плотность ненасыщенного пара до предела насыщения в 100%. На этом пороге пар входит в термодинамическое равновесие с водой, и рост плотности останавливается.

При увеличении температуры плотность станет увеличиваться, но при этом произойдет потеря равновесия, и пар станет перегретым.

От чего зависит?

Плотность и давление водяного пара могут менять свои значения, в зависимости от следующих факторов:

  1. foto48060-3Температура. При повышении температуры плотность и давление увеличиваются.
  2. Атмосферное давление. Его увеличение снижает плотность, так как снижается скорость парообразования.
  3. Уровень влажности. Чем он выше, тем плотность и давление выше. На параметры влияет количество молекул воды, содержащихся в паре.
  4. Взаимосвязь с внешней атмосферой. Плотность насыщенного пара в закрытом сосуде выше, чем при контакте с внешней средой. Скорость снижения плотности при контакте с воздухом увеличивается пропорционально скорости движения внешней среды (ветер).

При этом стоит учитывать, что отсутствует зависимость плотности от объема. Например, в закрытом сосуде, при уменьшении объема, занимаемого пространства, плотность снижается на начальном этапе и достигает своей изначальной величины после достижения термодинамического равновесия с водой и уровня насыщения.

Что такое абсолютная плотность?

Значением абсолютной плотности водяного пара является величина абсолютной влажности занимаемого им пространства. Влажность воздуха также указывает на плотность насыщенного пара, находящегося в нем.

По данному значению рассчитывается относительная влажность, как отношение плотности насыщенного пара и влажности воздуха, в котором пар содержится.

Абсолютная влажность или плотность рассчитывается как кг/м3, а относительная влажность как соотношение плотности пара «p» и абсолютной влажности «pо».

Как меняется при изменении температуры?

Значение плотности водяного пара имеет прямую зависимость от его температуры:

  1. При увеличении подвода тепла плотность растет, так как увеличивается скорость парообразования. Молекулы воды в большом количестве покидают жидкость, увеличивая концентрацию пара.
  2. При снижении температуры плотность снижается. Происходит это за счет конденсации и снижения скорости молекул воды в паре. При конденсации, в условиях понижения температуры, прекращается или снижается парообразование, количество молекул, покинувших газ не возобновляется, а значит падает общая плотность.

Зависимость плотности от температуры очень наглядно прослеживается в таблице.

Таблица зависимости

Таблица взаимосвязи плотности водяного пара и температуры.

Температура °С Давление P кгс/см2  Плотность p кг/м3 Плотность p г/м3
0 0,006 0,004 4,9
5 0,008 0,006 6,8
10 0,012 0,009 9,4
15 0,017 0,012 12,8
17 0,019 0,014 14,6
20 0,02 0,017 17,3
25 0,03 0,023 23
30 0,04 0,03 30,4
35 0,05 0,039 39,6
40 0,07 0,051 51,2
45 0,9 0,065 65,4
50 0,12 0,083 82,8
55 0,16 0,10 104
60 0,2 0,13 129,5
65 0,25 0,16 160
70 0,31 0,19 196,4
75 0,39 0,24 239,3
80 0,48 0,29 289,7
85 0,59 0,35 348,7
90 0,71 0,42 417,3
95 0,86 0,50 496,8
при 100 градусах 1,03 0,59 588,5

В таблице прослеживается зависимость плотности и давления при увеличении температуры.

Данная зависимость также влияет на рост влажности, которая при температуре 100 градусов достигает значения 100%, для насыщенного водяного пара.

Как определить?

Ниже приведена формула расчета плотности водяного пара и несколько простых задач.


Формула и правила расчета

Расчет плотности пара выполняется по формуле:

foto48060-4

Выражение состоит из следующих значений:

  1. «p» — плотность пара.
  2. «F» — абсолютная влажность (г/м3).
  3. «m» — масса пара (кг или грамм).
  4. «V» — общий объем пара (м3).

Часто также учитывается температура и тип пара, если расчеты делаются для проектирования сложных систем теплообмена, с регулируемой температурой испарения.

Несколько примеров на определение

Зная формулу расчета плотности водяного пара и ее зависимость от температуры, несложно рассчитать это значение при решении задач.

Задача:

  1. Масса водяного пар 500 кг.
  2. Общий объем пара 100 м3.
  3. Плотность неизвестна.

Чему равна плотность? Решение:

  1. Формула плотности пара p=m/v=кг/м3.
  2. P=500/100=5 кг/м3.

Ответ: плотность 500 кг водяного пара, объемом 100 м3 составляет 5 кг/м3.

Задача: определите плотность водяного пара по углекислому газу.

Для определения плотности пара по углекислому газу, требуется определить соотношение их молярных масс к занимаемому объему:

  1. Молярная масса пара 18 г/моль.
  2. Молярная масса углекислого газа 44 г/моль.
  3. P=18/44=0.4091 г/моль.

Ответ: плотность водяного пара по углекислому газу составляет 0,4091 г/моль.

Где используют знания в жизни?

foto48060-5Значение плотности парообразования применяется при расчетах влажности воздуха в метеорологии.

Это значение помогает определить количество осадков, уровень испарения естественных водоемов.

Величина плотности испарения используется при проектировании и эксплуатации тепловых систем.

Еще одним применением является подсчет уровня выброса пара на различных предприятиях, деятельность которых строится на очистке и сушки с использованием пара.

Заключение

Плотность водяного пара — еще одно значение, использующееся при расчетах уровня влажности и испарения. Зависимость этой величины от температуры и давления также важно при проектировании устройств и защите климата.