Температура мокрого термометра
Лабораторна робота № 8
Визначення параметрів вологого повітря.
Мета роботи: Вивчення будови і принципу дії психрометра, ознайомлення та визначення параметрів стану вологого повітря і методи вимірювання вологості (h-d - діаграма).
Атмосферне повітря завжди змішаний з водяною парою. Така суміш сухого повітря з водяною парою називається вологим повітрям. Однак кількість водяної пари в газовій суміші не може бути довільним.
Залежно від температури і повного тиску суміші кількість водяної пари у вологому повітрі не може перевищувати певної величини.
Так як в процесах зміни фізичного стану вологого повітря склад сухого повітря не змінюється, його можна вважати одним з компонентів пароповітряної суміші, незважаючи на те, що в дійсності він сам є сумішшю газів. Другим компонентом вологого повітря є водяна пара. Можливість фазового переходу у одного з компонентів суміші (води) відрізняє вологе повітря від звичайної газової суміші.
Крім водяної пари вологе повітря може містити дрібні крапельки води (у вигляді туману) або кристалики льоду. Водяна пара у вологому повітрі може бути в перегрітому стані. Парціальний тиск водяної пари у вологому повітрі не може бути вище тиску насичення при даній температурі вологого повітря (). Найбільше значення парціального тиску водяної пари у вологому повітрі рн визначається тільки температурою суміші і не залежить від тиску суміші р.
Суміш сухого повітря з перегрітою водяною парою називається ненасиченим вологим повітрям. Для такої суміші справедливо умова. Суміш сухого повітря з насиченою водяною парою називається насиченим вологим повітрям У насиченому вологому повітрі.
Знижуючи температуру насиченого вологого повітря при постійному тиску, можна охолодити повітря до такої температури, при якій парціальний тиск водяної пари буде відповідати стану насичення, і при подальшому зниженні температури з повітря почне виділятися волога. Так, наприклад, зниження температури атмосферного повітря часто призводить до появи туману (тобто до конденсації пари.)
При тисках, близьких до атмосферного, газова суміш, що складається з повітря і водяної пари, за своїми властивостями мало відрізняється від властивостей ідеального газу.
Парціальний тиск водяної пари в повітрі зазвичай мало, тому і водяна пара при цих умовах можна вважати ідеальним газом.
Абсолютна і відносна вологість повітря. Маса водяної пари, що міститься в 1м 3 вологого повітря, називається абсолютною вологістю. Так як вологе повітря являє собою газову суміш, то обсяг водяної пари в суміші дорівнює обсягу всієї суміші і, отже, абсолютна вологість дорівнює парціальної густини пара р. п в суміші при своєму парціальному тиску рп і температурі суміші:
Ставлення абсолютної вологості повітря р. н при даній температурі називається відносною вологістю. Так як для ідеальних газів в умовах Т = const відношення щільності можна замінити відношенням тисків, то відносна вологість
де рп і рн - парціальні тиску водяної пари у вологому повітрі і насиченої пари при температурі вологого повітря.
Відносна вологість зазвичай виражається у відсотках і змінюється в межах. так як межі зміни парціального тиску пари. Для сухого повітря. для насиченого. Для визначення змісту пари у вологому повітрі крім відносної вологості необхідно знати температуру вологого повітря, по якій (з парових таблиць) визначається тиск насиченої пари рн.
Абсолютна вологість повітря.
де і - парціальні площині водяної пари і повітря.
де індексами «п» і «в» відзначені маси і молярні маси водяної пари і сухого повітря відповідно.
В процесі зміни фізичного стану вологого повітря кількість сухого повітря залишається незмінним, тому всі удільні величини, що характеризують стан вологого повітря, доцільно відносити до кількості сухого, а не вологого повітря. З урахуванням того, що молярні маси водяної пари Мп і повітря Мв рівні 18,016 і 28,96 кг / кмоль або d = 0,622x кг / кг.
Удавана молярна маса, газова постійна і щільність вологого повітря.
Об'ємні частки сухого повітря і пари у вологому повітрі можуть бути визначені, якщо відомі парціальні тиску пара і сухого повітря, відносинами rв = PВ / p = (p-Рп) / p, rп = Рп / p, де відповідно до закону Дальтона p = PВ + Рп. При відомих об'ємних частках здається молярна маса вологого повітря може бути обчислена за формулою (8.16)
Якщо врахувати, що Рп = pн. і прийняти водяна пара, що знаходиться у вологому повітрі, як ідеального газу, то
M = 28,96-10,94 pн / p (12.15)
При заданому тиску вологого повітря здається молярна маса вологого повітря залежить від температури і відносної вологості повітря.
Так як, згідно з формулою (8.13), газова постійна суміші газів R = 8314 / M, газову постійну повітря можна визначити відношенням
R = 8314 / (28,96-10,94pп / p) = 8314 / (28,96-10,94 pн / p) (12.16)
При = 0 (відповідає сухого повітря) R = R в = 287 Дж / (кг * К). В іншому граничному випадку при = 1 (відповідає чистому водяній парі) pн = p, а R = R п = 461 Дж / (кг * к).
Газова постійна вологість повітря завжди більше газової постійної сухого повітря.
Використовуючи залежність (8.9), для газової постійної вологого повітря можна отримати формулу
R (287 = 461d) / (1 + d) (12.17)
З урахуванням (12.16) рівняння стану вологого повітря може бути записано в наступній формі: p / = 8314T / (28,96 - 10,94 Рп / p), звідки щільність вологого повітря
= (28,6p-10,4pп) / (8314T). (12.18)
З отриманої формули слід, що зі збільшенням парціального тиску пари (тобто зі збільшенням вологості повітря) щільність вологого повітря зменшується. Тому вологе повітря завжди легше, ніж сухий.
Парциальная щільність водяної пари може бути обчислена по рівнянню стану. З урахуванням формули (12.7)
= (Mп / V) = Рп / (Rп T) = d * p / [(0,622 + d) Rп T] (12.20)
Підставляючи значення в вираз (12.19), остаточно отримаємо
= P (1 + d) / [(0,622 + d) Rп T] (12.21)
Теплоємність і ентальпія вологого повітря
Теплоємність вологого повітря cр зазвичай відносять до (1 + d) кг вологого повітря (або, що те ж саме, до 1 кг сухого повітря). Вона дорівнює сумі теплоємностей 1кг сухого повітря і d кг водяної пари:
де срв і УРП - масові ізобарна теплоємності сухого повітря і водяної пари відповідно. У наближених термодинамічних розрахунках, пов'язаних з вологим повітрям, можна приймати срв ... 1 кДж / (кг * К) і УРП ... 1,93 кДж / (кг * К).
Ентальпія вологого повітря визначається як ентальпія газової суміші, що складається з 1 кг сухого повітря і d кг водяної пари, тому
де hв - ентальпія сухого повітря, hп - ентальпія водяної пари. При визначенні ентальпії газової суміші необхідно, щоб ентальпії компонентів суміші мали одне і те ж початок відліку. Ентальпія сухого повітря hв = cрв t = t, так як cрв = 1. Водяна пара в першому наближенні можна прийняти в якості ідеального газу, ентальпія якого не залежить від тиску. Якщо крім того, врахувати, що в умовах зміни фізичного стану вологого повітря інтервал зміни температур малий, то можна прийняти теплоємність водяної пари постійною. При цих спрощують припущеннях ентальпія водяної пари може бути обчислена за формулою
де r - прихована теплота пароутворення при 0 0 С. Так як r = 2501 кДж / кг, то hп = 2501 + 1,93t. Таким чином, формулою (12.23) можна надати вигляду
Використовуючи співвідношення (11.2) і (11.6), встановимо залежність ентальпії вологого повітря від відносної вологості:
h = t + (1 555 + 1,2t) pн / (p- pн) (12.26)
Температура мокрого термометра
Процеси тепло - і масообміну між відкритою поверхнею води і потоком вологого повітря поширені в природі і техніці. З цими процесами доводиться мати справу в системах охолодження електростанцій, системах кондиціонування повітря, системах життєзабезпечення космічних літальних апаратів, а також в сушильних і вентиляційних установках.
У загальному випадку температура поверхні води може бути як нижче, так і вище температури навколишнього вологого повітря. Однак розглянемо процес випаровування рідини за умови, що на початку процесу температура води дорівнює температурі навколишнього вологого повітря, а шар рідини досить тонкий (тобто температура рідини однакова по товщині шару). Кількість же повітря необмежено. З досвіду відомо, що парціальний тиск пара в тонкому шарі, що прилягає до поверхні рідини. Якщо при цьому у вологому повітрі, що оточує поверхню води, парціальний тиск пара Рп виявиться менше тиску насиченого пара pн. вода почне випаровуватися.
У міру випаровування води температура поверхні рідини знижується, в той же час як різниця температур навколишнього повітря і поверхні рідини, а також кількість теплоти, що надходить від повітря до рідини, зростають. Зниження температури води припинитися тільки тоді, коли кількість внутрішньої енергії, що витрачається рідиною від навколишнього повітря.
Температура поверхні рідини, досягнута в результаті даного процесу встановлення рівноваги, називаетсятемпературой мокрого термометра (tм). Ця температура вимірюється термометром, чутливий елемент якого обгорнутий вологою тканиною.
Температура мокрого термометра залежить від співвідношення коефіцієнтами, що характеризують інтенсивність процесів тепло - і масообміну, що протікають між поверхнею води і вологим повітрям. Слід підкреслити, що для умов, в яких зазвичай протікають процеси у вологому повітрі, вона близька до температури адиабатного насичення повітря. Остання встановлюється при насиченні обмеженої кількості повітря, що знаходиться в контакті з водою, якщо випаровування води відбувається тільки за рахунок кількості теплоти, переданого стану повітря.
Рівняння теплового балансу вологого повітря, що знаходиться в контакті з водою, можна уявити в формі
де tм - температура мокрого термометра.