Формула пары воды: Водяной пар

можно ли увидеть, как образуется

Автор Исаев Виктор Алексеевич На чтение 5 мин Опубликовано 23.04.2020

Водяной пар важен для жизни человека и всего живого на Земле. Он участвует в мировом круговороте воды в природе.
Солнце нагревает поверхность Земли, вода превращается в водяной пар и поднимается вверх. Там воздух охлаждается и пар снова становится водой. В виде осадков он снова попадает на Землю, питая реки и Мировой океан.
Водяной пар регулирует тепло на поверхности нашей планеты, определяет какая установится температура в определённой местности, образуются ли облака, выпадет дождь и роса.
В данной статье мы подробно рассмотрим: уникальные свойства водяного пара, его давление, температуру и интересные факты.

Содержание

1. Что такое водяной пар
2. Какой цвет: белый или прозрачный
3. Парциальное давление
4. Формула для расчета. Закон парциальных давлений газов (Закон Дальтона)
5. Температура
6. Масса водяного пара
7. Как образуется водяной пар
8. Давление и плотность насыщенных паров воды при различных температурах
9. Ответы на распространенные вопросы
10. Какой воздух содержит больше всего водяного пара
11. Можно ли увидеть водяной пар
12. От чего зависит скорость испарения
13. Заключение

Что такое водяной пар

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии, которая сохраняет свои свойства, но приобретает также свойства газа.  Его количество определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажность воздуха. Это одно из агрегатных состояний воды.

Рассмотрим основные виды пара.

1. Сухой насыщенный, не содержит капелек воды.
2. Влажный насыщенный, состоит из мельчайших капелек воды.
3. Перегретый (сухой ненасыщенный), образуется при дальнейшем нагреве влажного пара, выше температуры насыщения. Обладает более высокой температурой и более низкой плотностью.

Какой цвет: белый или прозрачный

Многие люди задаются вопросом: водяной пар белый или прозрачный? Можно его увидеть?

В повседневной жизни при кипении воды в чайнике мы часто видим белый дымок, который вырывается из носика. Некоторые люди считают его паром. На самом деле – это туман (результат конденсации водяного пара).

Настоящий пар невидим глазу, он прозрачный, безвкусный. Не имеет постоянной формы, запаха.

Основное содержание наблюдается в нижних слоях атмосферы (тропосфера). Пар может переходить в жидкое состояние. Данное явление мы часто наблюдаем в повседневной жизни, когда оконные стекла в комнате запотевают. Это значит, что водяной пар в тёплом воздухе комнаты коснулся холодного стекла, сгустился и превратился в мельчайшие капельки воды. Явление называют конденсацией.

Водяной пар принимает непосредственное участие в круговороте воды в природе. С его помощью образуются: облака, тучи, туман. Наибольшее скопление наблюдается в тропосфере.

В настоящий момент пар часто используют для бытовых нужд и производства. Среди наиболее известных устройств с его применением можно отнести:

1. утюги;
2. паровозы;
3. пароходы;
4. паровые котлы;
5. с его помощью вращают турбины генераторов на электростанции, тушат пожары.

Парциальное давление

Атмосферный воздух состоит из водяного пара и смеси различных газов. Давление, которое производил бы только водяной пар, при исключении всех других элементов называют парциальным давлением (упругостью).

Формула для расчета. Закон парциальных давлений газов (Закон Дальтона)

Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, входящих в нее газов.

Где p1, p2, p3+pn – парциальное давления, производимое каждым газом, входящим в состав смеси.

Значение выражается в мбар или мм. ртутного столба. Отвечает за влажность воздуха, атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба.

При снижении атмосферного давления повышается влажность воздуха, возможны осадки и повышение температуры воздуха.

Атмосферное давление важный показатель, который напрямую влияет на влажность воздуха, состояние людей (метеозависимых), температуру кипения.

Например, в горах при подъеме над поверхностью Земли, температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление. На Эльбрусе, самой высокой вершине Европы (5642), вода закипит при 80,8 °С.

Температура

Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара содержится в нем.

В 1 м ³ воздуха при температуре +20 °С может содержаться 17 грамм

При Температуре -20 °С – только 1 грамм.

Масса водяного пара

Массу можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона.

pV = (m/M ^. RT), где

р — давление насыщенного водяного пара;

V – его объём;

М — молярная масса пара;

R — газовая постоянная;

Т — температура пара.

Как образуется водяной пар

Образуется двумя способами, в результате испарения и кипения. Рассмотрим более подробно каждый из них.

1. Испарение. Пар поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений. В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а десублимация – снега;
2. Кипение. Пар образуется по всему объему жидкости.

Испарение происходит при любой температуре, кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то, несмотря на продолжающийся подвод тепла, температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар.

Давление и плотность насыщенных паров воды при различных температурах

Для наглядности предоставлена изображение с таблицей № 1.

В таблице указаны базовые значения.

Если имеется больше данных, расчеты можно сделать точно с помощью физических формул и измерений.

Ответы на распространенные вопросы

Какой воздух содержит больше всего водяного пара

Самое большое количество содержит воздух, который сформировался над Черным морем, так как температура в этих широтах намного выше

Можно ли увидеть водяной пар

Настоящий пар прозрачен и невидим.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.

Если листок бумаги смочить в одном месте эфиром, а в другом водой, то мы заметим, что эфир испарится значительно быстрее, чем вода.

Заключение

Водяной пар невидим, не имеет вкуса, постоянной формы, цвета и запаха. На поверхности нашей планеты он выполняет важную функцию терморегуляции. От него зависит, какой будет климат, выпадет дождь и роса.

Пар непосредственный участник круговорота воды в природе. Он испаряется с поверхности океанов, рек, болот, почвы, растений и поступает в воздух, образовывая облака, тучи и лед. С помощью конденсации он снова превращается в воду.

Подготовлено специалистами www.vodasila.ru

виды, особенности, как измеряется,при нормальных условиях, при различных температурах

Водяной пар — не просто горячие белые клубы, которые можно видеть над кипящим чайником или заводской трубой. Помимо температуры, у него есть и другие характеристики. Пар воды может иметь разную плотность, быть сухим, влажным, насыщенным, перегретым.

Содержание

1. Плотность водяного пара, в чем измеряется величина
2. Свойства пара
3. Использование пара
4. Плотность и единицы измерения
5. Виды водяного пара: влажный и сухой
6. Насыщенный и ненасыщенный водяной пар
7. Пар перегретый
8. Конденсация водяного пара
9. Конденсация в промышленности и быту
10. Как образуется конденсат: механизм
11. Абсолютная плотность пара — что это такое
12. Изменение плотности пара при изменении температур
13. Как определить плотность пара воды — правила расчета

Плотность водяного пара, в чем измеряется величина

Одним из важнейших параметров, отражающих характеристики водяного пара, является плотность. Расчет этого параметра может быть важен при обустройстве паровых систем отопления, при выполнении каких-либо технологических операций на предприятиях теплоэнергетики, на химических производствах, в пищевой промышленности и т. д.

Свойства пара

Представляет собой пар воду в газообразном состоянии. Пар не пахнет, не обладает вкусом и цветом. Образуется он при испарении воды. Попадая в атмосферу, пар создает определенное давление (парциальное). Также он может переходить в твердое состояние с кристаллизацией.

В атмосфере Земли концентрация водяного пара составляет по массе 0.25%. Пар при этом имеет меньшую плотность, чем сухой воздух.

Интересно! Можно ли пить воду перед сдачей крови — рекомендации специалистов

Использование пара

Благодаря уникальным свойствам, пар нашел применение в самых разных областях деятельности человека:

• в качестве очистительного агента;
• как теплоноситель и паровой агент в турбинах и паровых агрегатах;
• в системах пожаротушения;
• в пищевой промышленности и кулинарии при приготовлении пищи на пару.

В медицине пар широко применяется в автоклавах при стерилизации инструментов и оборудования.

Плотность и единицы измерения

При использовании пара на предприятиях разной направленности важно знать такой его показатель, как плотность. Плотностью водяного пара называют соотношение его массы к объему. Согласно международной системе «СИ», эта характеристика измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3). В другой системе — «СГС», плотность пара рассчитывается в граммах на кубический сантиметр (г/см3). Простыми словами плотность пара — это его полный вес, занимающий некоторый объем.

В разного рода формулах плотность пара воды записывается буквой «р». Определяться эта характеристика может по воздуху, водороду, углероду и т. д.

Виды водяного пара: влажный и сухой

Различают несколько видов водяного пара по степени насыщенности или влажности. Различие во влажном и сухом паре наглядно можно показать на примере финской и русской бани. В сауне пар сухой, в бане — влажный. В финской сауне температура воздуха может доходить до 100 °С. При этом влажность в помещении держится на уровне не более 20%. В русской бане эти показатели составляют 60-70 °С и 60-100% соответственно.

Влажным пар называется в том случае, если в нем содержится большое количество микроскопических частиц воды (тумана или взвешенного конденсата). Представляет он собой, по сути, смесь пара с водой. Сухой пар свободен от водяных примесей.

Интересно! Что такое активная вода — полезные свойства

Насыщенный и ненасыщенный водяной пар

Пар бывает также насыщенным и ненасыщенным. Понять, чем различаются эти две разновидности, поможет простой эксперимент. В открытый сосуд наливают воду, а к нему присоединяют манометр. В сосуде будет происходить невидимое глазу испарение. Некоторые молекулы двигаются в воде очень быстро. Их кинетическая энергия может быть достаточно большой для разрыва молекулярных связей в воде. Такие молекулы покидают толщу воды и перемещаются в пространство над сосудом. Образуется пар, который называют ненасыщенным. Ничем ни сдерживаемые молекулы улетают в атмосферу и их концентрация непосредственно над сосудом остается небольшой.

Если же закрыть сосуд крышкой, молекул под ней будет скапливаться со временем все больше. В определенный момент некоторые молекулы начнут возвращаться \в воду. Давление под крышкой будет постепенно расти. Со временем количество покидающих воду молекул и возвращающихся сравняется. Такой пар и будет называться насыщенным. При насыщении над сосудом установится термодинамическое равновесие. Насыщенный пар воды имеет большую плотность, чем ненасыщенный.

Георгий

Физик

«Насыщенным называется пар, парциальное давление которого соответствует равновесному при определенной температуре. У ненасыщенного первый параметр ниже второго. Если в ненасыщенный пар поместить воду той же температуры, давление будет расти до равновесного, то есть до насыщения».

Пар перегретый

Перегретым называют пар, разогретый до более высокой, чем температура кипения воды, температуры. То есть при нормальных условиях и АД — свыше 100 °С. Такой пар часто применяется в тепловых агрегатах для повышения их КПД. Для того чтобы получить перегретый пар, используют спецоборудование — пароперегреватели.

Перегревается пар с ростом температуры в объеме, отдельном от воды. Изначально взвешенный конденсат повторно испаряется. В дальнейшем повышается температура и растет объем пара удельный. Пар перегретый отличается следующими характеристиками:

• при равных давлениях он горячее насыщенного;
• больший он имеет и удельный объем;
• при остывании не образует конденсата;

Конденсация перегретого пара наступает только тогда, когда он охлаждается сильнее, чем насыщенный пар, при равных давлениях.

Конденсация водяного пара

Образуется пар из-за роста скорости движения молекул и кинетической энергии. При снижении этих показателей происходит обратный процесс, называемый конденсацией. В природе водяной конденсат образует облака, туман, росу.

Конденсация в промышленности и быту

Такой же конденсат можно видеть и на крышке кастрюли с кипящей водой. В данном случае он представляет собой горячие капли, стекающие вниз при переворачивании крышки. На принципе конденсации работает оборудование промышленных предприятий самой разной специализации:

• опреснительные системы;
• теплообменники;
• перегонное оборудование;
• конденсаторы паротурбин и пр.

Как образуется конденсат: механизм

В закрытом крышкой сосуде конденсат образуется следующим образом:

• под крышкой при нагревании накапливается пар;
• холодная крышка охлаждает его;
• кинетическая энергия молекул снижается вместе со скоростью движения;
• на крышке образуется конденсат.

При охлаждении пара до точки росы некоторая часть воды в нем становится лишней. Она не может удержаться в воздухе и выпадает в качестве конденсата.

Абсолютная плотность пара — что это такое

Для оценки содержания в воздухе вод. паров используют два показателя:

• относительную влажность;
• абсолютную.

Относительная плотность — это степень насыщенности воздуха парами воды, определяемая в процентах. Абсолютная влажность — количество водяных частиц во взвешенном состоянии в 1 м3 воздуха, определяемая в граммах.

При известном значении влажности абсолютной существует определенная точка росы, то есть температура, при которой относительная влажность или плотность пара по воде становится равной 100%. Относительная влажность определятся как соотношение плотности и абсолютной влажности.

Изменение плотности пара при изменении температур

Давление и плотность водяного пара находятся в прямой зависимости от той температуры, до которой он разогрет:

• при разогреве плотность растет из-за увеличения интенсивности парообразования;
• при охлаждении плотность уменьшается из-за конденсации и снижения скорости движения молекул.

Зависимость плотности пара воды насыщенного от температуры определяется по таблице.

Плотность насыщенного пара при температуре 0 °С равна 0,00484 кг/м3.

Как определить плотность пара воды — правила расчета

Плотность насыщенного пара воды в физике может определяться по температуре и давлению. В этом случае используется формула D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273)), где:

• P — абсолютное давление;
• Z st — коэффициент сжатия;
• t — температура.

Эта формула плотности воды пара используется при давлении 0,012-165 бар и температуре 10-360 °С.

Также плотность может определяться по массе и объему. Формула в данном случае выглядит как P=m/V, где:

• m — масса пара;
• V — его объем.

Плотность пара по водороду определяется формулой D=Mr1/Mr2, где:

• Mr1 — молярная масса воды;
• Mr2 — молярная масса водорода.

Молярная масса воды равна 18 кг/моль, водорода — 2 кг/моль. Соответственно, плотность паров воды по водороду равна 18/2=9.

Водяной пар может иметь разную плотность, влажность и степень насыщенности. При повышении температуры интенсивность испарения воды растет. При последующем снижении выпадает конденсат. Плотность пара — наиболее важный показатель, от которого зависит корректная и безопасная работа промышленного оборудования на предприятиях самой разной специализации.

3.1 Способы определения водяного пара

3.1 Способы определения водяного пара

Студент использует психрометр для измерения температуры точки росы, что является одним из способов определения водяного пара в атмосфере.

Авторы и права: W. Brune

До сих пор мы имели дело с водяным паром только как с удельной влажностью для определения виртуальной температуры. Но у нас есть много способов количественно определить количество водяного пара в атмосфере. Наиболее распространенными являются удельная влажность, соотношение смешивания водяного пара, относительная влажность и температура точки росы.

Удельная влажность ( q ) – это плотность водяного пара (масса на единицу объема), деленная на плотность всего воздуха, включая водяной пар:

q=mwater_vapormall_air=ρwater_vaporρall_air=ρvρЭто уравнение не отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[3.1]

Мы уже видели, что удельная влажность используется для расчета виртуальной температуры. Удельная влажность безразмерна, но часто ее выражают в г кг ^–1 .

Коэффициент смешивания водяного пара ( w ) — это плотность водяного пара, деленная на плотность сухого воздуха без водяного пара:

w=mwater_vapormdry_air=ρwater_vaporρdry_air=ρvρdЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера . Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[3.2]

Коэффициент смешивания водяного пара широко используется для расчета количества водяного пара. Это также количество, используемое на диаграмме skew-T, которую мы обсудим позже в этом уроке. Соотношение паров воды безразмерно, но часто его выражают в г кг ^–1 .

Поскольку ρ _d = ρ – ρ _v , мы можем изменить уравнения, чтобы получить связь между w (коэффициент смешивания водяного пара) и 9004 1 5 90 q 900 (удельная влажность): q=w1+w  w=q1−qЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[3.3]

Коэффициент смешивания водяного пара, w , обычно составляет не более 40 г кг ^–1 или 0,04 кг кг ^–1 , поэтому даже для такого количества водяного пара q = 0,040/(1 + 0,040) = 0,038 или 38 г кг ^–1 .

Таким образом, соотношение водяного пара и удельная влажность совпадают с точностью до нескольких процентов . Но удельная влажность меньше отношения смешивания водяного пара, если влажность больше нуля.

Вот один из примеров глобальной удельной влажности.

Удельная влажность ( q ) на декабрь 2014 года. Цветовая шкала идет от 0 для синего до 30 г/кг ^–1 для розового. Зеленый весит около 10 г кг ^–1 , а красный – около 20 г кг ^–1 .

Кредит: IRI

Наибольшая абсолютная удельная влажность наблюдается в тропиках с максимальными значениями, приближающимися к 30 г кг ^–1 . Наименьшие значения находятся в высоких широтах и ​​близки к нулю. Почему удельная влажность распределена по земному шару таким образом?

Относительная влажность ( RH ) — это еще одна мера содержания водяного пара в атмосфере, хотя мы должны быть осторожны при его использовании, поскольку низкая относительная влажность может не означать низкое соотношение смешивания водяного пара (т. е. при высоких температурах) и высокое относительная влажность воздуха может быть еще довольно сухой (т. е. при низких температурах).

Согласно определению Всемирной метеорологической организации (ВМО),

RH=wwsMathType@MTEF@5@5@+=faaagCart1ev2aaaKnaaaaWenf2ys9wBH5garuavP1wzZbItLDhis9wBH5garmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCaerbdfwBIjxAHbqee0evGueE0jxyaibaieYlf9irVeeu0dXdh9vqqj=hHeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpi0dc9GqpWqaaeaabiGaciaacaqabeaadaabauaaaOqaaabbaaaaaaaaIXwyJTgapeGaamOuaiaadIeacqGH9aqpdaWcaaWdaeaapeGaam4DaaWdaeaapeGaam4Da8aadaWgaaWcbaWdbiaadohaa8aabeaaaaaaaa@3CAC@

[3. 4]

where w _s is the saturation mixing ratio (the mixing ratio at which RH = 100%). w и w _s могут иметь единицы измерения г кг ^–1 или кг кг ^–1 , если они согласованы. Относительная влажность обычно выражается в процентах. Таким образом, когда w = w _s , RH = 1 = 100%. В большинстве задач, связанных с RH, важно помнить о преобразованиях между десятичными дробями и процентами.

Более физически обоснованным определением относительного количества влаги в воздухе является saturation ratio, S :

S=eesMathType@MTEF@5@5@+=faaagCart1ev2aaaKnaaaaWenf2ys9wBH5garuavP1wzZbItLDhis9wBH5garmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCaerbdfwBIjxAHbqee0evGueE0jxyaibaieYlf9irVeeu0dXdh9vqqj=hHeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpi0dc9GqpWqaaeaabiGaciaacaqabeaadaabauaaaOqaaabbaaaaaaaaIXwyJTgapeGaam4uaiabg2da9maalaaapaqaa8qacaWGLbaapaqaa8qacaWGLbWdamaaBaaaleaapeGaam4CaaWdaeqaaaaaaaa@3BBC@

[3. 5]

where e – давление пара и e _s – давление насыщенного пара . Коэффициент насыщения широко используется в физике облаков (урок 5). Чтобы увидеть, как связаны RH и S , начните с закона идеального газа, а затем выполните некоторые алгебраические вычисления: −esp−e), RH=S(p−esp−e)MathType@MTEF@5@5@+=faaagCart1ev2aaaKnaaaaWenf2ys9wBH5garuavP1wzZbItLDhis9wBH5garmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCaerbdfwBIjxAHbqee0evGueE0jxyaibaieYlf9irVeeu0dXdh9vqqj=hHeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpi0dc9GqpWqaaeaabiGaciaacaqabeaadaabauaaaOqaauaabaqadeaaaeaaqqaaaaaaaaGySf2yRbWdbiaadwgacqGH9aqpcqaHbpGCpaWaaSbaaSqaa8qacaWG2baapaqabaGcpeGaamOua8aadaWgaaWcbaWdbiaadAhaa8aabeaak8qacaWGubGaaiilaiaaywW7caaMf8UaaGPaVlaadchapaWaaSbaaSqaa8qacaWGKbaapaqabaGcpeGaeyypa0JaeqyWdi3damaaBaaaleaapeGaamizaaWdaeqaaOWdbiaadkfapaWaaSbaaSqaa8qacaWGKbaapaqabaGcpeGaamivaiaacYcacaaMf8UaaGzbVlabew7aLjabggMi6oaaliaapaqaa8qacaWGsbWdamaaBaaaleaapeGaamizaaWdaeqaaaGcbaWdbiaadkfapaWaaSbaaSqaa8qacaWG2baapaqabaaaaaGcbaWdbiaabohacaqGVbaapaqaa8qacaWG3bGaeyypa0ZaaSaaa8aabaWdbiabew7aLjaadwgaa8aabaWdbiaadchapaWaaSbaaSqaa8qacaWGKbaapaqabaaaaOWdbiabg2da9maalaaapaqaa8qacqah2oqzcaWGLbaapaqaa8qacaWGWbGaeyOeI0IaamyzaaaacaGGSaGaaGzbVlaabccadaWcaaWdaeaapeGaam4DaaWdaeaapeGaam4Da8aadaWgaaWcbaWdbiaadohaa8aabeaaaaGcpeGaeyypa0ZaaSaaa8aabaWdbiaadwgaa8aabaWdbiaadwgapaWaaSbaaSqaa8qacaWGZbaapaqabaaaaOWdbmaabmaapaqaa8qadaWcaaWdaeaapeGaamiCaiabgkHiTiaadwgapaWaaSbaaSqaa8qacaWGZbaapaqabaaakeaapeGaamiCaiabgkHiTiaadwgaaaaacaGLOaGaayzkaaGaaiilaiaabccacaqGGaGaaeiiaiaadkfacaWGibGaeyypa0Jaam4uamaabmaapaqaa8qadaWcaaWdaeaapeGaamiCaiabgkHiTiaadwgapaWaaSbaaSqaa8qacaWGZbaapaqabaaakeaapeGaamiCaiabgkHiTiaadwgaaaaacaGLOaGaayzkaaaaaaaa@8C59@

[3. 6]

где ε = 0,622 – это просто молярная масса воды (18,02 кг моль ^–1 ), деленная на массу сухого воздуха (28,97 кг моль ^–1 ). e и e _s обычно составляют менее 7 % от p , а поскольку e обычно составляет 20–80 % от e _s , разница между двумя определениями обычно меньше. чем несколько процентов.

Обратите внимание, что при насыщении можно заменить w с w _s  и e с e _s  в уравнении, связывающем w с e .

Некоторые процессы зависят от абсолютного количества водяного пара, которое определяется удельной влажностью, коэффициентом смешивания водяного пара и давлением водяного пара, а другие процессы зависят от относительной влажности. Например, плотность влажного воздуха зависит от абсолютного количества водяного пара. То же самое происходит с поглощением и испусканием инфракрасного атмосферного излучения. С другой стороны, образование облаков зависит от относительной влажности, хотя облако может быть слабым, если абсолютная влажность невелика.

Одним из наиболее распространенных показателей абсолютной влажности является температура точки росы . Мы отложим его обсуждение до тех пор, пока не узнаем о связи между температурой и давлением пара насыщения, e _s .

Проверьте свои знания

Если плотность водяного пара составляет 10,0 г·м ^–3 , а плотность сухого воздуха – 1,10 кг·м ^–3 , каково соотношение водяного пара в смеси и какова удельная влажность?

Нажмите, чтобы ответить.

w=10,0 г·м–31,10 кг·м-3=9,09 г·кг; q=10.0 g m−31.10 kg m−3+(10.0 g m−3/1000 g kg−1)=9.01 gkgMathType@MTEF@5@5@+=faaagCart1ev2aaaKnaaaaWenf2ys9wBH5garuavP1wzZbItLDhis9wBH5garmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCaerbdfwBIjxAHbqee0evGueE0jxyaibaieYlf9irVeeu0dXdh9vqqj=hHeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=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@8503@

Проверьте свои знания

Если соотношение водяного пара составляет 21 г/кг ^–1 , а относительная влажность водяного пара равна 84%?

Нажмите, чтобы ответить.

RH=wws → ws=wRH=21 g kg−10.84=25  g kg−1MathType@MTEF@5@5@+=faaagCart1ev2aaaKnaaaaWenf2ys9wBH5garuavP1wzZbItLDhis9wBH5garmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCaerbdfwBIjxAHbqee0evGueE0jxyaibaieYlf9irVeeu0dXdh9vqqj=hHeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=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@5DB2@

Тест 3-1: Водяной пар в атмосфере

Когда вы почувствуете, что готовы, пройдите  Тест 0 1-1 . Этот тест можно найти в Canvas. Вам будет разрешено пройти этот тест только раз . Удачи!

Водяной пар – атмосферные процессы и явления

Перейти к содержимому

Элисон Ньюджент и Синтаро Рассел

Цели обучения

К концу этой главы вы должны уметь:

1. Вычислять давление пара насыщения с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона;
2. Преобразование между переменными влажности. Различать относительную влажность, удельную влажность, абсолютную влажность, температуру смоченного термометра, соотношение компонентов смеси и точку росы;
3. Опишите условия возникновения насыщения;
4. Применение влажного адиабатического градиента;
5. Используйте принципы фазового перехода и скрытого нагрева, чтобы объяснить, почему влажная адиабатическая скорость меньше, чем сухая адиабатическая скорость.

Вода может существовать в твердом, жидком или газообразном состоянии в типичных для Земли условиях. Как мы узнали, процесс превращения жидкой воды в водяной пар называется испарением, и этот процесс поглощает или требует энергии. Противоположный процесс называется конденсацией, когда водяной пар превращается в жидкую воду, высвобождая энергию. Конденсация особенно важна в науке об атмосфере, потому что это процесс, который позволяет образовываться облакам.

Фазовые превращения воды из газа (водяного пара) в жидкость (воду) и в твердое состояние (лед) с указанием названий процессов. (CC BY 2.0).

Облака состоят из миллионов и миллиардов мельчайших капелек жидкой воды. Как они формируются? Почему они там?

Капли воды сконденсировались на поверхности стекла (CC BY 2.0).

Прежде чем мы сможем понять облака в атмосфере, нам нужно изучить такие понятия, как определение влажности и значение насыщения.

В общем, влажность – это количество водяного пара в воздухе. Вы, наверное, слышали об относительной влажности и температуре точки росы, но что эти величины означают физически?

Представьте себе закрытый кувшин, наполовину наполненный водой. В начальный момент с поверхности воды испаряется больше молекул воды, чем возвращается. Однако через некоторое время количество молекул, испаряющихся с поверхности, сравняется с количеством молекул, конденсирующихся обратно на поверхность воды. Когда конденсация и испарение равны, это называется насыщением .

Насыщение происходит, когда воздух содержит максимальное количество водяного пара, возможное для данной температуры. Вот почему конденсация равна испарению. Если происходит испарение, воздух не может содержать больше водяного пара, поэтому некоторые из них должны конденсироваться. Теперь займемся количественным.

Давление пара при насыщении

Каждый газ в атмосфере оказывает давление, например, давление паров составляет часть общего атмосферного давления. В следующем уравнении все газы в атмосфере Земли вносят вклад в общее атмосферное давление P _{атмосфера} .

Специально для водяного пара: чем больше водяного пара добавляется в атмосферу, тем выше давление пара P _h3O . Единицы для давления пара такие же, как и для давления, и могут быть в паскалях, гектопаскалях или килопаскалях. Поскольку мы остаемся в соответствии с учебником Роланда Стулла «Практическая метеорология », в этой главе мы будем использовать килоПаскали (кПа).

Количество водяного пара, которое может содержать атмосфера, зависит от температуры. Воздух с более низкой температурой не может содержать столько водяного пара, сколько воздух с более высокой температурой. Если мы подумаем об этом количественно с точки зрения давления, давление пара насыщения относится к давлению, создаваемому движением молекул водяного пара над поверхностью жидкой воды. Когда парциальное давление водяного пара равно давлению насыщенного пара, воздух считается насыщенным.

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона дает приблизительную зависимость между давлением насыщенного пара ( e _s ) и температурой в атмосфере

где постоянная водяного пара ℜ _V IS 461 J · K ^–1 · кг ^–1 , T ₀ IS 273. 15 K, E ₀ IS 0,6113 KPA, и L _V IS 0,6113 KPA и L _V VAIN ISETENT IS THETENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS ARTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS AMTENT IS ARTENT IS ARTENT IS 0,6113. парообразования, 2,5×10 ⁶ Дж·кг ^–1 . В результате л _v /ℜ _v равно 5423 К. В этом уравнении единицы измерения температуры должны быть в Кельвинах. Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении exp[x] подразумевает экспоненциальную функцию e ^x , но для наглядности она написана в одну строку.

График зависимости давления насыщенного пара от температуры, показывающий экспоненциальную зависимость между ними из уравнения Клаузиуса-Клапейрона (с изменениями из CC BY-SA 4.0).

На изображении показана зависимость между температурой и давлением пара насыщения, основанная на уравнении Клаузиуса-Клапейрона. Более низкие температуры являются насыщенными по отношению к водяному пару при более низком давлении пара, в то время как более высокие температуры требуют более высокого давления пара для насыщения. Температура является основным фактором, определяющим насыщенность водяным паром.

На графике зависимости давления насыщенного пара от температуры обратите внимание на значение давления насыщенного пара при температуре кипения 100 ° C. Значение давления насыщенного пара e _s (100 ° C) = 101,325 кПа, равна атмосферному приземному давлению. Вода кипит у поверхности Земли, когда давление насыщенного пара равно атмосферному давлению, поэтому вода кипит при 100 ° С. Будет ли вода кипеть при той же температуре на вершине Эвереста?

Давление пара — это один из способов определения влажности, но есть и много других. Вот неполный список переменных влажности и их типичных единиц.

e = давление пара (кПа)
r = коэффициент смешивания (г·кг ^–1 )
q  = удельная влажность (г·кг ^–1 ) 90

3 ρ

5 абсолютная влажность (г·м ^-3 )
RH = относительная влажность (%)
z _LCL = уровень конденсации при подъеме (км)
T _d = точка росы (температура) (°C)
T _w = температура по влажному термометру (°C)

Давление паров

Мы уже обсуждали давление пара насыщения, e _s , но вы также можете вычислить давление пара, e . Однако, поскольку T _d  часто неизвестен, проще всего использовать относительную влажность.

снова, E ₀ — 0,6113 кПа, L _V — 2,5 × 10 ⁶ J · KG ^–1 , ℜ _V IS 461 J · K ^–1 4 v — 461 J · K ^–1 4 v IS 461 J · K ^–1 4 v — 461 J · K ^–1 4 v IS 461 j · K ^–1 4 v — 461 j · K ^–1 2. –1 , T ₀  равно 273,15 К, а T _d – температура точки росы, которая будет определена позже.

Соотношение смешивания

Коэффициент смешивания, r, представляет собой отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха. Обычно он выражается в граммах водяного пара на килограмм воздуха (г·кг ^–1 ).

Давление ( P ) должно быть в тех же единицах, что и давление пара ( e ). Постоянная ε равна 0,622 и представляет собой отношение между газовой постоянной для сухого воздуха и газовой постоянной для водяного пара.

Коэффициент насыщения, r _s , рассчитывается так же, как коэффициент смешивания, но с давлением пара насыщения, e _s , вместо e .

При расчете коэффициента смешивания единицы давления в верхней части фракции компенсируются единицами давления в нижней части фракции. Хотя он кажется безразмерным, технически он не основан на определении массы водяного пара по сравнению с массой сухого воздуха. См. Совет для профессионалов ниже для получения дополнительной информации.

Совет профессионала: Многие единицы измерения влажности даются в г·кг ^-1 или кг·кг ^-1 , поэтому технически единицы измерения могут быть отменены, и они могут быть безразмерными! Не позволяйте этому обмануть вас. Важно помнить, что массы в числителе и знаменателе разные. В случае соотношения смешивания значение дается в массе водяного пара, пропорциональной массе сухого воздуха.

Удельная влажность

Удельная влажность, q , представляет собой отношение массы водяного пара к общей массе воздуха (сухого воздуха и водяного пара вместе взятых). Выражается в граммах водяного пара на килограмм воздуха (г·кг ^–1 ).

Опять же, удельная влажность насыщения, q _s , вычисляется как e _s вместо e .

Абсолютная влажность

Абсолютная влажность, ρ _v , представляет собой отношение массы водяного пара к объему воздуха. Выражается в граммах водяного пара на кубический метр воздуха (г·м ^-3 ). Фактически это плотность водяного пара.

Опять же, абсолютная влажность насыщения, ρ _против , использует e _s вместо e .

Относительная влажность

Относительная влажность, RH , представляет собой отношение количества водяного пара, присутствующего в воздухе, к максимальному количеству водяного пара, необходимому для насыщения при определенном давлении и температуре. Обычно его умножают на 100 и выражают в процентах. Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению, а не количество водяного пара, содержащегося в воздухе. По этой причине RH не является хорошим индикатором количественного количества водяного пара в воздухе. Это лишь относительная мера, сильно зависящая от температуры воздуха. Относительная влажность более 100 % называется перенасыщением.

или

Представьте себе две порции воздуха с одинаковым объемом, давлением и относительной влажностью. Участок 1 имеет температуру воздуха 20 ° C, а Участок 2 имеет температуру воздуха 30 ° C. Какой участок содержит больше водяного пара?

Температура точки росы

Температура точки росы, T _d , представляет собой температуру, до которой воздух должен быть охлажден для достижения насыщения без изменения влажности или давления воздуха. Он измеряет фактическое содержание влаги в воздухе. Насыщение происходит, когда температура точки росы равна температуре воздуха.

Когда температура точки росы ниже точки замерзания воды, ее также называют точкой замерзания .

Температура по влажному термометру

Температура по влажному термометру, T _w , является самой низкой температурой, которая может быть достигнута, если вода испаряется в воздухе. При относительной влажности 100 % температура по влажному термометру равна температуре воздуха, поскольку испарение отсутствует.

Температуру по влажному термометру трудно рассчитать, но легко измерить. Чтобы измерить температуру по влажному термометру, все, что вам нужно, это термометр с влажной тканью, обернутой вокруг термометра. Обычно этот термометр прикрепляют к устройству, называемому пращевым психрометром, чтобы его можно было легко вращать в воздухе, чтобы создать большой поток воздуха над влажной тканью на термометре. Испарение с влажной ткани снижает измеряемую температуру, поэтому температура по влажному термометру всегда ниже температуры воздуха (или температуры по сухому термометру), когда относительная влажность меньше 100%.

Вы также можете оценить температуру смоченного термометра, используя линии на графике. Правило Норманда используется для расчета температуры по влажному термометру на основе температуры воздуха и температуры точки росы. Температура по влажному термометру всегда находится между точкой росы и температурой по сухому термометру ( T _d ≤ T _w ≤ T ). Это можно реализовать на термодинамических диаграммах, таких как Skew- T log P, , которые более подробно обсуждаются в следующей главе.

Запишите это описание на потом. Чтобы найти температуру по влажному термометру на диаграмме Skew- T log P  , следуйте по сухой адиабатической линии вертикального градиента вверх от температуры воздуха. Затем используйте температуру точки росы и следуйте изогуме (линия постоянной относительной влажности) вверх. Точка, где встречаются эти две линии, называется подъемным уровнем конденсации (LCL). От точки встречи следуйте обратно вниз по влажному (насыщенному) адиабатическому градиенту, чтобы получить значение температуры по влажному термометру. Это, вероятно, сбивает с толку на данный момент, потому что мы не обсуждали LCL или влажный адиабатический градиент, но не волнуйтесь, мы повторим эту логику снова в следующей главе, чтобы убедиться, что это понятно.

Вы можете задаться вопросом, почему мы так заботимся о влажности и почему нам нужно так много определений (почти) одного и того же. Причина в том, что влага является чрезвычайно важным атмосферным свойством. Вода может существовать в трех фазах (пар, жидкость, лед) в атмосфере при типичных давлениях и температурах. Это оказывает особенно большое влияние на человеческий опыт — подумайте о влажном дне, тумане, дожде, снеге или даже граде! Менее очевидным является его влияние на стабильность атмосферы, которая приводит к вышеупомянутым условиям.

А пока давайте подумаем о процессе конденсации водяного пара с образованием жидкой воды. Есть одно окончательное определение влажности, которое будет полезным.

Подъем уровня конденсата

Уровень подъемной конденсации, z _LCL , это высота, на которой образуются облака. При LCL температура равна температуре точки росы, что приводит к насыщению и, следовательно, к конденсации. Высота ( z ) LCL составляет

, где a равно 0,125 км ° C ^-1 . Мы также можем определить температуру в LCL следующим образом.

Влажный адиабатический градиент

В предыдущей главе мы обсуждали, как изменяется температура при подъеме сухой порции воздуха в атмосферу. Вы помните, что когда воздушный пакет поднимается, температура падает на 9,8 К каждый километр из-за работы, которую воздушный пакет должен выполнять с окружающей средой по мере его расширения. Давайте добавим влаги в обсуждение и посмотрим, как это изменит ситуацию.

Если воздушная посылка достигает насыщения (100% относительной влажности) и водяной пар конденсируется в жидкую воду внутри посылки, высвобождается скрытое тепло. В случае восходящего потока воздуха, который охлаждается за счет адиабатического расширения, это дополнительное тепло от конденсации частично уравновешивает охлаждение. Следовательно, воздушная посылка будет охлаждаться уже не при сухой адиабатической скорости, а при меньшей влажной адиабатической скорости (Γ _м ). В отличие от сухого адиабатического градиента, влажный адиабатический градиент не является постоянным и изменяется в зависимости от температуры и влажности воздушной посылки.

Мы аппроксимируем влажный адиабатический градиент следующим значением.

Разница между сухим адиабатическим градиентом (Γ _м ) и влажным адиабатическим градиентом (Γ _м) значительна и оказывает глубокое влияние на стабильность атмосферы, что является предметом следующей главы.