Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Идеальный газ

Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами — способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния сопровождается скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

5. Влажный воздух

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим; если же в его состав входит водяной пар, то воздух называется влажным. Таким образом, влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара.

Влажный воздух обычно рассматривают при атмосферном давлении (сушильные установки, вентиляционные системы, установки кондиционирования воздуха и т. д.), поэтому водяной пар, содержащийся в нем, можно с достаточной точностью считать идеальным газом. В таком случае к влажному воздуху можно применить закон Дальтона, т. е. давление влажного воздуха равно:

$$p=p_в+p_п,$$

где $p_в$ и $p_п$ – соответственно, парциальные давления сухого воздуха и водяного пара в смеси.

Абсолютной влажностью воздуха называют массу водяного пара, содержащегося в $1$ м3 влажного воздуха или (что то же самое) плотность пара $ρ_п$ при его парциальном давлении $p_п$ и температуре воздуха $t$. Влажный воздух, содержащий перегретый водяной пар, называют ненасыщенным, потому что его абсолютная влажность может быть больше чем $ρ_п$. Максимально возможное содержание водяного пара в воздухе при температуре $t$ будет в том случае, когда парциальное давление пара $p_п$ станет равным давлению насыщения $p_н$. В этом случае абсолютная влажность воздуха будет равна плотности сухого насыщенного пара при давлении $p_п$ и температуре $t$. Такой влажный воздух называют насыщенным, он представляет собой смесь воздуха и сухого насыщенного пара.

Отношение действительного содержания водяного пара в $1$ м3 влажного воздуха к максимально возможному содержанию его в том же объеме влажного воздуха при данной температуре называется относительной влажностью воздуха и обозначается $φ$. Часто $φ$ выражают в процентах, т.е.:

$$φ=\frac{c_п}{c_{max}} ·100\% = \frac{ρ_п}{ρ_{max}} ·100\% = \frac{p_п}{p}·100\%.$$

Если ненасыщенный воздух нагревать при постоянном давлении, то давление насыщения будет увеличиваться, а поскольку парциальное давление пара остается неизменным, относительная влажность $φ$ уменьшаться до тех пор, пока температура воздуха не достигнет температуры насыщения, а давление насыщения не станет равным p.

Наоборот, если этот воздух охлаждать при постоянном давлении, то давление насыщения будет уменьшаться, а относительная влажность $φ$ – соответственно расти. При значении давления насыщения равном парциальному давлению пара получим $φ=1$, т. е. воздух станет насыщенным. Дальнейшее охлаждение приведет к конденсации пара и влага будет выделяться из смеси в виде росы. Температура, при которой влажность равна единице, называется температурой точки росы и обозначается $t_р$. Чем выше парциальное давление пара, тем выше температура точки росы.

Состав влажного воздуха можно задать объемными долями сухого воздуха водяного пара:

$$r_в=\frac{p_в}{p},$$ $$r_п=\frac{p_п}{p}.$$

Тогда средняя молекулярная масса влажного воздуха составит:

$$µ=µ_в·r_в+µ_п·r_п=28.97·\frac{p_в}{p}+18.02·\frac{p_п}{p}=28.97-10.95·\frac{p_п}{p}.$$

Одной из основных характеристик влажного воздуха является его влагосодержание $d$, представляющее собой количество влаги (пара), приходящееся на $1$ кг сухого воздуха в смеси.

$$d=\frac{ρ_п}{ρ_в}.$$

Используя уравнение Клапейрона, можно получить:

$$d=0.622·\frac{p_п}{p-p_п}.$$

Влагосодержание определяет массовый состав влажного воздуха как смеси, массовые доли воздуха и пара соответственно равны:

$$g_в=\frac{1}{1+d},$$ $$g_п=\frac{d}{1+d}.$$

Газовая постоянная влажного воздуха может быть вычислена по формуле:

$$R=g_в·R_в+g_п·R_п.$$

Влагосодержание является весьма удобной для расчетов характеристикой влажного воздуха, т.к. в процессах влажного воздуха количество сухого воздуха остается неизменным, а меняется количество водяного пара.

Энтальпию влажного воздуха можно определить как:

$$h=h_в+h_п·d.$$

где $h_в$ – энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; $h_п$ – энтальпия пара, кДж/кг.

Параметры влажного воздуха, легко определяются графическим путем при помощи $h-d$ диаграммы влажного воздуха, предложенной в 1918 г. Л.К. Рамзиным. В ней по оси абсцисс откладывается влагосодержание влажного воздуха, а по оси ординат – энтальпия. И то, и другое отнесено к $1$ кг сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе.

hs-диаграмма воды и водяного пара.
$h-d$ диаграмма влажного воздуха.

Кривая $φ=100%$ на диаграмме $h-d$ является своего рода пограничной линией, кривой насыщения. Вся область диаграммы над этой кривой соответствует влажному ненасыщенному воздуху (для различных значений $φ$). Область, лежащая под кривой $φ=100%$, характеризует состояние воздуха, насыщенного водяным паром.