Парциальное давление водяного пара
ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
Основные параметры влажного воздуха
Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются водяные пары, то такой воздух называется влажным воздухом(ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением. Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и охлаждение воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.
Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие:
1) плотность;
2) теплоемкость;
3) температура;
4) влагосодержание;
5) парциальное давление водяного пара;
6) относительная влажность;
7) температура точки росы;
9) энтальпия (теплосодержание);
9) температура по мокрому термометру.
Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества(кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.
Под воздействием различных факторов влажный воздух может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается, то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется плотность воздуха, и это приводит к возникновению конвективных течений: происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями теплота постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха как-то повышает свою температуру.
Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.
Более-менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов: струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.
Рассмотрим термодинамические параметры ВВ.
Плотность
Плотностью называется масса вещества в единице объема. Единица измерения плотности кг/м 3 . Плотность газов зависит от молекулярной массы, давления и температуры. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 29, а молекулярная масса ВП – 18. Плотность всех газов уменьшается с повышением температуры, так как при нагревании при постоянном давлении они расширяются. Для сухого воздуха при 20 °С плотность равна 1,2 кг/м 3 . При других значениях температуры ее можно вычислить по формуле
Плотность ВП может быть определена по формуле
Плотность ВВ меньше плотности СВ, так как ВП имеет меньшую молекулярную массу, чем СВ. Однако учитывая, что количество водяных паров в воздухе относительно невелико, уменьшением плотности в практических расчетах можно смело пренебречь. Так, при температуре воздуха 20 °С в воздухе может находиться около 14 г влаги на 1 кг сухого воздуха, что даст при вычислении плотности погрешность не более 0,7%.
Теплоемкость
Теплоемкостью называется количество теплоты, требуемое для нагрева 1 кг вещества на 1 °С. Теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении равна 1,005 кДж/(кг °С). Теплоемкость водяных паров равна 1,8 кДж/(кг °С). Точно также, как и с плотностью, в практических расчетов пренебрегают изменением теплоемкости ВВ, связанным с наличием в воздухе водяных паров, и считают теплоемкость ВВ равной теплоемкости СВ, то есть 1,005. более того, в прикидочных расчетах можно принимать с = 1, что даст ошибку 0,5% в сторону уменьшения результата вычислений. Учитывая значительно более низкую точность расчетов в вентиляции, связанную с неопределенностью многих исходных данных, а также тот факт, что любое оборудование подбирается с запасом, погрешность самих вычислений в 0,5% вполне допустима.
Температура
Температура является мерой нагретости тела. В вентиляции темепературу воздуха обычно указывают по стоградусной шкале, называемую в разговорной речи шкалой Цельсия. Абсолютные температуры по шкале Кельвина не нашли применения в вентиляции. В стоградусной шкале за 0 принята температура таяния льда. Температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении соответствует 100 °С. В вентиляционной практике приходится иметь дело как с положительными, так и отрицательными значениями температур.
2.1.4. Влагосодержание
Влагосодержанием ВВ называется количество водяных паров в граммах, приходящееся на каждый килограмм сухой части воздуха. Влагосодержание обозначается буквой d, а единица измерения г/кг.с.в.
Количество влаги, которое может максимально содержаться в воздухе при атмосферном давлении, сильно зависит от его температуры, значительно возрастая при ее повышении, как показано ниже в таблице.
| Температура, °С | -20 | -10 | |||||||
| Макс. влагосодержание, г/кг.с.в. | 0,77 | 1,79 | 3,8 | 7,63 | 14,7 | 27,3 | 48,9 | 86,3 | 152,0 |
Парциальное давление водяного пара
Количество водяных паров, находящееся в воздухе, однозначно определяет парциальное давление водяного пара рвп во влажном воздухе. Чем больше влаги, тем больше рвп. Связь между количеством влаги и парциальным давление водяных паров выражается следующими зависимостями
где Рб – барометрическое (атмосферное) давление, Па.
Таким образом, при увеличении количества водяных паров в воздухе, находящемся при некоторой температуре t, происходит рост парциального давления водяных паров. При некотором предельном влагосодержании парциальное давление достигнет значения давления насыщающих водяных паров рнп, то есть давления над свободной поверхностью жидкости, находящейся при той же температуре t. Такое состояние ВВ является предельным и называется насыщенным влажным воздухом. Увеличить влагосодержание воздуха выше предельного невозможно, так как будет происходить конденсация влаги на центрах активации, и в воздухе появится туман. Состояние тумана – это состояние избыточной влаги в воздухе, когда вся она не может находиться в парообразном состоянии, и часть ее находится в мелкокапельном состоянии. Иными словам, туман – это двухфазная среда, в отличие от ВВ, который является однофазной средой.
Относительная влажность
Относительной влажностью ВВ называется отношение парциального давления паров в воздухе к давлению насыщающих водяных паров. Обычно относительную влажность выражают в процентах. Тогда формула для расчета относительной влажности будет
Для абсолютно сухого воздуха рвп = рнп, и φ = 100 %. При полном насыщении воздуха водяными парами рвп = рнп, и φ = 100 %. Относительной влажность, таким образом, является мерой степени насыщения воздуха водяными парами
Источник
Парциальное давление водяного пара
Парциальное давление водяного пара в области давлений и температур, соответствующих нормальным условиям, приближённо описывается уравнением:
pп = , Па,
где Rп = 461 — газовая постоянная пара.
Для определения значения парциального давления водяного пара можно использовать специальные справочные таблицы.
Массовая теплоёмкость пара
Теплоёмкость 1 килограмма пара при нормальных условиях (атмосферном давлении и температурах от -20 до +50ºС) сп = 1,8
Удельное теплосодержание (энтальпия) пара
Удельное теплосодержание (энтальпия) пара iп = r + сп·tп = 2500 + 1,807·tп
где r = 2500 – скрытая удельная теплота парообразования(конденсации) (количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, взятому при температуре кипения, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное при той же температуре; это же количество теплоты выделится при конденсации пара в 1 килограмм воды);
tп – температура пара, ºС.
ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ
При поступлении в состав сухого воздуха водяных паров он становится влажным.
Барометрическое давление влажного воздуха
Барометрическое давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений пара и сухого воздуха:
Насыщенный воздух
Насыщенный воздух – это воздух, содержащий в единице объема максимально возможное при данной температуре количество водяного пара. Наблюдается, например, над свободной поверхностью воды.
Процесс насыщения воздуха можно сравнить с поведением сухой губки, на которую льётся вода: губка впитывает воду до тех пор, пока не примет в себя то максимальное количество, которое сможет удерживать, после чего новые объёмы воды будут стекать с поверхности губки в неизменном количестве – это состояние губки и будет аналогичным состоянию насыщенного воздуха.
ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА
Давление насыщенных водяных паров влажного воздуха рн – максимальная величина парциального давления водяных паров при данной температуре воздуха.
Если парциальное давление рвпо каким-либо причинам окажется больше рп, то часть водяного пара сконденсируется с образованием тумана, и давление рпупадет до рн.
Абсолютная влажность воздуха
Абсолютная влажность воздуха D – масса водяного пара, содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха.
Абсолютная влажность, исходя из определения, равна плотности водяного пара в составе влажного воздуха: D = ρп= ,
При нормальном давлении и температуре 20ºС ρп = 0,01729 = 17,3 .
Плотность пара сильно зависит от температуры.
Источник
Влагонакопление, пленки, точка росы. Часть 1.
Немного теории. Откуда вообще берутся эти данные (плотность и давление насыщенного пара).
(В принципе, этот раздел можно не читать, считайте, что это мелкими буквами для любопытных).
Данные дают метеорологи. Это результаты замеров, а формулу получают экспоненциальной аппроксимацией (подбором формулы). Периодически, формулу пересматривают. С 2008-го года и по сей день, на планете Земля, она вот такая:
Полученную формулу парциального давления насыщенного пара, публикуют в специальном документе, едином для всей планеты: Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation
В СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий — предложена своя аппроксимация:
Мы видим, что в уравнении уже нет атмосферного давления (включено стандартное), формула упрощена.
Как видим, аппроксимация довольно качественная, погрешности:
— при -30С 4% (в СП завышают давление).
— при +30, погрешность -0,8% (в СП занижают).
Цель своей аппроксимации понятна, не хотят грузить проектировщиков более сложными вычислениями, хотя сегодня, при наличии массы программ…
При этом возникают проблемы, этой формулой нельзя пользоваться в высокогорье (не учтено влияние давления), а нарушать СП — нельзя. И как проектировщики выкручиваются — можно только гадать. Скорее всего никак. Тупо считают по СП.
Зачем эти извраты и вообще, почему в 21-ом веке СП насыщенные расчетами до сих пор выпускают на бумаге, а не в виде сайта с наборами онлайн-расчетов — мне лично не понятно.
Какой смысл, доблесть, крутизна. — в демонстрации проектировщиком владения калькулятором? Тем более, что огромное количество народа в этой области — давно уже не понимает, что и зачем. Складывают «зеленые мячики в красные корзинки». И не дай Бог перепутать, чего в числитель, чего в знаменатель. Чему немало способствуют разработчики совр. СП (ну, вот злой я на НИИ СФ, что делать. ).
Как все это работает, откуда пар в воздухе.
Работает просто. Если взять сосуд, заполнить его абсолютно сухим воздухом, потом налить воды на дно и закрыть герметично, произойдут два события:
— уровень воды в сосуде начнет падать, со временем — падение остановится
— давление в сосуде повысится. Для комнатных условий — немного около 2%.
Что произошло? Часть воды из жидкого состояния, перешла в газообразное. В водяной пар. Конкретно, при температуре 20С, в куб воздуха перейдет 18,6 грамм воды, а его давление повысится на 2344 Па (см. таблицу насыщенного пара).
Если мы поднимем температуру в сосуде, то оба явления повторятся. Уровень жидкости еще упадет, а давление в сосуде возрастет сверх вызванного подъемом температуры. Для 30 градусов, давление подрастет на 4254 Па, а в куб воздуха перейдет 33.75 грамм воды.
Почему так? В смысле почему именно 33,75 грамм? Ответ простой — так устроен наш мир. Никто не знает, почему постоянная Планка такая. И почему при +30, куб воздуха не может содержать больше 33.75 грамм воды.
Дума очевидно почему, когда вода перестала испарятся, воздух над этой водой, считают 100% влажности. Это означает, что не изменив температуры, никаким образом ни миллиграмма пара в этот воздух не добавить. Такой пар, называют насыщенным.
При этом, воздух еще прозрачен. Пар это газ. «Пар» изо рта, туман — это не газ, не пар, это аэрозоль, мельчайшие капельки жидкой воды.
А что произойдет, если остудить воздух с влажностью 100%. Скажем с +20С, до +19С? А очень просто, при +20С в кубе может содержаться не более 18.6 грамм пара, а при -19С, всего 17.47. Т.е. в воду вернется 18,6-17,47=1.13 грамм пара и мы увидим повышение уровня воды в сосуде на эту величину. Либо 1.13 грамма конденсата на стенках сосуда.
Каким образом, в комнате можно достичь 100% влажности? Тоже просто, закрыть комнату герметично, налить на пол лужу и подливать, пока не перестанет сохнуть. Как перестало — имеем 100% влажности. И если такую комнату остудить хотя бы на десятую градуса — выпадет конденсат. На поверхности того, чем остужали.
А если у меня на полу нет лужи и комната не герметична (форточка открыта) — откуда в ней вообще возьмется пар?
Источник пара — сами люди и их деятельность.
В медицине, это называют скрытыми, или невидимыми потерями (воды), т.е. не через ЖКТ, не через почки.
Альвеолярный путь. Около 400-500 грамм воды в сутки мы теряем с дыханием, на каждый куб выдыхаемого воздуха, теряется около 9 грамм воды.
Кстати, интересный момент: посмотрите в таблицу, 9 грамм пара в кубе становится насыщенным при температуре около 8 градусов, при этом, часть пара, переходит в жидкость, в капельки тумана. И люди говорят — «пар изо рта», т.е. на улице около +8С.
Трансэпидермальный (через кожу) путь. Не путать с потовыделением. У людей с ангидрозом (отсутствием потовых желез) — эти потери точно такие же. При обширных раневых, ожоговых повреждениях кожи, потери могут достигать 5 литров в сутки. В норме те же 400-500 грамм пара в сутки. При этом, у детей близко к взрослым (тонкая кожа).
Человек в сутки, продуцирует до килограмма пара. Так устроен.
К этому, полили цветочки (практически вся вода перейдет в пар), помыли посуду, чайник, кастрюльки, белье сушится…
В среднем, до 1,5 — 2 кг пара в сутки, человек и его деятельность.
Ладно, пар в воздухе есть. А с чего ему идти в стену, если есть форточка, откуда проблема влагонакопления ограждений?
А он и идет «в форточку» (вентиляцию). Но не успевает.
Давайте прикинем. Человек произвел в сутки 1800 грамм пара. Вентиляция 30 м3/ч на человека, в сутки 720 м3. Пусть на улице -5С с влажностью 70%, куб уличного воздуха (смотрим в таблицу) содержит 3,36*0,7=2,4 грамма. 720 кубов уличного воздуха, принесут с собой 1693 грамма пара.
Т.е. суммарный приток пара 1.800+1.693= 3.5 кг. Этот пар распределится на 750 м3, доведя содержание пара в кубе до 4,9 грамм, при +20С, это влажность 26%
И тут — важный вывод.
К пару уличного воздуха, в помещении, ВСЕГДА добавляется пар продуцируемый людьми. Количество пара внутри помещений — всегда больше.
Далее, почему пар «попрет» в стенку. или о парциальных давлениях. Но вначале, про:
Диффузия газов.
Вот, если честно, не хотел писать этот раздел. Но не хочется оставлять лазеек авторам доморощенной и самопальной физики (пар легче, он соберется под потолком, внизу влажности не будет, пароизоляция полов не нужна).
Этот раздел тоже будем считать написанным «мелкими буквами» (как и все главное в банковских договорах), т.е. «можно пропустить».
На самом деле, действие малых парциальных — загадка. Такая же, как почему постоянная Планка именно такая. Или почему на планете Земля, при +20 в куб воздуха нельзя впихнуть больше 18,6 грамм пара. Ответ один — вот так устроен наш мир, мы всего лишь наблюдаем, замеряем и пытаемся найти закономерности.
Загадка в распределении одного газа в среде другого. Средние скорости молекул при нормальных условиях — сотни метров в секунду, но их настолько много, что средний путь между соударениями — сотые микрона. В результате, скорость диффузии газов — сантиметры в минуту.
Это хорошо подтверждается прямым наблюдением, например по диффузии углекислоты в воздухе. Про наблюдаем — в прямом смысле. Глазами. В сосуд наливают (газообразную углекислоту, можно именно налить) углекислоту, далее смотрят, как она диффундирует (смешивается) с воздухом.
Для этого используют мыльные пузыри, наполненные воздухом и углекислотой. Одни опускаются до границы углекислоты, другие уходят ниже. Физики они такие, хлебом не корми дай поиграться, «лишь бы не работать» 🙂
При этом, простейший эксперимент со стыренными у жены (в строго научных целях) и разлитыми духами — четко показывает, что ни о каким сантиметрах в минуту речь не идет. Метры в секунду. Молекулы летят пулями, так, как будто они в комнате одни, как будто за каждой молекулой этих духОв сидит Шумахер и лихо огибает все молекулы воздуха.
Как они это делают, как можно лететь по встречке в час пик, как по пустому шоссе — никто не знает, но каждый газ ведет себя так, как будто кроме него в смеси никого нет.
Собственно и современная теория газовой диффузии — исходит из этого. Давно уже сформулирован закон Фика, замерены коэффициенты диффузии (для водяного пара в НУ 0,25 м2/с, тут, как именно это делают ), давно известны количественные характеристики потока распространения пара в воздухе. Скажем после выдоха человека — получим поток до 0,03 гр/м2*с, при том, что человек в секунду не может продуцировать более 0.01 грамма пара в секунду. Вот если бы в одну точку ухитрились бы дышать семеро людей, то сферу с площадью в квадратный метр — можно надышать до насыщения.
Ну, а то, что именно так устроен наш мир — в целом радует. Не приходится отползать во сне через каждые десяток вдохов из зоны, где полностью «выдышали» кислород, заменив его на углекислоту. Диффузия спасает.
Парциальное давление
Воздух — смесь газов. Их суммарное давление близко к 100 кПа (одна атмосфера). При этом, каждый из газов, вносит в это давление свою долю, свое парциальное давление, не исключение и водяной пар.
Вот так выглядит график столь печально знаменитой (невежественными толкованиями) точки росы. Выше графика — условия для перехода пара в воду. Ниже — останется газом.
«Точка росы», это точка этого графика. Одновременно, это может быть некой пространственной точкой, зоной. Скажем, если некое место в стене имеет температуру -10С и в этом месте присутствует пар с парциальным давлением 300 Па — в этом месте будет конденсат.
В принципе, можно сказать и «в этом месте будет точка росы», т.е. сочетание температуры и парциального давления пара, выше, чем на графике.
Статья выходит слишком большой, поэтому про процессы в ограждениях, про пироги стен, их расчеты и оптимальную влажность в помещении — будет во второй части.
Источник