1 / 51

Состав воздуха

Состав воздуха. Воздух – это смесь газов с постоянным составом (сухой воздух) + водяной пар, концентрация которого все время меняется. Молекулярные веса составляющих газов. Азот ( N 2 )- μ = 28 Кислород ( O 2 )- μ = 32 Аргон (Ar)- μ = 40 Водяной пар ( H 2 O)- μ =18

halee-mcdowell
Download Presentation

Состав воздуха

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Состав воздуха

  2. Воздух – это смесь газов с постоянным составом (сухой воздух) + водяной пар, концентрация которого все время меняется

  3. Молекулярные веса составляющих газов. • Азот (N2)-μ=28 • Кислород (O2)- μ=32 • Аргон (Ar)- μ=40 • Водяной пар (H2O)- μ=18 • Углекислый газ (CO2)- μ=44 • [μ]=кГ/кМоль=Г/моль 1 моль вещества весит μ грамм Массу атома никогда не выражают в граммах, так как это исключительно неудобно. Например, масса атома урана – самого тяжелого из существующих на Земле элементов – составляет всего 3,952·10–22 г. Поэтому массу атомов выражают в относительных единицах, показывающих, во сколько раз масса атомов данного элемента больше массы атомов другого элемента, принятого в качестве стандарта. В качестве единицы массы была принята 1/12 часть массы изотопа углерода 12C

  4. Плотность ─ важнейшая характеристика любой сплошной среды В метеорологии плотность воздуха не измеряют, а вычисляют!

  5. Закон Авогадро Доказал: плотности газов ρ1 и ρ2, занимающих при равных давлениях и температурах равный объем относятся как их молекулярные веса µ1 и µ2 Следствие1: т.к. ρ1=N1∙ µ1иρ2=N2∙ µ2, тоиз ρ1 / ρ2 = µ1 / µ2 следует , что N1=N2 ,то есть в равных объемов любых газов при одинаковых условиях число молекул одинаково (N≈6 ∙1023 —Лошмидт) Следствие 2: 1 моль любого газа при стандартных условиях (00С,101300 Па) занимает один и тот же объем (0,0224 м3) Амедео Авогадро

  6. Сколько весит 1 м3 кислорода при нормальном давлении и температуре? • 22.4 м3 кислорода (1 кмоль) весят 32 кг • Т.е. 1 м3 весит 32/22.4=1.43 кг • ( Заодно: 1 литр=10-3 м3, т.е.весит 1,43 г)

  7. Любознательный, реши задачу 1 Если пустыню Сахару (S = 720 000 км2), аккуратно покрыть слоем из N=6 1023(число Авогадро) песчинок кубической формы со стороной 1 мм, Какой толщины будет слой песка? Для нелюбопытных ответ: 833 м

  8. Любознательный, реши задачу 2 Сколько нужно пустых поллитровых бутылок для хранения 1 моля воздуха (ρ =1,3 кг/м3, М = 29 г/моль)? Нужен объем V = M/ρ = 0,029 [кг/моль]/1,3 [кг/м3] = 0,022 [м3/моль] 1 литр = 0,001 м3, значит для хранения 1 моля воздуха нужно 22 поллитровых бутылки!

  9. Газовые законы 1 Роберт Бойль, физик и богослов Современники Шекспира Эдм Мариотт, приор монастыря в Дижоне, Один из основателей Французской академии

  10. Газовые законы 2 Жозеф-Луи Гей-Люссак, физик, химик, президент Французской Академии

  11. Газовые законы 3 Жак Шарль, изобрел водородный воздушный шар И поднялся на нем в 1783 г над Парижем на высоту 914 м

  12. Закон Клапейрона V’/ V1=T1 / T2 (закон Гей-Люсака) p1V’ =V2 p2 (закон Бойля-Мариота) Бенуа Поль Клапейрон, Физик и инженер, его именем названа улица в Париже p1V1/T1=p2V2/T2 =const (закон состояния газа в форме Клапейрона)

  13. Уравнение состояние газа(закон Менделеева-Клапейрона) Для 1 моля любого газа pV/T=R*, где R* =8,31 кДж/(кмольOK) Т.к. плотность ρ=µ/V, получим основную форму уравнения состояния P = ρ R T , (Для воздуха µ = 29 кГ/кмоль и R = R*/µ =287 Дж/(кГ OK))

  14. Задача • Вычислить газовую постоянную • Азота • RN=R*/µ = 8,31 [кДж/(кмольOK)] /28[кмоль/кГ]= 297 Дж/(кГ OK)) • Углекислого газа • RСО2=R*/µ = 8,31 [кДж/(кмольOK)] /46[кмоль/кГ]= 181 Дж/(кГ OK))

  15. Главное назначение уравнения состояния в метеорологии – расчет плотности воздуха Пример. Измерены давление 980 гПа (1 Па=1н/м2) и температура воздуха 25оС Расчет плотности воздуха ρ = p/RT= =980(гПа)∙100(Па/гПа)/(273+25)287 =1,146 кГ/м3 Легко видеть, что теплый воздух при том же давлении легче холодного

  16. Сухой воздух – это смесь N2,O2,Ar. Почему мы считаем его единым газом? Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ независимо от других газов смеси Полное давление смеси равно сумме парциальных Закон Дальтона для парциальных давлений смеси газов Джон Дальтон, школьный учитель, основатель физической атомистики

  17. Потому, что сухой воздух можно описать единым уравнением состояния Пусть в одном и том же объеме при одинаковых температурах содержится смесь азота, кислорода и аргона Ур.сост. N2: PNV=RNT, RN= R*mN/µNµN=28 Ур.сост. O2: POV=ROT, RO= R*mO/µOµо=32 Ур.сост. Ar: PAV=RAT, RA= R*mA/µAµА=40 Для смеси:(PN+PO+PA)V=R*(1/µN+ 1/µO+ 1/µA)T Откуда: P∑ V= (R*mS/µ∑)T = R∑ T Если mS/µ∑= (mN/µN+ mO/µO+ mA/µA), То 1/µ∑= (mN/mS)/µN+ (mO/mS) /µO+ (mA/mS) /µA=1/(28.8) Именно этот молекулярный вес и приписывается воздуху

  18. Задача • Вычислить молекулярный вес воздуха Марса и его газовую постоянную • 1/m=0.95/46+0.05/28, m = 44.6 • Записать уравнение состояния для атмосферы Марса (95% СО2, 5% N2) • P=rRмрсТ, • Rмрс=R*/m = =8.31/44.6=0.186кДж/(кгК)=186Дж/(кгК)

  19. Водяной пар – тоже идеальный газ

  20. История измерений влажности воздуха Рихард Асман изобрел аспирационный психрометр, 1882 Николай Кузанский изобрел в 1440 г. гигрометрический принцип измерения влажности (взвешивание шерсти) Орас Соссюр изобрел волосной гигрометр, 1783 • Эрнст Август изобрел психрометрический метод, 1825

  21. Водяной пар – идеальный газ (µп=18 кГ/кмоль, Rп=R*/µп=462 Дж/кГ /OK) Обозначение его парциального давления Вместо p — e (в атмосфере O(e)≈100гПа Читать: «порядок величины е примерно единицы гПа ) Вместо R — Rп Rп=R/µп=8.31/18=0.461.6 кДж/(кГ оК) Тогдауравнение состояния пара H2O e = ρп RпT

  22. Другие характеристики влажности воздуха Плотность пара Н2О (ρп )называется абсолютной влажностью Оценка:ρп= e / Rп T Концентрация пара Н2О в 1 кг воздуха ( q )называется массовой долей водяного пара q =ρп/ρ= (e/RпT)/(p/RT)=(R/Rп)(e/p) Оценка:q=0.622 e/p Внимание! Даже еслиe=p, то q =0.622<1. Это значит, что при одинаковых условиях пар Н2О легче воздуха ( имеет отношение к Всемирному Потопу ! )

  23. Реальный воздух – смесь сухого и пара Н2О Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ независимо от других газов смеси Полное давление смеси равно сумме парциальных Закон Дальтона для парциальных давлений смеси газов

  24. Применение закона Дальтона для вывода уравнения состояния влажноговоздуха ρ R T = P = Pc + e =ρc R c T + ρпRпT= =(ρ-ρп)Rc T +ρпRпT = ρR c T + ρп(Rп-R c)T= = ρT∙{Rc[1+(Rп –Rc)/Rc)(ρп /ρc)]}= =ρRc { [1+(Rп –Rc)/Rc)](ρп /ρ)} T Во влажном воздухе становится переменной R

  25. Виртуальная температура Принято! Вместо переменной R влажного воздуха вводить виртуальную(кажущуюся) температуру Tv P = ρRcTv , Tv=T(1+0.61q)=T+ΔTv Ее нельзя измерить! Она применяется для расчета плотности влажного воздуха

  26. Кипение воды – это пример состояния, при котором вода и пар находятся в равновесии, Если при давлении, равном 1013,25 гПа воду нагреть до 100 °С, то она закипает (в слое воды образуются пузырьки пара) Над водой пар имеет давление равное атмосферному, имеющий ту же температуру, но существенно больший объём. В пузырьках давление пара такое же, иначе их раздавило бы До тех пор пока остаётся некоторое количество воды, температура системы, несмотря на непрекращающийся подвод теплоты, постоянна.

  27. Насыщенный пар е=Е Даже если кипения нет, над поверхностью воды пар находится в динамическом равновесии с ней Число молекул, вырывающихся в единицу времени из жидкости и переходящих в паровую фазу, равно числу молекул пара, возвращающихся в жидкость за то же время.

  28. Давление на кривой фазового перехода вода-пар или лед-пар называется насыщающим давлением водяного пара Вид зависимости насыщающего давления пара от температуры был найден на основе опыта Дальтона

  29. Кривая давления насыщения пара. Основные точки получены Уаттом Кривая, представляющая зависимость давления насыщенного пара от температуры, выражает в то же время зависимость температуры кипения или конденсации от давления. Давление насыщенного пара называется давлением насыщения

  30. Температура насыщенного пара называется точкой росы Td Разность T – Td называется дефицитом точки росы Если фактическая температура T>Td, то происходит испарение воды Если фактическая температура T<Td, то происходит конденсация пара

  31. Связь температуры и давления фазового перехода (кипения, плавления и др.) теоретически определяется по уравнению Клапейрона – Клаузиуса (будем выводить) На практике применяют эмпирические формулы Например, формулу Магнуса → Образец: При t=150C и при любом давлении Давление насыщеного пара (над водой) равно E [гПа] = =6.11∙107.63 ∙15/(241.9+15) ≈17

  32. Формула Болтона • Для диапазона от -35 до 350С с погрешностью 0,3% для расчета давления насыщенного пара над водой применима формула Болтона • Температура t в градусах Цельсия

  33. Задача • Вывести формулу точки росы из формулы Болтона и определить точку росы для парциального давления пара 20 гПа

  34. Запомни твердо: 1) Парциальное давление насыщения зависит только от одной температуры!!! 2) В воздухе атмосферы не может содержаться пара больше, чем нужно для насыщения ( а в технических устройствах перегретый пар возможен). 3) Запомни давления насыщения: Е(1000С)1000 гПа, Е(200С)  20 гПа, Е(00С)=6,11 гПа, Е(-200С)  1 гПа

  35. Температура кипения воды зависит только от давления ( установил Д. Папен) Поскольку давление с высотой падает, то понижается с высотой и необходимое для кипения давлени насыщающего пара, а значит и температура кипения Из-за этого в горах дольше вариться пища

  36. Задача • Рассчитать температуру кипения на высоте 3 км • Давление на этой высоте = ? • Это давление для кипения является давлением насыщения водяного пара, т.е. его температура определяется по формуле …..

  37. Кавитация – это закипание воды при повышении скорости потока. По закону Бернулли при движении воды относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров при данной температуре воды. При этом жидкость вскипает, и образуются парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Впервые обнаружил явление кавитации О. Рейнольдс в 1894 году на английских миноносцах.

  38. Задача • Рассчитать скорость стартующего катера, при которой образуется пена за его кормой.(Температура воды 20С) • Считая обтекание идеальным, применим закон Бернули: • Po=P+rV2/2 • Давление P должно стать равным насыщающему при температуре воды

  39. Важное следствие из закона насыщения Давление насыщения определяет максимально возможное количество пара, которое может содержать воздух при заданной температуре Если в воздухе содержится мало водяных паров, то это создает чувство сухости во рту, одежда "электризуется" и липнет к телу. Если же пар насыщен, то при малейшем понижении температуры наступит конденсация пара, и все предметы покроются капельками влаги Чем жарче, тем больше пара может содержаться в воздухе

  40. По отношению к состоянию насыщения

  41. Относительная влажность ( F%)– показатель степени насыщенности водяного пара в воздухе c температурой Т.

  42. Задача • Вычислить абсолютную влажность воздуха • в Сахаре (t=35C, f =25%, P=1000), • В Амазонии (t=30C, f =80%, P=1000), • Над водой Атлантики (t=26C, f =80%, P=1000) • Над Баренцовым морем (t=0C, f =80%, P=1000) • В Антарктиде на станции Восток (t=-35C, f =80%, P=800 гПа)

  43. Психрометрическое уравнение • При испарении (кипении) вода (и тело ее содержащее) теряет тепло, а при конденсации приобретает • L=2.5Мдж/кг=2500кДж/кг • Равновесие смоченного термометра – это равенство полного тепла (энтальпии) этого термометра полному теплу (энтальпии) окружающего воздуха СрTсм+Lq(Tсм)= СрT+Lq(Td)

  44. Температура смоченого термометра • Из психрометрического уравненияследует, что по показаниям сухого и смоченного термометров можно определить парциальное давление воздуха – это метод Августа • е=E(Tсм)-(L/Cp)(Т-Тсм)P • Отсюда следует важная теорема Норманда

  45. Теорема Норманда На уровне конденсации Одинаковы Температура Точка росы и Температура смоченого термометра Вывод формул для уровня конденсации см. в учебнике!

  46. Задача • Вычислить парциальное давление пара в воздухе, если показания сухого термометра 20С, смоченного термометра 16С, а давление 990 гПа

  47. Графическое определение уровня конденсации на основе теоремы Норманда • Если частица воздуха перемещается без конденсации (t<td), то концентрация пара в ней (массовая доля) q не меняется (перемещение по изограмме), хотя меняются P и T • Температура в изолированной частице меняется только адиабатически • Далее используем аэрологическую диаграмму

  48. Перечень характеристик влажности

  49. Психрометрическая диаграмма номограмма для графического решения психрометрического уравнения

  50. Диаграмма Молье (Mollier Diagram ) Точками А2 и В2 показано, как изменится влагосодержание воздуха при 35 градусов (от 11 г до 26 г/кг) при изменении относительной влажности от 30 всего до 70%

More Related