Состояние и состав воздуха.

Влажным воздухом называется парогазовая смесь, состоящая из сухого воздуха и водяных паров. Знание его свойств инженеру-строителю необходимо для понимания и расчета таких технических устройств, как сушилки, системы отопления и вентиляции и т. п.

Состав сухой части атмосферного воздуха

Наименование элемента	Процентное содержание (%)	Молекулярный вес
Азот N2	78,8	28
Кислород O2	20,95	32
Аргон Ar	0,93	40
Углекислый газ CO2	0,3	48
Водород H2	5·10-5	2
Гелий He	5·10-4	4
Неон Ne	1,8·10-3	20
Озон O3	1·10-6	48
Криптон Kr	1·10-4	84
Ксенон Xe	8 ·10-6	131
Радон Rn	6·10-18	222

Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным. Воздух, в котором не содержится максимально возможное при данной температуре количество водяного пара, называется ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Водяной пар содержится в воздухе обычно в небольших количествах и в большинстве случаев в перегретом состоянии, поэтому к нему с достаточной для технических расчетов точностью могут быть применены законы идеальных газов.

Давление влажного воздуха , согласно закону Дальтона, равно: = ,

где - парциальные давления соответственно сухого воздуха и водяного пара, Па.

Парциальное давление можно определить из таблиц насыщенного пара по температуре точки росы, т, е. по той температуре, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух с температурой t при постоянном влагосодержании, чтобы он стал насыщенным (при некоторой температуре t_п < t_в, где индексы «п» и «в» относятся к пару и сухому воздуху).

Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).

7.2 Основные характеристики влажного воздуха Определение характеристик воздуха.

К основным характеристикам влажного воздуха относятся:

- Абсолютная влажность D, которая определяет массу водяного пара (влаги), содержащегося в 1 м³ влажного воздуха.

Абсолютную влажность из-за малой величины обычно измеряют в г/м³. Но в связи с тем, что при определённой температуре воздуха в нем может максимально содержаться только определённое количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается), введено понятие относительной влажности.

- Относительная влажность, которая определяет степень насыщения воздуха водяным паром: , т. е. отношение действительной абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности в насыщенном воздухе при той же температуре, выраженных через отношение плотностей ( ) или давлений (p) по закону Бойля-Мариотта, где индекс «п» и «н» относятся к пару в ненасыщенном и насыщенном состояниях.

В отсутствие центров конденсации при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, то есть относительная влажность становится более 100 %. В качестве центров конденсации могут выступать ионы или частицы аэрозолей, именно на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся при прохождении заряженной частицы в таком паре основан принцип действия камеры Вильсона и диффузионных камер: капельки воды, конденсирующиеся на образовавшихся ионах образуют видимый след (трек) заряженной частицы.

Другим примером конденсации перенасыщенного водяного пара являются инверсионные следы самолётов, возникающие при конденсации перенасыщенного водяного пара на частицах сажи выхлопа двигателей.

Для насыщенного воздуха =1 или 100%, а для ненасыщенного влажного воздуха <1, для перенасыщенного паром состояния воздуха 1.

- Влагосодержание воздуха d, г/кг сухого воздуха, т. е. отношение массы водяного пара к единице массы сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе:

,

где , - масса водяного пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

С учётом уравнения состояния Клапейрона влагосодержание воздуха можно определить

где , - молекулярная масса водяного пара и воздуха; p_п и p_в – парциальные давления водяного пара и сухого воздуха.

Подставив соответствующие значения молекулярных масс, получим:

Наряду с вышеназванными характеристиками энтальпия i влажного воздуха является одним из основных его параметров и широко используется при расчетах сушильных установок, систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Энтальпию влажного воздуха обычно относят к единице массы сухого воздуха, т. е. к 1кг, и определяют как сумму сухого воздуха и водяного пара, кДж/кг сухого воздуха:

i=1.005t+(2500+1.8068t)d

Так как теплоемкость влажного воздуха 1.005+1.8068 d кДж/кг сухого воздуха, то

i= t+2500 d .