Nesta lição, será introduzido o conceito de umidade absoluta e relativa, os termos e quantidades associados a esses conceitos serão discutidos: vapor saturado, ponto de orvalho, dispositivos para medição de umidade. Durante a aula, conheceremos as tabelas de densidade e pressão do vapor saturado e a tabela psicrométrica.
Para uma pessoa, o valor da umidade é um parâmetro muito importante do ambiente, pois nosso corpo reage muito ativamente às suas mudanças. Por exemplo, tal mecanismo para regular o funcionamento do corpo como a transpiração está diretamente relacionado à temperatura e umidade do ambiente. Em alta umidade, os processos de evaporação da umidade da superfície da pele são praticamente compensados pelos processos de sua condensação e a remoção de calor do corpo é perturbada, o que leva a violações da termorregulação. Em baixa umidade, os processos de evaporação da umidade prevalecem sobre os processos de condensação e o corpo perde muito líquido, o que pode levar à desidratação.
O valor da umidade é importante não apenas para humanos e outros organismos vivos, mas também para o fluxo processos tecnológicos. Por exemplo, devido à propriedade conhecida da água de conduzir eletricidade, seu conteúdo no ar pode afetar seriamente o funcionamento correto da maioria dos aparelhos elétricos.
Além disso, o conceito de umidade é o critério mais importante para avaliar condições do tempo que todos sabem pelas previsões meteorológicas. Deve-se notar que se compararmos a umidade em várias vezes anos em nosso costume condições climáticas, então é maior no verão e menor no inverno, o que está associado, em particular, à intensidade dos processos de evaporação em diferentes temperaturas.
As principais características do ar úmido são:
O ar é um gás composto, contém muitos gases diferentes, incluindo vapor de água. Para estimar sua quantidade no ar, é necessário determinar qual massa o vapor de água possui em um determinado volume alocado - esse valor caracteriza a densidade. A densidade do vapor de água no ar é chamada umidade absoluta.
Definição.Umidade absoluta do ar- a quantidade de umidade contida em um metro cúbico de ar.
Designaçãoumidade absoluta: (assim como a notação usual para densidade).
Unidadesumidade absoluta: (no SI) ou (para a conveniência de medir a pequena quantidade de vapor de água no ar).
Fórmula cálculos umidade absoluta:
Designações:
Massa de vapor (água) no ar, kg (no SI) ou g;
O volume de ar no qual a massa de vapor indicada está contida, .
Por um lado, a umidade absoluta do ar é um valor compreensível e conveniente, pois dá uma ideia do teor específico de água no ar em massa, por outro lado, esse valor é inconveniente do ponto de vista da suscetibilidade à umidade por organismos vivos. Acontece que, por exemplo, uma pessoa sente não o conteúdo de massa de água no ar, mas seu conteúdo em relação ao valor máximo possível.
Para descrever essa percepção, uma quantidade como humidade relativa.
Definição.Humidade relativa- um valor que mostra a distância entre o vapor e a saturação.
Ou seja, o valor da umidade relativa, em palavras simples, mostra o seguinte: se o vapor estiver longe da saturação, então a umidade é baixa, se estiver próxima, é alta.
Designaçãohumidade relativa: .
Unidadeshumidade relativa: %.
Fórmula cálculos humidade relativa:
Notação:
Densidade do vapor de água (umidade absoluta), (em SI) ou ;
Densidade do vapor de água saturado a uma dada temperatura, (em SI) ou .
Como pode ser visto na fórmula, contém a umidade absoluta, com a qual já estamos familiarizados, e a densidade do vapor saturado na mesma temperatura. Surge a pergunta, como determinar o último valor? Para isso, existem dispositivos especiais. Nós vamos considerar condensandohigrômetro(Fig. 4) - um dispositivo que serve para determinar o ponto de orvalho.
Definição.ponto de condensação da águaé a temperatura na qual o vapor se torna saturado.
Arroz. 4. Higrômetro de condensação ()
Líquido de evaporação fácil, por exemplo, éter, é derramado dentro do recipiente do dispositivo, um termômetro (6) é inserido e o ar é bombeado através do recipiente usando uma pêra (5). Como resultado do aumento da circulação de ar, começa a evaporação intensiva do éter, a temperatura do recipiente diminui por causa disso e o orvalho aparece no espelho (4) (gotas de vapor condensado). No momento em que o orvalho aparece no espelho, a temperatura é medida usando um termômetro, e essa temperatura é o ponto de orvalho.
O que fazer com o valor de temperatura obtido (ponto de orvalho)? Existe uma tabela especial na qual os dados são inseridos - qual densidade de vapor de água saturado corresponde a cada ponto de orvalho específico. Deve-se notar fato útil que com um aumento no valor do ponto de orvalho, o valor da densidade de vapor saturado correspondente também aumenta. Em outras palavras, quanto mais quente o ar, mais umidade ele pode conter e vice-versa, quanto mais frio o ar, menor o teor máximo de vapor nele.
Vamos agora considerar o princípio de operação de outros tipos de higrômetros, dispositivos para medir características de umidade (do grego hygros - "úmido" e metro - "eu meço").
Higrômetro de cabelo(Fig. 5) - um dispositivo para medir a umidade relativa, no qual o cabelo, por exemplo, cabelo humano, atua como elemento ativo.
A ação de um higrômetro capilar baseia-se na propriedade do cabelo sem gordura de alterar seu comprimento com as mudanças na umidade do ar (com o aumento da umidade, o comprimento do cabelo aumenta, com a diminuição, diminui), o que permite medir a umidade relativa . O cabelo é esticado sobre uma armação de metal. A mudança no comprimento do cabelo é transmitida à seta que se move ao longo da escala. Deve-se lembrar que o higrômetro capilar não dá valores exatos umidade relativa do ar, e é usado principalmente para fins domésticos.
Mais conveniente de usar e preciso é um dispositivo para medir a umidade relativa como um psicrômetro (do outro grego ψυχρός - “frio”) (Fig. 6).
O psicrômetro consiste em dois termômetros, que são fixados em uma escala comum. Um dos termômetros é chamado de molhado, pois é envolto em cambraia, que fica imersa em um tanque de água localizado na verso dispositivo. A água evapora do tecido úmido, o que leva ao resfriamento do termômetro, o processo de redução de sua temperatura continua até atingir o estágio até que o vapor próximo ao tecido úmido atinja a saturação e o termômetro comece a mostrar a temperatura do ponto de orvalho. Assim, um termômetro de bulbo úmido indica uma temperatura menor ou igual à temperatura ambiente real. O segundo termômetro é chamado de seco e mostra a temperatura real.
No caso do aparelho, via de regra, também é representada a chamada tabela psicrométrica (Tabela 2). Usando esta tabela, a umidade relativa do ar ambiente pode ser determinada a partir do valor de temperatura indicado pelo bulbo seco e a diferença de temperatura entre o bulbo seco e o bulbo úmido.
No entanto, mesmo sem essa tabela à mão, você pode determinar aproximadamente a quantidade de umidade usando o seguinte princípio. Se as leituras de ambos os termômetros estiverem próximas uma da outra, a evaporação da água de um úmido é quase completamente compensada pela condensação, ou seja, a umidade do ar é alta. Se, pelo contrário, a diferença nas leituras do termômetro for grande, então a evaporação do tecido úmido prevalece sobre a condensação e o ar é seco e a umidade é baixa.
Vamos voltar às tabelas que permitem determinar as características da umidade do ar.
|
Temperatura, |
Pressão, mm art. Arte. |
densidade do vapor, |
Aba. 1. Densidade e pressão do vapor de água saturado
Mais uma vez, notamos que, como mencionado anteriormente, o valor da densidade do vapor saturado aumenta com sua temperatura, o mesmo se aplica à pressão do vapor saturado.
Aba. 2. Tabela psicométrica
Lembre-se de que a umidade relativa é determinada pelo valor das leituras do bulbo seco (primeira coluna) e pela diferença entre as leituras seca e úmida (primeira linha).
Na lição de hoje, conhecemos uma importante característica do ar - sua umidade. Como já dissemos, a umidade na estação fria (no inverno) diminui e na estação quente (verão) aumenta. É importante poder regular esses fenômenos, por exemplo, se necessário, aumentar a umidade da sala em inverno vários tanques de água para melhorar os processos de evaporação, no entanto, este método só será eficaz a uma temperatura adequada, que é mais elevada do que no exterior.
Na próxima lição, veremos qual é o trabalho do gás e o princípio de operação de um motor de combustão interna.
Bibliografia
Trabalho de casa
Umidade do ar- o conteúdo no ar, caracterizado por uma série de valores. A água evaporada da superfície quando aquecida entra e se concentra nas camadas mais baixas da troposfera. A temperatura na qual o ar atinge a saturação com umidade para um determinado teor de vapor de água e inalterado é chamada de ponto de orvalho.
A umidade é caracterizada pelos seguintes indicadores:
Umidade absoluta(lat. absoluto - completo). É expresso como a massa de vapor de água em 1 m de ar. É calculado em gramas de vapor de água por 1 m3 de ar. Quanto maior, maior a umidade absoluta, pois Mais água quando aquecido, ele muda do estado líquido para o estado de vapor. Durante o dia, a umidade absoluta é maior do que à noite. O indicador de umidade absoluta depende de: nas latitudes polares, por exemplo, é de até 1 g por 1 m2 de vapor de água, no equador até 30 gramas por 1 m2 em Batumi (, costa) a umidade absoluta é de 6 g por 1 m, e em Verkhoyansk ( , ) - 0,1 gramas por 1 m A cobertura vegetal da área depende em grande parte da umidade absoluta do ar;
Humidade relativa. Esta é a razão entre a quantidade de umidade no ar e a quantidade que ele pode conter na mesma temperatura. A umidade relativa é calculada como uma porcentagem. Por exemplo, a umidade relativa é de 70%. Isso significa que o ar contém 70% da quantidade de vapor que pode conter a uma determinada temperatura. Se um curso diário a umidade absoluta é diretamente proporcional ao curso das temperaturas, então a umidade relativa é inversamente proporcional a este curso. Uma pessoa se sente bem quando igual a 40-75%. O desvio da norma causa um estado doloroso do corpo.
O ar na natureza raramente está saturado com vapor de água, mas sempre contém alguma quantidade dele. Em nenhum lugar do mundo foi registrada uma umidade relativa de 0%. No estações meteorológicas a umidade é medida usando um dispositivo higrômetro, além disso, registradores - higrógrafos são usados;
O ar é saturado e insaturado. Quando a água evapora da superfície do oceano ou da terra, o ar não pode reter vapor de água indefinidamente. Este limite depende de . O ar que não pode mais reter umidade é chamado de saturado. Deste ar, ao menor resfriamento, gotículas de água na forma de orvalho começam a se destacar. Isso ocorre porque a água, quando resfriada, muda de um estado (vapor) para um líquido. O ar acima de uma superfície seca e quente geralmente contém menos vapor de água do que poderia a uma determinada temperatura. Esse ar é chamado insaturado. Quando é resfriado, a água nem sempre é liberada. Quanto mais quente o ar, maior sua capacidade de absorver a umidade. Por exemplo, a uma temperatura de -20°C, o ar não contém mais de 1 g/m de água; a uma temperatura de + 10°C - cerca de 9 g/m3 e a +20°C - cerca de 17 g/m
Durante a evaporação, simultaneamente com a transição das moléculas de líquido para vapor, também ocorre o processo inverso. Movendo-se aleatoriamente acima da superfície do líquido, algumas das moléculas que o deixaram retornam ao líquido novamente.
Se a evaporação ocorrer em um recipiente fechado, inicialmente o número de moléculas que escapam do líquido será mais número moléculas retornam ao líquido. Portanto, a densidade do vapor no vaso aumentará gradualmente. À medida que a densidade do vapor aumenta, o número de moléculas que retornam ao líquido também aumenta. Muito em breve, o número de moléculas que escapam do líquido será igual ao número moléculas de vapor retornando ao líquido. A partir deste ponto, o número de moléculas de vapor acima do líquido será constante. Para a água à temperatura ambiente, este número é aproximadamente igual a $10^(22)$ moléculas por $1c$ por $1cm^2$ de área de superfície. Aí vem o chamado equilíbrio dinâmico entre vapor e líquido.
Vapor em equilíbrio dinâmico com seu líquido é chamado de vapor saturado.
Isso significa que um determinado volume a uma determinada temperatura não pode conter mais vapor.
No equilíbrio dinâmico, a massa do líquido em um recipiente fechado não muda, embora o líquido continue a evaporar. Da mesma forma, a massa de vapor saturado acima desse líquido não muda, embora o vapor continue a condensar.
Pressão de vapor saturado. Quando o vapor saturado é comprimido, cuja temperatura é mantida constante, o equilíbrio começará a ser perturbado: a densidade do vapor aumentará e, como resultado, mais moléculas passarão do gás para o líquido do que do líquido para o gás; isso continuará até que a concentração de vapor no novo volume se torne a mesma, correspondendo à concentração de vapor saturado em uma determinada temperatura (e o equilíbrio seja restaurado). Isso é explicado pelo fato de que o número de moléculas que saem do líquido por unidade de tempo depende apenas da temperatura.
Assim, a concentração de moléculas de vapor saturado a uma temperatura constante não depende do seu volume.
Como a pressão de um gás é proporcional à concentração de suas moléculas, a pressão de um vapor saturado não depende do volume que ocupa. A pressão $p_0$ na qual o líquido está em equilíbrio com seu vapor é chamada pressão de vapor saturado.
Quando o vapor saturado é comprimido, a maior parte se torna líquida. Um líquido ocupa um volume menor que um vapor de mesma massa. Como resultado, o volume de vapor a uma densidade constante diminui.
Dependência da pressão do vapor saturado da temperatura. Para um gás ideal, uma dependência linear da pressão com a temperatura é válida a volume constante. Aplicado ao vapor saturado com pressão $р_0$, essa dependência é expressa pela igualdade:
Como a pressão de vapor de saturação não depende do volume, depende apenas da temperatura.
A dependência $Р_0(Т)$ determinada experimentalmente difere da dependência $p_0=nkT$ para um gás ideal. À medida que a temperatura aumenta, a pressão do vapor saturado aumenta mais rapidamente do que a pressão de um gás ideal (seção da curva $AB$). Isso se torna especialmente óbvio se desenharmos uma isócora através do ponto $A$ (linha tracejada). Isso acontece porque quando o líquido é aquecido, parte dele se transforma em vapor e a densidade do vapor aumenta.
Portanto, de acordo com a fórmula $p_0=nkT$, a pressão de vapor saturado aumenta não apenas como resultado do aumento da temperatura do líquido, mas também devido ao aumento da concentração de moléculas (densidade) do vapor. A principal diferença no comportamento de um gás ideal e um vapor saturado é a mudança na massa de vapor com uma mudança de temperatura a volume constante (em um recipiente fechado) ou com uma mudança de volume a uma temperatura constante. Nada disso pode acontecer com um gás ideal (o MKT de um gás ideal não prevê uma transição de fase de um gás para um líquido).
Após a evaporação de todo o líquido, o comportamento do vapor corresponderá ao comportamento de um gás ideal (seção da curva $BC$).
Se em um espaço contendo o vapor de um líquido, pode ocorrer evaporação adicional desse líquido, então o vapor neste espaço é insaturado.
Um vapor que não está em equilíbrio com seu líquido é chamado insaturado.
O vapor insaturado pode ser convertido em líquido por simples compressão. Uma vez iniciada esta transformação, o vapor em equilíbrio com o líquido torna-se saturado.
A umidade é a quantidade de vapor de água no ar.
nos cercando ar atmosférico devido à contínua evaporação da água da superfície dos oceanos, mares, reservatórios, solo úmido e as plantas sempre contém vapor de água. Quanto mais vapor de água houver em um determinado volume de ar, mais próximo o vapor estará da saturação. Por outro lado, quanto maior a temperatura do ar, mais vapor de água é necessário para saturá-lo.
Dependendo da quantidade de vapor d'água presente na atmosfera a uma determinada temperatura, o ar possui graus variados de umidade.
Para quantificar a umidade do ar, utiliza-se, em especial, os conceitos absoluto e humidade relativa.
A umidade absoluta é o número de gramas de vapor de água contido em $1m^3$ de ar sob determinadas condições, ou seja, é a densidade de vapor de água $p$ expressa em g/$m^3$.
A umidade relativa do ar $φ$ é a razão entre a umidade absoluta do ar $p$ e a densidade $p_0$ do vapor saturado na mesma temperatura.
A umidade relativa é expressa em porcentagem:
$φ=((p)/(p_0)) 100%$
A concentração de vapor está relacionada à pressão ($p_0=nkT$), então a umidade relativa pode ser definida como uma porcentagem pressão parcial$p$ vapor no ar à pressão $p_0$ de vapor saturado na mesma temperatura:
$φ=((p)/(p_0)) 100%$
Debaixo pressão parcial compreender a pressão de vapor de água que produziria se todos os outros gases estivessem ausentes no ar atmosférico.
Se um ar úmido esfriar, então, a uma certa temperatura, o vapor pode ser levado à saturação. Com o resfriamento adicional, o vapor de água começará a condensar na forma de orvalho.
O ponto de orvalho é a temperatura à qual o ar deve ser resfriado para que o vapor de água nele atinja a saturação a uma pressão constante e uma determinada umidade do ar. Quando o ponto de orvalho é atingido no ar ou nos objetos com os quais entra em contato, o vapor de água começa a se condensar. O ponto de orvalho pode ser calculado a partir dos valores de temperatura e umidade do ar ou determinado diretamente higrômetro de condensação. No humidade relativa$φ = 100%$ o ponto de orvalho é igual à temperatura do ar. Por $ φ
A quantidade de calor é chamada de medida quantitativa da mudança na energia interna do corpo durante a transferência de calor.
A quantidade de calor é a energia que o corpo emite durante a troca de calor (sem realizar trabalho). A quantidade de calor, como energia, é medida em joules (J).
A capacidade calorífica é a quantidade de calor absorvida por um corpo quando aquecido em $ 1$ grau.
A capacidade calorífica de um corpo é indicada pela letra latina maiúscula C.
O que determina a capacidade calorífica de um corpo? Primeiro de tudo, de sua massa. É claro que o aquecimento, por exemplo, $ 1$ quilograma de água exigirá mais calor do que $ 200$ gramas.
E o tipo de substância? Vamos fazer um experimento. Tomemos dois recipientes idênticos e, tendo derramado água com uma massa de $ 400$ g em um deles, e no outro óleo vegetal pesando $ 400$ g, começaremos a aquecê-los com a ajuda de queimadores idênticos. Observando as leituras dos termômetros, veremos que o óleo aquece mais rápido. Para aquecer água e óleo à mesma temperatura, a água deve ser aquecida por mais tempo. Mas quanto mais aquecemos a água, mais calor ela recebe do queimador.
Assim, para aquecer a mesma massa substâncias diferentes para a mesma temperatura é necessária quantidade diferente cordialidade. A quantidade de calor necessária para aquecer um corpo e, consequentemente, sua capacidade calorífica dependem do tipo de substância da qual esse corpo é composto.
Assim, por exemplo, para aumentar a temperatura da água com uma massa de $ 1$ kg em $ 1°$ C, é necessária uma quantidade de calor igual a $ 4200$ J, e para aquecer a mesma massa em $ 1°$ C óleo de girassol a quantidade de calor igual a $ 1700 $ J é necessária.
A quantidade física que mostra quanto calor é necessário para aquecer $ 1$ kg de uma substância em $ 1°$ C é chamada calor específico esta substância.
Cada substância tem seu próprio calor específico, que é indicado pela letra latina $c$ e é medido em joules por quilograma-grau (J/(kg$·°$C)).
A capacidade calorífica específica da mesma substância em diferentes estados agregados (sólido, líquido e gasoso) é diferente. Por exemplo, o calor específico da água é $ 4200$ J/(kg$·°$C), e o calor específico do gelo é $2100$ J/(kg$·°$C); o alumínio no estado sólido tem um calor específico de $ 920$ J/(kg$·°$C), e no estado líquido é de $ 1080$ J/(kg$·°$C).
Observe que a água tem uma capacidade de calor específico muito alta. Portanto, a água dos mares e oceanos, aquecendo no verão, absorve uma grande quantidade de calor do ar. Devido a isso, naqueles lugares que estão localizados perto de grandes massas de água, o verão não é tão quente quanto em lugares distantes da água.
Do exposto, fica claro que a quantidade de calor necessária para aquecer o corpo depende do tipo de substância da qual o corpo consiste (ou seja, sua capacidade de calor específico) e da massa do corpo. Também é claro que a quantidade de calor depende de quantos graus vamos aumentar a temperatura do corpo.
Então, para determinar a quantidade de calor necessária para aquecer o corpo ou liberada por ele durante o resfriamento, você precisa multiplicar o calor específico do corpo por sua massa e a diferença entre suas temperaturas final e inicial:
onde $Q$ é a quantidade de calor, $c$ é o calor específico, $m$ é a massa do corpo, $t_1$ é a temperatura inicial, $t_2$ é a temperatura final.
Quando o corpo é aquecido, $t_2 > t_1$ e, consequentemente, $Q > 0$. Ao resfriar o corpo $t_2
Se a capacidade calorífica de todo o corpo $C é conhecida, Q$ é determinado pela fórmula
O calor de vaporização (calor de vaporização) é a quantidade de calor que deve ser transmitida a uma substância (a pressão constante e temperatura constante) para a conversão completa de uma substância líquida em vapor.
O calor de vaporização é igual à quantidade de calor liberada quando o vapor se condensa em um líquido.
A transformação de um líquido em vapor a uma temperatura constante não leva a um aumento na energia cinética das moléculas, mas é acompanhada por um aumento em sua energia potencial, pois a distância entre as moléculas aumenta significativamente.
Calor específico de vaporização e condensação. Foi estabelecido experimentalmente que $ 2,3 $ MJ de energia devem ser gastos para converter completamente $ 1 $ kg de água (no ponto de ebulição) em vapor. Para converter outros líquidos em vapor, é necessária uma quantidade diferente de calor. Por exemplo, para o álcool é $ 0,9 $ MJ.
A quantidade física que mostra quanto calor é necessário para transformar um líquido de $ 1$ kg em vapor sem alterar a temperatura é chamado de calor específico de vaporização.
O calor específico de vaporização é indicado pela letra $r$ e é medido em joules por quilograma (J/kg).
A quantidade de calor necessária para a vaporização (ou liberada durante a condensação). Para calcular a quantidade de calor $Q$ necessária para vaporizar um líquido de qualquer massa, tomada no ponto de ebulição, você precisa multiplicar o calor específico de vaporização $r$ pela massa $m$:
Quando o vapor condensa, a mesma quantidade de calor é liberada:
O calor de fusão é a quantidade de calor que deve ser transmitida a uma substância a pressão constante e a uma temperatura constante igual ao ponto de fusão para transferi-la completamente de um estado sólido cristalino para um estado líquido.
O calor de fusão é igual à quantidade de calor que é liberada durante a cristalização de uma substância do estado líquido.
Durante a fusão, todo o calor fornecido à substância aumenta a energia potencial de suas moléculas. A energia cinética não muda porque a fusão ocorre a uma temperatura constante.
Estudando experimentalmente a fusão de várias substâncias de mesma massa, pode-se notar que são necessárias diferentes quantidades de calor para transformá-las em líquido. Por exemplo, são necessários US$ 332$ J de energia para derreter um quilo de gelo e US$ 25$ kJ para derreter US$ 1 kg de chumbo.
A quantidade física que mostra quanto calor deve ser transmitido a um corpo cristalino com massa de $ 1$ kg para transformá-lo completamente em estado líquido à temperatura de fusão é chamado de calor específico de fusão.
O calor específico de fusão é medido em joules por quilograma (J/kg) e denotado pela letra grega $λ$ (lambda).
O calor específico de cristalização é igual ao calor específico de fusão, uma vez que a mesma quantidade de calor é liberada durante a cristalização e absorvida durante a fusão. Assim, por exemplo, quando a água com uma massa de $ 1$ kg congela, são liberados os mesmos $ 332$ J de energia que são necessários para transformar a mesma massa de gelo em água.
Para encontrar a quantidade de calor necessária para derreter corpo cristalino massa arbitrária, ou calor de fusão, é necessário multiplicar o calor específico de fusão deste corpo pela sua massa:
A quantidade de calor liberada pelo corpo é considerada negativa. Portanto, ao calcular a quantidade de calor liberada durante a cristalização de uma substância com massa de $m$, deve-se usar a mesma fórmula, mas com sinal de menos:
O poder calorífico (ou poder calorífico, poder calorífico) é a quantidade de calor liberada durante a combustão completa do combustível.
Para aquecer corpos, a energia liberada durante a combustão do combustível é frequentemente utilizada. Combustíveis convencionais (carvão, petróleo, gasolina) contêm carbono. Durante a combustão, os átomos de carbono se combinam com os átomos de oxigênio no ar, resultando na formação de moléculas dióxido de carbono. A energia cinética dessas moléculas acaba sendo maior que a das partículas iniciais. O aumento da energia cinética das moléculas durante a combustão é chamado de liberação de energia. A energia liberada durante a combustão completa do combustível é o calor de combustão deste combustível.
O calor de combustão do combustível depende do tipo de combustível e da sua massa. Quanto maior a massa de combustível, mais quantidade o calor liberado durante sua combustão completa.
A quantidade física que mostra quanto calor é liberado durante a combustão completa de um combustível com massa de $ 1$ kg é chamada de calor específico de combustão do combustível.
O calor específico de combustão é indicado pela letra $q$ e é medido em joules por quilograma (J/kg).
A quantidade de calor $Q$ liberada durante a combustão de $m$ kg de combustível é determinada pela fórmula:
Para encontrar a quantidade de calor liberada durante a combustão completa de um combustível de massa arbitrária, é necessário multiplicar o calor específico de combustão desse combustível por sua massa.
Em um sistema termodinâmico fechado (isolado de corpos externos), uma mudança na energia interna de qualquer corpo no sistema $∆U_i$ não pode levar a uma mudança na energia interna de todo o sistema. Consequentemente,
$∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙(i)↖(n)∆U_i=0$
Se nenhum corpo realiza trabalho dentro do sistema, então, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a mudança na energia interna de qualquer corpo ocorre apenas devido à troca de calor com outros corpos deste sistema: $∆U_i= Q_i$. Considerando ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙(i)↖(n)∆U_i=0$), temos:
$Q_1+Q_2+Q_3+...+Q_n=∑↙(i)↖(n)Q_i=0$
Essa equação é chamada de equação do balanço de calor. Aqui $Q_i$ é a quantidade de calor recebida ou cedida pelo $i$-th corpo. Qualquer uma das quantidades de calor $Q_i$ pode significar o calor liberado ou absorvido durante a fusão de um corpo, combustão de combustível, evaporação ou condensação de vapor, se tais processos ocorrerem com diferentes corpos do sistema, e será determinado pela proporções correspondentes.
A equação do balanço de calor é uma expressão matemática da lei da conservação da energia durante a transferência de calor.
Nesta lição, cujo tópico é: “Umidade. Medindo a Umidade”, discutiremos as propriedades do vapor d'água saturado e insaturado, que está sempre presente na atmosfera.
Na lição anterior, nos familiarizamos com o conceito de "vapor saturado". Como no estudo de quaisquer tópicos e disciplinas, pode surgir a pergunta: “Onde usamos esse conceito, como vamos aplicá-lo?”. A aplicação mais importante das propriedades do vapor saturado será discutida nesta lição.
Você provavelmente conhece bem o nome do tópico, porque ouve o conceito de “umidade do ar” todos os dias quando assiste ou ouve a previsão do tempo. No entanto, se lhe for perguntado: “O que se entende por umidade do ar?”, é improvável que você dê imediatamente uma definição física exata.
Vamos tentar formular o que em física se entende por umidade do ar. Antes de mais nada, o que é essa água no ar? Afinal, tal, por exemplo, é neblina, chuva, nuvens e outros fenômenos atmosféricos passando com a participação da água em um ou outro estado de agregação. Se todos esses fenômenos forem levados em consideração ao descrever a umidade, como realizar as medições? Já a partir de considerações tão simples fica claro que definições intuitivas são indispensáveis aqui. Na verdade, nós estamos falando Em primeiro lugar, sobre o vapor de água que está contido em nossa atmosfera.
O ar atmosférico é uma mistura de gases, um dos quais é o vapor de água (Fig. 1). Contribui para a pressão atmosférica, esta contribuição é chamada pressão parcial(assim como a elasticidade) do vapor de água.
Arroz. 1. Componentes do ar atmosférico
lei de Dalton
As principais regularidades que você e eu obtivemos no âmbito do estudo da teoria cinética molecular referem-se aos chamados gases puros, ou seja, gases constituídos por átomos ou moléculas do mesmo tipo. No entanto, muitas vezes é preciso lidar com uma mistura de gases. O exemplo mais simples e comum dessa mistura é o ar atmosférico que nos cerca. Como sabemos, é 78% de nitrogênio, mais de 21% de oxigênio, e a porcentagem restante é ocupada por vapor de água e outros gases.
Arroz. 2. Composição do ar atmosférico
Cada um dos gases que fazem parte do ar ou de qualquer outra mistura de gases, é claro, contribui para a pressão total dessa mistura de gases. A contribuição de cada um desses componentes é chamada de pressão parcial do gás, t. ou seja, a pressão que um determinado gás exerceria na ausência de outros componentes da mistura.
O químico inglês John Dalton estabeleceu experimentalmente que para misturas de gases rarefeitos, a pressão total é uma simples soma das pressões parciais de todos os componentes da mistura:
Essa relação é chamada de lei de Dalton.
A prova da lei de Dalton dentro da estrutura da teoria cinética molecular, embora não seja particularmente complicada, é bastante trabalhosa, por isso não a apresentaremos aqui. Qualitativamente, é bastante simples explicar essa lei se levarmos em conta o fato de negligenciarmos a interação entre as moléculas, ou seja, as moléculas são bolas elásticas que só podem colidir umas com as outras e com as paredes do vaso. Na prática, o modelo de gás ideal funciona bem apenas para sistemas suficientemente rarefeitos. No caso de gases densos, serão observados desvios do cumprimento da lei de Dalton.
Pressão parcialp o vapor de água é um dos indicadores de umidade do ar, que é medido em pascal ou milímetros de mercúrio.
Pressão de vapor de água depende da concentração de suas moléculas no ar, bem como da temperatura absoluta deste último. A densidade é muitas vezes tomada como uma característica da umidade. ρ vapor de água no ar é chamado umidade absoluta .
Umidade absoluta mostra quantos gramas de vapor de água estão contidos no ar. Assim, a unidade de umidade absoluta é .
Ambos os indicadores de umidade mencionados estão relacionados pela equação de Mendeleev-Clapeyron:
- massa molar vapor de água;
é a sua temperatura absoluta.
Ou seja, conhecendo um dos indicadores, por exemplo, densidade, podemos determinar facilmente o outro, ou seja, pressão.
Todos sabemos que o vapor de água pode ser insaturado e saturado. Um vapor em equilíbrio termodinâmico com um líquido de mesma composição é dito saturado. Um vapor insaturado é um vapor que não atingiu o equilíbrio dinâmico com seu líquido. Neste caso, não há equilíbrio entre os processos de condensação e evaporação.
Em geral, o vapor de água na atmosfera, apesar da presença um grande número corpos de água: oceanos, mares, rios, lagos e assim por diante - é insaturado, porque nossa atmosfera não é vaso fechado. No entanto, movendo-se massas de ar: ventos, furacões e assim por diante - levam ao fato de que em diferentes pontos da Terra em cada momento há uma relação diferente entre as taxas de condensação e evaporação da água, como resultado do qual em alguns lugares o vapor pode atingir a saturação. A que isso leva? Além disso, nessa área, o vapor começa a se condensar, pois lembramos que o vapor saturado está sempre em contato com seu líquido. Como resultado, neblina ou nuvens podem se formar, orvalho pode cair. A temperatura na qual o vapor se torna saturado é chamada de ponto de condensação da água . Denote a pressão do vapor de água (saturado) no ponto de orvalho.
Considere por que o orvalho tende a cair no início da manhã? O que acontece com a temperatura neste momento do dia e, consequentemente, com a pressão limite, com a pressão de vapor saturado? Obviamente, conhecer a umidade absoluta ou a pressão parcial do vapor d'água não nos dá ideia de quão próximo ou distante um determinado vapor está da saturação. Mas é precisamente desse afastamento ou proximidade da saturação que depende a taxa dos processos de evaporação e condensação, ou seja, aqueles processos que determinam a atividade vital dos organismos vivos.
Se a evaporação prevalecer sobre a condensação, então os organismos e o solo perdem umidade (Fig. 3). Se prevalecer a condensação, os processos de secagem tornam-se impossíveis (Fig. 4) Deparamo-nos com a necessidade de melhorar o conceito de humidade; o conceito de umidade absoluta, como acabamos de ver, não descreve totalmente todos os fenômenos de que precisamos.
Arroz. 3. A evaporação prevalece sobre a condensação
Arroz. 4. A condensação prevalece sobre a evaporação
Vamos discutir o assunto novamente. Vamos fazer isso com um exemplo simples. Imagine que há 20 pessoas em um determinado veículo. É muito ou pouco, ou seja, esse valor absoluto de 20 pessoas? Naturalmente, não poderemos dizer se isso é muito ou pouco, até sabermos a capacidade máxima de um determinado carro ou veículo. 20 pessoas em um carro de passeio é, claro, muito, é praticamente impossível, e 20 pessoas em um ônibus grande não é tanto. Da mesma forma, no caso da umidade absoluta, ou seja, com a pressão parcial do vapor d'água, precisamos compará-la com alguma coisa. Com o que comparar essa pressão parcial? A última lição nos diz a resposta. Qual é a importância da pressão de vapor de água? Esta é a pressão do vapor de água saturado. Se compararmos a pressão parcial do vapor d'água em uma determinada temperatura com a pressão do vapor d'água saturado na mesma temperatura, podemos caracterizar com mais precisão a própria umidade do ar. Para caracterizar o afastamento do estado de saturação do vapor, foi introduzida uma quantidade especial, chamada humidade relativa .
humidade relativa ar é chamado a razão entre a pressão do vapor de água contido no ar, expressa em porcentagem, para a pressão do vapor saturado na mesma temperatura:
Agora é claro que quanto menor a umidade relativa, mais um ou outro vapor da saturação. Assim, por exemplo, se o valor da umidade relativa for 0, então não há vapor de água no ar. Ou seja, a condensação é impossível para nós e, a um valor de umidade relativa de 100%, todo o vapor de água que está no ar está saturado, porque sua pressão é igual à pressão do vapor de água saturado em uma determinada temperatura. Desta forma, agora determinamos com precisão qual é a própria umidade, cujo valor nos é relatado todas as vezes nas previsões meteorológicas.
Usando a equação de Mendeleev-Clapeyron, podemos obter uma fórmula alternativa para a umidade relativa, que agora inclui o valor da densidade do vapor d'água contido no ar e a densidade do vapor saturado na mesma temperatura.
Pressão e densidade de vapor;
Pressão e densidade do vapor saturado a uma dada temperatura;
Constante de gás universal.
Fórmula de Umidade Relativa:
Densidade do vapor de água contido no ar;
Densidade do vapor saturado na mesma temperatura.
A influência da intensidade de evaporação e condensação da água nos organismos vivos
As pessoas são muito sensíveis ao valor da umidade relativa, a taxa de evaporação da umidade da superfície da pele depende disso. Em alta umidade, especialmente em um dia quente, essa evaporação diminui, como resultado da troca normal de calor do corpo com meio Ambiente. No ar seco, pelo contrário, há uma rápida evaporação da umidade da superfície da pele, da qual, por exemplo, as membranas mucosas do trato respiratório secam. O mais favorável para os seres humanos é a umidade relativa na faixa de 40-60%.
O papel do vapor de água na formação das condições meteorológicas também é importante. A condensação do vapor de água leva à formação de nuvens e subsequente precipitação, o que, obviamente, é importante para todos os aspectos de nossas vidas e para economia nacional. Em muitos processos de produção, os regimes de umidade artificial são mantidos. Um exemplo de tais processos são tecelagem, confeitaria, farmácias e muitos outros. Em bibliotecas e museus, para preservar livros e exposições, também é importante manter um certo valor de umidade relativa, portanto, em tais instituições em todas as salas, um psicrômetro, um dispositivo para medir a umidade relativa, deve ser pendurado no muro.
Para calcular a umidade relativa, como acabamos de ver, precisamos saber o valor da pressão ou densidade do vapor saturado a uma determinada temperatura.
Na última lição, estudando vapor saturado, falamos sobre essa dependência, mas sua forma analítica é muito complicada, nosso conhecimento matemático ainda não é suficiente. Como estar neste caso? A saída é muito simples: em vez de escrever essas fórmulas de forma analítica, usaremos tabelas de pressão e densidade do vapor saturado a uma determinada temperatura (Tabela 1). Essas tabelas são encontradas tanto em livros didáticos quanto em qualquer livro de referência de grandezas técnicas.
Aba. 1. Dependência da pressão e densidade do vapor de água saturado da temperatura
Agora considere a mudança na umidade relativa com a temperatura. Quanto maior a temperatura, menor a umidade relativa. Por que e como, vejamos um exemplo de um problema.
Uma tarefa
Em um certo recipiente, o vapor fica saturado em . Qual será sua umidade relativa em , , ?
Como estamos falando de vapor em um vaso, o volume de vapor permanece inalterado quando a temperatura muda. Além disso, precisamos de uma tabela de dependência da pressão e densidade do vapor saturado em relação à temperatura (Tabela 2).
Aba. 2. Dependências da pressão e densidade do vapor saturado na temperatura
Solução:
Fica claro pelo texto da pergunta que em , , pois é nesse valor que o vapor fica saturado, ou seja, da definição de umidade relativa temos:
O numerador é a densidade do vapor de água presente no recipiente e o denominador é a densidade do vapor saturado ausente no recipiente à mesma temperatura. O que acontece com o teor de umidade à medida que a temperatura aumenta? O numerador, levando em consideração o fechamento do vaso, não será alterado. De fato, como não há condensação nem troca de matéria com o mundo exterior, a massa de vapor, e com ela sua densidade, conservará seus valores. E o denominador, como sabemos da última lição, aumenta com a temperatura, então a umidade relativa diminui. A densidade do vapor no recipiente pode ser calculada a partir da fórmula acima:
A mesma densidade de vapor terá em todas as outras temperaturas. Portanto, para calcular a umidade, basta saber o valor da densidade do vapor saturado em todas as temperaturas dadas e obter respostas imediatamente. Tomamos o valor da densidade do vapor saturado da tabela. Substituindo os valores por sua vez na fórmula da umidade, obtemos as seguintes respostas:
Responda:
Um exemplo de solução de um problema típico para determinar a umidade relativa
Ao resolver tais problemas, é importante saber que a pressão de vapor de saturação depende da temperatura, mas não depende do volume.
A tarefa:
O recipiente contém ar, cuja umidade relativa a uma temperatura é . Qual será a umidade relativa após reduzir o volume do recipiente em n vezes (n = 3) e aquecer o gás a uma temperatura ? A densidade do vapor de água saturado à temperatura é igual a 
.
Progresso da solução:
A partir da definição de umidade relativa, podemos escrever que na temperatura, a umidade absoluta, antes da compressão, é:
E após a compressão:
Ou seja, com uma diminuição no volume por um fator de massa constante, a densidade aumenta por um fator de 1.
Após a compressão, a massa de umidade por unidade de volume do recipiente, não apenas na forma de vapor, mas também na forma de um líquido condensado, se surgirem condições de condensação, será igual a:
A uma temperatura, a pressão do vapor de água saturado é igual à pressão atmosférica normal, falamos sobre isso na última lição e é:
E sua densidade, se você usar a equação de Mendeleev-Clapeyron, pode ser calculada pela fórmula:
Onde 
, pois haverá vapor insaturado no vaso com umidade relativa:
Expressando essa umidade em porcentagem, obtemos um valor de 2,9%.
Responda: .
E agora vamos falar não só sobre o que é umidade, mas também sobre como essa mesma umidade pode ser medida. O instrumento mais comum para tais medições é o chamado psicrômetro higrométrico, que é mostrado na Fig. 5.
Arroz. 5. Psicrômetro higrométrico
Dois termômetros com escalas idênticas são fixados no rack. O tanque de mercúrio de um deles é envolto em um pano úmido (Fig. 8).
Arroz. 6. Termômetros do psicrômetro higrométrico
A água deste pano evapora, devido ao que o próprio termômetro esfria, respectivamente, os termômetros são chamados de secos e molhados (Fig. 7).
Arroz. 7. Psicrômetro higrométrico de bulbo seco e úmido
Quanto maior a umidade relativa do ar ambiente, menos intensa, mais fraca a evaporação da água de um pano úmido, menor a diferença nas leituras dos termômetros secos e úmidos. Ou seja, em ϕ = 100%, a água não evaporará, pois todo vapor de água está saturado e as leituras de ambos os termômetros coincidirão. Quando a diferença nas leituras do termômetro será máxima. Assim, de acordo com a diferença nas leituras dos termômetros usando tabelas psicométricas especiais (na maioria das vezes, essa tabela é imediatamente colocada no corpo do próprio dispositivo) e determine o valor da umidade relativa.
Como sabemos, a maior parte da superfície do nosso planeta é coberta pelos oceanos, pelo que a água e todos os processos que ocorrem com ela, em particular a evaporação e a condensação, desempenham um papel crucial em todos os processos da nossa vida. Nós mesmos demos uma definição estrita dos conceitos de "umidade absoluta" e "umidade relativa". Na verdade, isso quantidade física, a umidade relativa mostra o quanto o vapor atmosférico difere do saturado.
Bibliografia
Trabalho de casa
Por quantificação As medições de umidade usam umidade absoluta e relativa.
A umidade absoluta é medida pela densidade do vapor de água no ar, ou sua pressão.
A umidade relativa B dá uma ideia mais clara do grau de umidade do ar. A umidade relativa é medida por um número que mostra quantos por cento a umidade absoluta é da densidade do vapor de água necessária para saturar o ar em sua temperatura atual:
A umidade relativa também pode ser determinada pela pressão de vapor, pois a pressão de vapor é praticamente proporcional à sua densidade. de vapor de água saturando o ar em sua temperatura atual:
Assim, a umidade relativa é determinada não apenas pela umidade absoluta, mas também pela temperatura do ar. Ao calcular a umidade relativa, os valores ou devem ser retirados das tabelas (ver Tabela 9.1).
Vamos descobrir como uma mudança na temperatura do ar pode afetar sua umidade. Seja a umidade absoluta do ar em Como a densidade do vapor de água saturado a 22 ° C é (Tabela 9.1), então a umidade relativa B é de cerca de 50%.
Suponhamos agora que a temperatura desse ar caia para 10°C, enquanto a densidade permanece a mesma. Então a umidade relativa do ar será de 100%, ou seja, o ar ficará saturado de vapor de água. Se a temperatura cair para 6 ° C (por exemplo, à noite), então de cada metro cúbico ar condensará kg de vapor de água (o orvalho cairá).
Tabela 9.1. Pressão e densidade do vapor de água saturado em diferentes temperaturas
A temperatura na qual o ar fica saturado com vapor de água durante o resfriamento é chamada de ponto de orvalho. No exemplo acima, o ponto de orvalho é Observe que com um ponto de orvalho conhecido, a umidade absoluta do ar pode ser encontrada na Tabela. 9.1, uma vez que é igual à densidade do vapor de saturação no ponto de orvalho.
