Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Lớp 10 - Tập 2 - Phần 6: Chất rắn. Chất lỏng và sự chuyển thể - Chuyên đề 3: Hơi bão hòa. Độ ẩm của không khí - Chu Văn Biên

Nội dung text: Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Lớp 10 - Tập 2 - Phần 6: Chất rắn. Chất lỏng và sự chuyển thể - Chuyên đề 3: Hơi bão hòa. Độ ẩm của không khí - Chu Văn Biên

1. Chuyên đề 3. HƠI BÃO HÒA – ĐỘ ẨM CỦA KHÔNG KHÍ I. TÓM TẮT KIẾN THỨC 1. Hơi khô và hơi bão hòa – Hơi bão hòa: Hơi bão hòa là hơi ở Nén đẳng nhiệt trạng thái cân bằng Làm lạnh đẳng tích động (tốc độ bay hơi bằng tốc độ HƠI KHÔ HƠI BÃO HÒA ngưng tụ) với chất lỏng của nó. – Hơi khô: Hơi khô Dãn đẳng nhiệt là hơi mà áp suất Nung nóng của nó nhỏ hơn áp suất của hơi bão hòa. – Quá trình biến đổi giữa hơi bão hòa và hơi khô 2. Độ ẩm không khí – Độ ẩm tuyệt đối a là khối lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí. – Độ ẩm cực đại A là khối lượng hơi nước bão hòa chứa trong 1m 3 không khí. Độ ẩm cực đại A bằng khối lượng riêng của hơi nước bão hòa tính bằng g/m3. – Độ ẩm tương đối f là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối a và độ ẩm cực đại A ở cùng a nhiệt độ: f % = .100% A 3. Điểm sương: Điểm sương là nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong không khí bão hòa và bắt đầu ngưng tụ thành giọt nước (sương). II. GIẢI TOÁN A. Phương pháp giải Khi giải các bài toán về hơi bão hòa, độ ẩm của không khí cần chú ý: – Áp dụng công thức tính độ ẩm tương đối (a và A cùng đơn vị, A được cho ở bảng Áp suất hơi nước bão hòa và khối lượng riêng của nó: A = ρ (g/m3)). a A – Coi hơi bão hòa gần đúng như khí lí tưởng: p = RT ; pbh = RT . μ μ (p là áp suất hơi nước trong không khí, pbh là áp suất hơi nước bão hòa). – Kết hợp các công thức nhiệt học khác như: phương trình trạng thái, các đẳng quá trình, B. VÍ DỤ MẪU 428
2. Ví dụ 1. Bình kín, thể tích 10 lít, ban đầu không có nước và hơi nước. Cho vào bình 10g nước rồi đưa nhiệt độ tới 1000C. Hơi nước bão hòa ở 100 0C có khối lượng riêng D = 0,6kg/m 3. Tính áp suất hơi nước trong bình sau khi đun. Hướng dẫn Gọi m là khối lượng của nước đưa vào bình. – Khối lượng hơi nước bão hòa chứa trong thể tích 10 lít của bình ở 1000C là: 3 3 mh = ρ V = 0,6.10.10 = 6.10 kg = 6g Vì mh m nên nước hóa hơi hoàn toàn. Suy ra khối lượng của hơi nước trong bình là m1 = 3g. – Áp suất riêng phần của hơi nước trong bình: m 3 p = 1 RT = .8,31.373 = 0,52.105Pa 1 1 3 μV1 18.10.10 Gọi p2 là áp suất riêng phần của không khí có sẵn trong bình ở nhiệt độ T = p p 373K. Theo định luật Sac–lơ (đẳng tích): 0 = 2 . T0 T T 5 373 5 p 2 = p0 = 10 . = 1,37.10 Pa 273 T0 – Áp suất toàn phần của không khí ẩm trong bình: 5 5 5 p = p1 + p2 = 0,52.10 + 1,37.10 = 1,9.10 Pa 429
3. Ví dụ 3. Ban ngày nhiệt độ là 28 0C và độ ẩm tương đối đo được 80%. Hỏi về đêm, ở nhiệt độ nào sẽ có sương mù? Coi độ ẩm cực đại là không đổi. Hướng dẫn – Trong không khí có sương mù khi hơi nước trong không khí trở nên bão hòa, tức là khối lượng riêng ρ của hơi nước trong không khí bằng độ ẩm tuyệt đối A của không khí. a Ta có: f = = 0,8 a = 0,8A. A – Theo bảng Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ khác nhau thì 28 0C nằm 0 3 0 trong khoảng nhiệt độ từ 25 C (ứng với ρ1 = A1 = 23,0 g/m ) đến 30 C (ứng với 3 ρ2 = A2 = 30,3 g/m ). Bằng cách nội suy ta có: 28 25 A 23 = 30 25 30,3 23 A = 27,38 g/m3 Suy ra: a = 0,8.27,38 = 21,9 g/m3 – Cũng theo bảng Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ khác nhau thì giá trị 3 0 3 21,9 g/m nằm trong khoảng nhiệt độ từ 20 C (ứng với ρ3 = A 3 = 17,3 g/m ) 0 3 đến 25 C (ứng với 4 = A4 = 23,0 g/m ). Bằng cách nội suy ta có: x 20 21,9 17,3 = x = 240C. 25 20 23 17,3 Vậy: Về đêm, ở 24oC sẽ có sương mù. 0 Ví dụ 4. Lò sưởi không khí ở 18 C, độ ẩm tương đối f1 = 60% vào phòng có thể 3 0 tích V = 500m . Không khí ngoài trời ở 10 C, độ ẩm tương đối f 2 = 80%. Hỏi lò sưởi đã đưa thêm vào không khí một lượng nước hóa hơi là bao nhiêu? 0 3 0 3 Biết rằng ở 18 C: 01 = 15g/m , ở 10 C: 02 = 9,4g/m . Hướng dẫn – Khối lượng riêng của hơi nước (bằng độ ẩm tuyệt đối) trong không khí khô ở nhiệt độ t = 180C có độ ẩm tương đối f là: = a = f 1 1 1 1 1 01 – Khối lượng riêng của hơi nước (bằng độ ẩm tuyệt đối) trong không khí khô ở nhiệt độ t = 100C có độ ẩm tương đối f là: = a = f 2 2 2 2 2 02 3 Gọi m1 và m2 lần lượt là khối lượng hơi nước chứa trong thể tích V = 500m không khí ở điều kiện (t1, f1) và (t2, f2). Ta có: m = V = f V; m = V = f V 1 1 1 01 2 2 2 02 – Khối lượng nước hóa hơi do lò sưởi đã đưa vào không khí là: 430
4. m = m1 – m2 = f1 01 V – f2 02 V = (f1 01 – f2 02 )V m = (0,6.15.10 3 – 0,8.9,4.10 3 ).500 = 0,74kg. Ví dụ 5. Một vùng không khí có thể tích V = 1,4.1010m3 chứa hơi nước bão hòa ở 200C. Hỏi có bao nhiêu mưa rơi xuống qua quá trình tạo thành mây nếu nhiệt độ hạ xuống còn 110C? Hướng dẫn Theo bảng Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ khác nhau thì: 0 3 3 + Hơi nước bão hòa ở 20 C có khối lượng riêng là 1 = 17,3.10 kg/m . 0 + Hơi nước bão hòa ở 11 C có khối lượng riêng là 2 . Ta tính 2 theo phương pháp nội suy. Vì 110C nằm trong khoảng từ 100C đến 150C nên ta có: 11 10 9,4 = 2 15 10 12,8 9,4 3 3 3 2 = 10,08 g/m = 10,08.10 kg/m – Khối lượng hơi nước bão hòa chứa trong không khí có thể tích V = 1,4.10 10 m3 0 ở 20 C là: m1 = 1 V – Khối lượng hơi nước bão hòa chứa trong không khí có thể tích V = 1,4.1010m3 ở 0 11 C là: m2 = 2 V – Khối lượng nước mưa đã rơi xuống là: m = m1 – m2 = ( 1 – 2 )V m = (17,3.10 3 – 10,08. 10 3 ).1,4.1010 = 101.106 kg Vậy: Lượng mưa rơi xuống qua quá trình tạo thành mây là 101.106kg. 431