Водяной пар: белый или прозрачный, формула, закон дальтона

Какой цвет: белый или прозрачный

Многие люди задаются вопросом: водяной пар белый или прозрачный? Можно его увидеть?

В повседневной жизни при кипении воды в чайнике мы часто видим белый дымок, который вырывается из носика. Некоторые люди считают его паром. На самом деле – это туман (результат конденсации водяного пара).

Настоящий пар невидим глазу, он прозрачный, безвкусный. Не имеет постоянной формы, запаха.

Основное содержание наблюдается в нижних слоях атмосферы (тропосфера). Пар может переходить в жидкое состояние. Данное явление мы часто наблюдаем в повседневной жизни, когда оконные стекла в комнате запотевают. Это значит, что водяной пар в тёплом воздухе комнаты коснулся холодного стекла, сгустился и превратился в мельчайшие капельки воды. Явление называют конденсацией.

Водяной пар принимает непосредственное участие в круговороте воды в природе. С его помощью образуются: облака, тучи, туман. Наибольшее скопление наблюдается в тропосфере.

В настоящий момент пар часто используют для бытовых нужд и производства. Среди наиболее известных устройств с его применением можно отнести:

1. утюги;
2. паровозы;
3. пароходы;
4. паровые котлы;
5. с его помощью вращают турбины генераторов на электростанции, тушат пожары.

Различия в плотности и объеме молекул воды и водяного пара

Одно из основных различий между молекулами воды и водяным паром заключается в плотности. Молекулы воды имеют более высокую плотность по сравнению с водяным паром. Плотность вещества определяется его массой и объемом. Поэтому, приравнивая массы молекул воды и водяного пара, объем пара будет значительно больше, что приводит к увеличению его объема по сравнению с водой.

Другое отличие между молекулами воды и водяным паром заключается в их поведении при различных температурах. При обычных условиях молекулы воды находятся в жидком состоянии и имеют более высокую плотность. Однако при нагревании до определенной температуры молекулы воды приобретают достаточно большую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения друг к другу и перейти в газообразное состояние — водяной пар. В газообразном состоянии молекулы воды разделяются и распространяются свободно в пространстве, что делает их объем значительно больше по сравнению с водой.

Таким образом, различия в плотности и объеме между молекулами воды и водяного пара объясняются их физическим состоянием и взаимодействием между молекулами. Молекулы воды обладают большей плотностью и занимают меньший объем, в то время как водяной пар имеет меньшую плотность и занимает больший объем. Эти различия важны при изучении свойств и поведения воды и водяного пара в различных процессах и приложениях.

Влияние условий среды на свойства молекул

Молекулы водяного пара и молекулы воды имеют существенные различия, определяемые условиями среды, в которых они находятся. Рассмотрим, чем отличается водяной пар от воды в зависимости от этих условий.

• Температура: Одним из важных факторов, влияющих на свойства молекул, является температура. В воде молекулы находятся в жидком состоянии при комнатной температуре, в то время как водяной пар состоит из молекул, которые находятся в газообразном состоянии из-за высокой температуры.
• Давление: Давление также оказывает влияние на свойства молекул. Молекулы водяного пара находятся под высоким давлением, что способствует их газообразному состоянию. Вода же при нормальных условиях имеет низкое давление, что позволяет молекулам плотно связываться друг с другом и образовывать жидкость.
• Расположение молекул: Волоконная структура и форма молекул воды могут различаться в зависимости от состояния — жидкости или газа. В воде молекулы образуют связи друг с другом, образуя трехмерную сеть, в то время как молекулы водяного пара находятся в хаотическом состоянии и могут свободно перемещаться в пространстве.

Таким образом, молекулы водяного пара и воды отличаются друг от друга своими физическими свойствами и структурой, которая определена условиями среды (температурой и давлением). Познание этих особенностей позволяет лучше понять и объяснить различные явления и свойства воды в ее разных состояниях.

Физическое состояние воды

Вода может существовать в двух основных формах — в виде жидкости и пара. Формула жидкой воды H₂O известна всем, кто знаком с основами химии. Эта формула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, связанных между собой.

Почему жидкая вода так важна и так распространена на Земле? Во-первых, это связано с ее уникальными физическими свойствами. Жидкая вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью, что делает ее идеальным средством для транспортировки тепла в организмах живых существ и регулирования их температуры тела.

Во-вторых, вода в жидком состоянии обеспечивает среду, в которой могут происходить химические реакции и различные физические процессы. Она способствует растворению различных веществ и обеспечивает необходимую среду для жизни многих организмов.

Однако, вода также может находиться в состоянии пара, то есть в виде водяного пара. Водяной пар образуется при нагревании жидкой воды до определенной температуры — точки кипения. Когда вода превращается в пар, ее молекулы начинают быстро двигаться и разделяются друг от друга.

Пар воды также играет важную роль в природе. Водяной пар присутствует в атмосфере в виде облачности и облачных осадков — дождя, снега и града. Он участвует в гидрологическом цикле и является главным источником влаги для растений и животных.

Жидкая вода

Жидкая вода — это одно из самых распространенных и важных веществ на нашей планете. Ее формула H2O состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Благодаря этой формуле, вода обладает особыми свойствами и является жизненно важным ресурсом для всех живых организмов на Земле.

Вода существует в трех состояниях — жидком, газообразном и твердом. Когда вода находится в жидком состоянии, ее молекулы движутся средней скоростью и находятся достаточно близко друг к другу. Это позволяет воде сохранять свой объем и форму, что делает ее идеальной для многих жизненно важных процессов.

Почему жидкая вода так важна? Ответ прост — она играет ключевую роль во многих химических и биохимических реакциях. Вода служит средой для множества жизненно важных процессов в организмах, таких как пищеварение, дыхание, транспорт питательных веществ и удаление отходов. Она также способствует терморегуляции и поддержанию стабильности внутренней среды организмов.

Кроме того, жидкая вода обладает высокой универсальностью, так как может растворять множество различных веществ. Это позволяет ей служить растворителем для множества химических соединений и микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности организмов.

Вода в жидком состоянии имеет также специфические физические свойства, которые делают ее ценным ресурсом для человека. Например, она обладает поверхностным натяжением, благодаря которому вода может образовывать капли и позволяет насекомым ходить по поверхности. Ее теплоемкость и теплопроводность позволяют регулировать температуру окружающей среды и сохранять комфортную температуру внутри организмов.

Водяной пар

Водяной пар — это газообразное состояние воды, которое образуется при нагревании или испарении жидкой воды. Вода может перейти в состояние пара при температуре, достаточной для преодоления сил притяжения между молекулами воды.

Формула водяного пара (H2O) олицетворяет его структуру, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Это отличает водяной пар от жидкой воды, которая имеет другую структуру и формулу.

Одной из особенностей водяного пара является его возможность заполнить пространство, в отличие от жидкой воды, которая имеет определенный объем и форму. Водяной пар обладает высокой подвижностью и может заполнять любую доступную ему область.

Водяной пар имеет ряд важных свойств, которые используются в различных отраслях. Благодаря своей высокой теплопроводности, водяной пар используется в технологических процессах для передачи тепла. Он также используется в парогенераторах для получения электроэнергии.

Кроме того, водяной пар широко применяется в парообразователях и паротурбинах для создания мощности и приведения в действие механизмов. Это делает водяной пар одним из самых значимых газов как в промышленности, так и в природе.

Климатические эффекты

Максимальное содержание водяного пара в воздухе как функция температуры

Водяной пар играет решающую роль в земной погоде . При 30 ° C и давлении 1 бар один килограмм воздуха может поглотить около 26 граммов водяного пара в виде влаги . Это количество падает примерно до 7,5 г / кг при 10 ° C. Избыточное количество будет выводится из воздуха в виде осадков в виде дождя, снега, града, тумана, росы , инея или седой мороз , в зависимости от погоды .

Облака частично отправляют приходящую солнечную радиацию обратно в космос и, таким образом, уменьшают количество энергии, поступающей на землю. То же самое они делают с тепловым излучением, идущим снизу, и, таким образом, увеличивают атмосферное встречное излучение . Согревают ли облака поверхность земли или охлаждают ее, зависит от высоты, на которой они находятся: облака на низком уровне охлаждают землю, облака на высоте имеют согревающий эффект.

Считается, что следы водяного пара в стратосфере имеют особое значение для климата. Исследователи климата наблюдали за последние 40 лет увеличение содержания водяного пара в стратосфере на 75% (см. Полярные стратосферные облака ), что частично объясняет повышение средней глобальной температуры. Происхождение водяного пара на этих высотах до сих пор неясно, но считается, что существует связь с выбросом метана в результате промышленного сельского хозяйства, который резко вырос в последние десятилетия . На этих больших высотах метан окисляется до двуокиси углерода и водяного пара , что, однако, объясняет только половину этого увеличения.

Водяной пар, присутствующий в земной атмосфере, является основным источником атмосферного встречного излучения и носителем «естественного» парникового эффекта с долей от 36% до 70% . Широкий диапазон (от 36% до 70%) связан не с тем, что эффект не может быть точно измерен, а с тем, что влажность воздуха подвержена сильным естественным колебаниям с точки зрения времени и местоположения

Парниковый эффект оказывает важное влияние на радиационный баланс Земли и увеличивает среднюю глобальную температуру до уровня 15 ° C. Это в первую очередь сделало возможной жизнь на Земле

Средняя температура без парникового эффекта обычно принимается как температура около -18 ° C.

Обратная связь по водяному пару

Повышение средней температуры Земли приводит к увеличению среднего содержания водяного пара в атмосфере. Согласно уравнению Клаузиуса-Клапейрона , атмосфера может содержать на 7% больше водяного пара с каждым градусом повышения температуры.

В контексте глобального потепления так называемая «обратная связь по водяному пару» является самой сильной положительной обратной связью, известной на сегодняшний день, наряду с обратной связью лед-альбедо : с предполагаемой чувствительностью климата 2,8 ° C и удвоением концентрации углекислого газа в атмосфере концентрации, это 1,2 ° C из-за прямого нагревающего эффекта CO ₂ , один градус связан с обратной связью водяного пара, а остальной — с другими обратными связями. За последние 35 лет влажность в верхней части погодного слоя увеличилась в среднем примерно на десять процентов.

Ученые считают, что обратная связь водяного пара может иметь место и на других планетах; например, вскоре после своего образования четыре с половиной миллиарда лет назад Венера могла долгое время владеть океаном, и в ходе ее эволюционной истории также должна была возникнуть обратная связь по водяному пару.

Влияние на живые организмы

Вода и водяной пар являются существенными компонентами жизни на Земле и оказывают значительное влияние на организмы всех видов. Оба эти состояния воды имеют свои уникальные свойства и своим воздействием могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на живые организмы.

Вода

Вода является неотъемлемой частью организма всех живых существ. Она участвует во многих процессах, происходящих в организмах, и служит средой, в которой происходят все биохимические реакции. Она является важным компонентом клеток и тканей организма.

Вода также участвует в терморегуляции организма. Она способствует отводу излишней теплоты и поддержанию стабильной температуры тела. Вода также помогает в поддержании оптимальной влажности внутренних органов и тканей.

Недостаток воды может привести к дегидратации организма, что может негативно сказаться на его функционировании. Особенно это касается клеток и органов, которые зависят от постоянного притока воды, например, почек, кожи и слизистых оболочек

Поэтому важно поддерживать уровень воды в организме, употребляя достаточное количество жидкости

Водяной пар

Водяной пар также может оказывать влияние на организмы. Он является составной частью воздуха и может оказывать воздействие на дыхательную систему. Влажность воздуха, содержащая водяной пар, может влиять на слизистые оболочки легких, носа и горла. Слишком высокая влажность может создавать условия для развития микроорганизмов, а слишком низкая влажность может вызывать сухость и раздражение слизистых оболочек.

Водяной пар также может оказывать полезное влияние на организмы. Влажность воздуха, содержащая водяной пар, может увлажнять кожу и предотвращать ее пересушивание. Также водяной пар может оказывать положительное влияние на дыхательную систему, помогая смягчить слизистые оболочки и увлажнить дыхательные пути.

В целом, как вода, так и водяной пар являются важными для жизни организмов компонентами и могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на их функционирование. Поэтому поддержание достаточного уровня воды в организме и оптимальной влажности воздуха являются важными аспектами здорового образа жизни.

Происхождение и состояния

В обычном атмосферном давлении 1,013 бар (101325  кПа ) воды кипит при температуре 100 ° C . Если к оставшейся воде добавляется энергия (тепло), она испаряется, не вызывая дальнейшего повышения температуры. Из 1  литра (соответствует 1  кг ) воды образуется 1673 литра водяного пара (при нормальных условиях), для чего требуется запас энергии 2257  кДж .

Подаваемая энергия увеличивает внутреннюю энергию пара на 2088 кДж и выполняет работу по изменению объема W по сравнению с давлением окружающей среды .

W.знак равноп⋅ΔVзнак равно101,325kП.а⋅1,672м3знак равно169,41 годkNмзнак равно169,41 годkJ{\ displaystyle {\ begin {align} W = p \ cdot \ Delta V & = 101 {,} 325 \, \ mathrm {kPa} \ cdot 1 {,} 672 \, \ mathrm {m} ^ {3} \ \ & = {169 {,} 41 \, \ mathrm {kNm}} = {169 {,} 41 \, \ mathrm {kJ}} \ end {выровнено}}}

Два вклада в сумме дают энтальпию испарения H, которую можно рассматривать как конкретную переменную на диаграмме энтальпия-энтропия (диаграмма hs) в виде разницы на оси ординат. Показанная здесь диаграмма Ts для испарения необходимого (при 100 ° C) тепла имеет вид синей точечной поверхности.

Увеличение энтропии испарения (Delta S) также можно определить:
ΔС.{\ displaystyle \ Delta S}

• QЧАС{\ displaystyle Q_ {H}} = Теплота испарения или энтальпия испарения
• Т{\ displaystyle T}= Температура кипения в K

ΔС.знак равноQЧАСТзнак равно2257kJ373,15-еKзнак равно6,0485kJK{\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta S & = {\ frac {Q_ {H}} {T}} \\ & = {\ frac {2257 \, \ mathrm {kJ}} {373 {,} 15 \, \ mathrm {K}}} = 6 {,} 0485 \; \ mathrm {\ frac {kJ} {K}} \ end {выровнено}}}

Как видно из фазовой диаграммы , вода закипает при давлении воздуха 0,4  бара при температуре около 75 ° C (например, на горе Эверест ). Соответственно больше расходуемой теплоты испарения и увеличения объема пара. С увеличением давления теплота испарения воды уменьшается до нуля в критической точке . Результирующие области на диаграмме Ts становятся меньше.

Таблицы, диаграммы и формулы

Энтропия — диаграмма температуры водяного пара (1 МПа = 10 бар)

Диаграмма энтропии-энтальпии Молье для водяного пара (1 бар = 0,1 МПа)

Из-за своего огромного значения для энергетики водяной пар является одним из наиболее изученных веществ в термодинамике . Его физические свойства были определены путем обширных и частых измерений и расчетов и занесены в обширные таблицы , так называемые таблицы водяного пара .

Диаграмма Ts

→ Основная статья : Ts диаграмма

Диаграмма Ts показывает, что энтропия увеличивается при переходе от жидкости к пару . Это соответствует представлению о том, что частицы в жидкости гораздо более упорядочены, чем хаотическое перемешивание частиц в газе. Энтропия будет построена на оси абсцисс . Другой особенностью диаграммы является ее свойство отображать количество тепла, необходимое для испарения воды, как площадь. Соотношение: ΔH = T · ΔS дает прямоугольную область для энтальпии испарения, которая находится между T = 0 K и соответствующей прямой линией испарения.

Диаграмма HS

→ Основная статья : Диаграмма Молье-hx

На диаграмме Молье энтропия пара отложена по оси абсцисс, а соответствующая энтальпия — по оси ординат. Основные физические свойства водяного пара не могут быть легко интерпретированы, но количество тепла, необходимое для изменения состояния пара, например энтальпия парообразования, можно определить непосредственно по оси ординат.

Формула Магнуса

Приближенной формулой для расчета давления насыщенного пара как функции температуры является формула Магнуса :

Э.(θ)знак равноЭ.(θзнак равно∘С.)⋅exp⁡(С.1θС.2+θ) ;{\ Displaystyle E _ {(\ theta)} = E _ {\ mathrm {(} \ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {C_ {1} \ theta} {C_ {2} + \ theta}} \ right) \;}

Температура θ в ° C, коэффициентЭ.(θзнак равно∘С.)знак равно610,78П.а ,{\ Displaystyle E _ {(\ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} = 610 {,} 78 \, \ mathrm {Pa} \,}

С.1знак равно{17.08085если θ≥∘С.17,84362если θ<∘С. ,С.2знак равно{234,175∘С.если θ≥∘С.245,425∘С.если θ<∘С.{\ Displaystyle C_ {1} = \ left \ {{\ begin {matrix} 17 {,} 08085 & {\ text {if}} \ theta \ geq 0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \ \ 17 {,} 84362 & {\ text {if}} \ theta <0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \ end {matrix}} \ right. \, \ Quad \ quad C_ { 2} = \ left \ {{\ begin {matrix} 234 {,} 175 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {if}} \ theta \ geq 0 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} \\ 245 {,} 425 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {if}} \ theta <0 \, {} ^ {\ circ } \ mathrm {C} \ end {matrix}} \ right.}

Эта формула очень точна (ниже 0,22%) в диапазоне от 0 до 100 ° C и все еще хороша (ниже 4,3%) в диапазоне от -20 до 374 ° C, максимальная погрешность составляет 290 ° C. Благодаря простой конструкции и высокой точности он используется для определения точки росы , особенно в метеорологии и строительной физике .

С немного разными коэффициентами Э.(θзнак равно∘С.)знак равно611,2П.а ,{\ Displaystyle E _ {(\ theta = 0 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C})} = 611 {,} 2 \, \ mathrm {Pa} \,}

С.1знак равно{17-е,62с водой 22-е,46со льдом  ,С.2знак равно{243,12-е∘С.с водой 272,62∘С.со льдом {\ displaystyle C_ {1} = \ left \ {{\ begin {matrix} 17 {,} 62 & {\ text {для воды}} \, \\ 22 {,} 46 & {\ text {для льда}} \ end {matrix}} \ right. \, \ quad \ qquad C_ {2} = \ left \ {{\ begin {matrix} 243 {,} 12 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {with water}} \\ 272 {,} 62 \, {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} & {\ text {with ice}} \ end {matrix}} \ right.}

Результатом являются значения, которые соответствуют 0,1% с таблицей расчетов по строительной физике, напечатанной в стандарте DIN 4108.

Формула Магнуса была определена эмпирически Генрихом Густавом Магнусом и с тех пор дополнялась только более точными значениями коэффициентов. Закон для фазовых диаграмм , полученных из термодинамики , представленное уравнением Клаузиуса и уравнения Клаузиуса-Клапейрона . Однако из — за многих практических проблем , связанных с этим довольно теоретических уравнений, формула Магнуса представляет собой наилучший и наиболее достижимой приближение.

Формула аппроксимации

Полезное практическое правило для расчета температуры насыщенного пара по давлению насыщенного пара и наоборот:

θзнак равноп4-й⋅100{\ displaystyle {\ theta} = {\ sqrt {p}} \ cdot 100},

если давление p используется в барах (абсолютное). Соответствующая температура θ выражается в градусах Цельсия. Эта формула находится в диапазоне p _кр. > p> p = 3 бар (200 ° C> θ > 100 ° C) с точностью около 3%.

Биологическая роль[]

Основная статья: Роль воды в клетке

Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений.

Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.

Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоемах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоема, это позволяет его обитателям выжить.

Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара:

Водяной пар — это газообразное кумулятивное состояние воды.

Водяной пар бесцветен, безвкусен и не имеет запаха.

Как и вода, водяной пар является бинарным неорганическим соединением с формулой H.₂O.

Как и молекула воды, молекула водяного пара состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных ковалентными связями.

Водяной пар содержится в воздухе и в атмосфере Земли (в основном в тропосфере). （ Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,25 массовых % от общего объема атмосферы Земли. Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) сильно варьируется по объему (в условиях сухого воздуха), изменяясь от примерно 0,0001% по объему в самой холодной части атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных газах.

Водяной пар легче и менее плотный, чем сухой воздух. Так, плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм) и 0°C составляет 1,292 кг/м3 (или 0,001292 г/см3), а при 20°C — 1,2041 кг/м3. 3 (или 0,0012041 г/см 3). Плотность водяного пара при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм) и 0°C составляет 0,803 кг/м3 (или 0,000803 г/см3) при 20°C и 0,749 кг/м3 (или 0, 000749 г/см3).

Плотность водяного пара (м / V) получают с помощью уравнения Клайперона-Менделеева (уравнение идеального газа).

R — глобальная газовая постоянная, R ≈ 8,314 Дж / (моль К), и

T — термодинамическая температура газа, K, и

Водяной пар может образовываться в результате испарения или кипения жидкой воды и сублимации льда. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, тогда как при кипении пар образуется по всему объему жидкости.

При нормальных атмосферных условиях пар постоянно образуется в результате испарения и конденсируется в жидком состоянии.

Вода закипает при температуре, которая зависит от химического состава раствора и атмосферного давления.

При нормальном атмосферном давлении в 1 бар (101,325 кПа) вода закипает при температуре 100°C. Температура кипения остается постоянной на протяжении всего процесса. Поэтому, если к оставшейся воде добавить энергию (тепло), она испарится без дальнейшего повышения температуры. Из 1 литра (по 1 кг) воды образуется 1 673 литра водяного пара (при нормальных условиях), для производства которого требуется затратить энергию в размере 2 257 кДж.

Когда водяной пар попадает в воздух, как и все другие газы, он создает определенное давление, называемое парциальным давлением. Парциальное давление («парциальный» — «часть» от латинского partis-pars) — это давление отдельных компонентов газовой смеси. Общее давление газовой смеси представляет собой сумму парциальных давлений ее компонентов.

Процессы, обратные образованию водяного пара, называются конденсацией и разгерметизацией. Водяной пар будет конденсироваться на другой поверхности, только если эта поверхность находится ниже температуры точки росы или если баланс водяного пара в воздухе превышен.

В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а релаксация — к образованию снега.