Физические свойства водяного пара в атмосфере

Из физических свойств водяного пара здесь будет рассмотрено в основном давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью воды (t _в > 0°С), над льдом и над переохлажденной водой (t _в < 0°С). Эта величина входит во многие расчетные формулы гидрофизики.

Парциальное давление водяного пара в воздухе выражается, как и давление, воздуха, в паскалях (Па) или в миллиметрах столба ртути (внесистемная единица). Давление насыщенного водяного пара — давление водяного пара, находящегося при данной температуре (равной температуре влажного воздуха) в равновесии с плоской подстилающей поверхностью воды или льда. Парциальное давление водяного пара в очень сильной степени зависит от температуры подстилающей поверхности.

Давление насыщенного водяного пара e ₀ определяют эмпирически и расчетом по теоретическим формулам, основанным на уравнении Клапейрона—Клаузиуса (1.2). Если рассматривать кривую равновесия фазового превращения водяной пар — вода (кривая AB на рис. 1.1), то в уравнении (1.2) можно принять V ₁ << V ₂. Тогда оно с учетом уравнения состояния пара

e ₀ V = R _п T (2.26)

примет вид

 

(2.27)

 

где L _п — удельная теплота парообразования, R _п — удельная газовая постоянная водяного пара, T — абсолютная температура воздуха.

Уравнение (2.27) после подстановки постоянных и некоторых преобразований приводится к расчетному виду:

(2.28)

где t — температура водяного пара, равная температуре воздуха; — давление насыщенного водяного пара при t = 0°С, гПа.

Хорошее совпадение с опытными определениями дает эмпирическая формула Магнуса

 

(2.29)

 

Для давления насыщенного водяного пара надо льдом из того же уравнения (2.27) можно получить следующее:

(2.30)

 

где L _пл — удельная теплота плавления льда, T ₀ = 273,15 К.

В этом случае формула Магнуса имеет вид

(2.31)

 

Уравнение (2.28) служит также для определения давления насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.

Давление насыщенного водяного пара над водным раствором зависит также от минерализации воды и уменьшается с увеличением концентрации солей согласно закону Рауля:

 

(2.32)

 

где e ₀ — давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью дистиллированной воды; N и п — соответственно число молекул воды и растворенных солей; N /(N+п) — концентрация раствора.

Водяной пар легче воздуха. Например, плотность насыщенного пара при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С 0,00493 кг/м³, а воздуха 1,293 кг/м³. Удельная теплоемкость пара и воздуха при тех же условиях соответственно равна 2,010 кДж/(кг·°С) и 1,005 кДж/(кг·°С).