第二章湿空气的物理性质及其焓湿图

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253.8088
32.7595
氡(Rn)
6×10-13
*
注:该表中气体成分随时间和场所的不同,有较大变化;
*氡有放射能,由Rn220和Rn222两种同位素构成,因为同位素混合物的原子量变化,所以不作规定。(Rn220半衰期54s,Rn222半衰期3.83日)
2.1.2湿空气的物理性质
通风空调的空气成分与人们平时所说的“空气”实际是干空气加水蒸汽的混合物,即湿空气。在湿空气中水蒸汽的含量虽少,但其变化却对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要影响,且使湿空气的物理性质随之改变[4]。因此研究湿空气中水蒸汽含量的调节在通风空调中占有重要地位。
混入前,氧浓度为:
混入后,同压下混入的该气体的体积为Vx,则该气体在混合气体中的浓度为:
氧气浓度变为:
(2-26)
例题:地下某停风空间内,不断有CO2涌出,初始氧浓度为CO2=20.9%,计算在CO2的体积浓度分别达到CCO2=19%、43%、57%时,氧气浓度变为多少?
解:
将各值代入,得:
CCO2=19%时, ,人呼吸急促;
CCO2=43%时, ,人心跳加快;
CCO2=57%时, ,人员休克。
2.1.4湿空气的主要状态参数及其确定法
2.1.4.1湿空气的密度
根据上述可知,湿空气的密度等于干空气密度与水蒸汽密度之和,即
(2-27)
在标准条件下(压力为101325Pa,温度为20℃,即293.15K时),干空气的密度 ,而湿空气的密度则取决于Pq值的大小。
20.9476
31.9988
259.8429
氩(Ar)
0.934
39.934
208.2100
二氧化碳(CO2)
0.0314
44.00995
188.9268
氖(Ne)
0.001818
21.183
392.5157
氦(He)
0.000524
4.0026
2077.3150
氪(Kr)
0.000114
83.80
T=t+273.15,K
t=(5/9)(t-32)°F,℃
从华氏温度(°F)转换成摄氏温度(℃):华氏°F=1.8摄氏℃+32, 摄氏℃=5/9(华氏°F-32)
温度随海拔高度而变化,可由以下经验公式计算:
,℃(2-1)
式中H——海拔高度,m。
3、比容
单位质量的气体所具有的体积,m3/kg。
,m3/kg。(2-7)
99.2203
氙(Xe)
0.0000087
131.30
63.3257
氢(H2)
0.00005
2.01594
4124.4580
甲烷(CH4)
0.00015
16.04303
518.2724
氧化氮(N2O)
0.00005
44.0128
188.9146
臭氧(O3)
0~0.000007夏季
0~0.000002冬季
相对密度的定义为:某气体单独存在时的密度与某混合气体(通常为空气)的密度之比,即:
(2-19)
相对密度 >1,表示该组分气体比空气重,容易积存于底部;相对密度 <1,表示该组分气体比空气轻,容易积存于顶部。如甲烷CH4相对于空气的分密度为0.552,比空气轻,常常积存于巷道顶部。
8、混合气体的分压力Pi与总压力P的关系
第2章湿空气ຫໍສະໝຸດ Baidu物理性质及其焓湿图
创造满足人类生产、生活和科学实验所要求的空气环境是通风空调工程的任务。湿空气既是空气环境的主体又是通风工程的处理对象,因此熟练掌握湿空气的物理性质及其焓湿图,是通风工程的必要基础。本章主要讲述湿空气的物理性质、状态参数及其焓湿图的应用。
2.1湿空气的物理性质
2.1.1空气的组成
为统一干空气的物理性质,便于工程计算,一般将海平面高度的清洁干空气成分作为标准组成。目前推荐的干空气标准成分见表2-1和图2-1所示。
表2-1干空气标准成分
气体成分(分子式)
体积百分比(%)
分子量(C-12标准)
气体常数R(J/kg.·K)
氮(N2)
78.084
28.013
296.8143
氧(O2)
1/T = dS/dET = 1 / (dS/dE)
物体的温度反映了物体内部分子运动平均动能的大小。分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。这种现象被描述为一个物体的热势,或能量效应。当以数值表示温度时,即称之为温度度数。
国际上常用的有绝对湿标(又称开氏温标),符号为T,单位为K;摄氏温标,符号为t,单位为°C;英美等国家也采用华氏温标,符号为t,单位为°F。温度范围是根据水的冰点和沸点。在摄氏温度计上,水的冰点为零度,沸点为100度。在华氏温度计上,水的冰点为32度,沸点为212度。这三种温标的关系为:
2
体积浓度CV
CV=Vi/V ×100%
%
3
质量成分gi
gi=Gi/G
Gi—各组分气体质量,kg
4
质量浓度Cg
Cg=Gi/G ×100%
%
5
密度
kg/m3
6
分密度
kg/m3
7
比容
m3/kg
8
标准状态密度
kg/m3
Mi—千摩尔质量,kg
9
分密度 与密度 的关系
kg/m3
10
相对密度
11
分压力Pi
Pa
P—总压力,Pa;
102
10.197162
1
7.50062×10-1
10-3
9.86923×10-4
133.3224
13.5951
1.333224
1
1.333224×10-3
1.31579×10-3
105
1.019716×104
103
7.50062×102
1
9.86923×10-1
101325
1.033227×104
Pi—分压力,Pa
12
摩尔成分ki
ki=mi/m
mi—组分气体摩尔数;
m—混合气体摩尔数
13
摩尔成分ki与容积成分ri的关系
ki=ri
14
平均摩尔质量M
kg
Mi—组分气体摩尔质量;
M—混合气体摩尔质量
15
气体常数R
J/kg.K
Ri—组分气体常数
16
质量浓度Cg与体积浓CV的关系
13、某种气体混入后引起混合气体中氧浓度的变化
设混合气体的总压力为P,总体积为V。各组分气体以总体积V单独存在时的分压力为Pi;若各组分气体以总压力P单独存在时的分体积为Vi。则有:
(2-20)
9、混合气体的摩尔成分ki
混合气体的摩尔成分定义为:某组分气体的摩尔数mi与混合气体的总摩尔数m之比,即:
ki=mi/m,mi=Gi/Mi
ki与ri的关系:

或 (2-6)
式中Pg、Pq——干空气及水蒸汽的压力,Pa;
V——湿空气的总容积,m3;
mg,mq一一干空气及水蒸汽的质量,kg;
Rg,Rq——干空气及水蒸汽的气体常数,Rg=287.01J/(kg·K),Rq=461.53J/(kg·K);
T——湿空气的热力学温度,K。
2、温度
热力学的解释,在物理上,一般考虑能态N的自然对数,把这个叫作熵S。显然,系统内的熵增所对应的能量变化可以用来描述系统的能量特征:dS/dE。这个比值小的时候,说明比较小的熵增对应着比较高的能量变化,系统整体的能量级别很高。这一特征用物理量来描述,叫温度。即:
(2-9)
(2-10)
Vi——同温同压下某组分气体单独存在时的容积,m3;
混合气体中各组分气体容积成分之和为1。即:
(2-11)
2、混合气体质量成分gi和质量浓度Cg
质量成分gi是同温同压下某组分气体的质量Gi与混合气体总质量G之比;
质量浓度Cg是同温同压下某组分气体的质量占混合气体总质量的百分比。即:
表2-2大气压力单位换算表
帕/Pa
毫米水柱
/mmH2O、kg/m2
毫巴/mbar
毫米汞柱/mmHg
巴/bar
物理大气压/atm
1
0.101972
10-2
7.50062×10-3
10-5
9.86923×10-6
9.80665
1
0.980665
7.35559×10-2
9.80665×10-5
9.67841×10-5
1013.25
760
1.01325
1
大气压力随海拔高度而变化,可由以下经验公式计算:
,Pa(2-1)
式中P0——海平面大气压力,Pa;
H——海拔高度,m。
当海平面P0=101325Pa时,可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线,大气压力随海拔高度的变化如图2-2所示。大气压力值一般在士5%范围内波动。
47.9982
173.2286
二氧化硫(SO2)
0~0.0001
64.0828
129.7487
二氧化氮(NO2)
0~0.000002
46.0055
180.7319
氨(NH4)
0~微量
17.03061
488.2185
一氧化碳(CO)
0~微量
28.01055
296.8403
碘(I2)
0~0.000001
(2-12)
(2-13)
(2-14)
3、气体的密度
单位体积内混合气体的质量,kg/m3。显然,混合气体的总密度为各组分气体的分密度之和。
(2-15)
——同温同压同体积下各组分气体单独存在时的密度。
4、混合气体中ri与gi的关系
(2-16)
显然质量浓度与体积浓度的关系为:
(2-17)
5、标准状态下某气体的密度 i
(2-21)
10、混合气体平均摩尔质量M
设混合气体的总质量为G,总摩尔数为m,各组分气体的质量为Gi,则:
(2-22)
如:干空气的摩尔质量为:CvN2=78.087%,CvO2=20.948%,CvAr=0.934%,CvCO2=0.031%
=0.78087×28.013+0.2093×31.9988+0.00934×39.934+0.00031×44.00995
由于Pq值相对于Pg值而言数值较小,因此,湿空气的密度比干空气密度小,在实际计算时可近似取 =1.2 kg/m3。
湿空气密度是一个与温度和水蒸气分压力有关的物理量,当温度、压力不变时,湿空气的密度小于干空气的密度,湿空气比干空气轻,湿空气的密度随着水蒸气分压力的增大而减小。
气体的摩尔体积
式中:M——摩尔质量(分子量),g/mol;G——气体质量,g;V0——标准状态体积,l。
质量为G的气体体积为 ;
则标准状态下某气体的密度为 。(2-18)
例题:求标准状态下O2、N2、CO2、Ar的密度。
解:根据公式(2-18),可得:




6、混合气体中某组分气体的分密度
7、相对密度
地球表面的湿空气中,尚有悬浮尘埃、烟雾、微生物及化学排放物等,由于这些物质并不影响湿空气的热力学特性,因此本章不涉及这些内容。
1、压力
空气分子永不停息、无规则的热运动对容器壁面产生的压强,习惯叫做空气的绝对静压,是气体状态的基本参量之一。海平面的标准大气压为101325Pa。压力的单位有Pa、mbar等,大气压力各单位之间的换算见表2-2。
图2-2大气压与海拔高度的关系
湿空气各组分气体的分压力遵循道尔顿定律。即:
(2-2)
对于理想气体遵循的状态方程为:
或 (2-3)
气体的总质量采用kmol为单位时,有
R0——普适气体常数。
Vmol为1kmol气体的体积(m3/kmol),由阿伏加德罗定律可知,对于一切具有相同压力、温度值的气体,其Vmol相同。当P=101325Pa、T=273.15K时,实验测得kmol体积Vmol=22.4145m3/kmol,所以
(2-4)
某种气体的气体常数Ri为普适气体常数R0除以该气体的分子量Mi,即:
(2-5)
如干空气的平均分子量为Mg=28.97,则Rg=287.0093J/(kg·K);水蒸汽的气体常数为Rq=461.5322J/(kg·K)。
在常温常压下干空气可视为理想气体,而湿空气中的水蒸汽一般处于过热状态,且含量很少,可近似地视作理想气体。这样,即可利用理想气体的状态方程式来表示干空气和水蒸汽的主要状态参数——压力、温度、比容等的相互关系,即
=28.9643,kg
11、混合气体的气体常数R
根据理想气体状态方程 ,
所以:
根据道尔顿分压定律:
(2-23)
12、质量浓度与体积浓度的换算
(2-24)
(2-25)
上述混合气体的性质参数的关系见表2-3。
表2-3混合气体性质参数的关系表
序号
参数
计算式
单位
符号意义
备注
1
容积成分ri
Vi—折合容积
V—总容积
通风工程的媒介是空气,空气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的,一般称之为湿空气。干空气的成分主要是氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)、二氧化碳(CO2)及其它微量气体;多数成分如氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)的含量比较稳定,少数成分如二氧化碳(CO2)的含量随季节变化有所波动,但从总体上可将干空气作为一个稳定的混合物来看待。
4、密度
单位体积的气体所具有的质量,kg/m3。
kg/m3。(2-8)
很显然,密度是比容的倒数。
如干空气及水蒸汽的密度分别为: 。
2.1.3多组分混合气体的基本性质
1、混合气体容积成分ri和体积浓度CV
容积成分ri是同温同压下某组分气体的容积与混合气体总容积之比;
体积浓度CV是同温同压下某组分气体的容积占混合气体总容积的百分比。即:
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