Одним из вариантов снабжения питьевой водой населения Крыма, пострадавшего от сильной засухи, может стать «получение воды из воздуха»! На самом деле, влага всегда содержится в воздухе, и при понижении его температуры ниже «точки росы» избыток воды конденсируется в виде капель на холодной поверхности, и стекающую с нее воду можно собирать. Предположим, что в Крыму относительная влажность воздуха при температуре t1 = 30 °С равна $\varphi_1 = 50%$ и мы его прокачиваем через теплообменник со сборником воды, охлажденный до температуры t2 = 3 °С. Какой объем такого воздуха надо прокачать через теплообменник, чтобы набрать бутылку воды объемом V = 1 литр? Давления насыщенных паров воды при этих температурах равны, соответственно, pн1 = 31,8 мм рт. ст. и pн2 = 5,7 мм рт. ст. (1 мм рт. ст. ≈ 133 Па).
💡 Пошаговый разбор и решение:
1. Сначала переведем давления насыщенных паров воды при заданных температурах из миллиметров ртутного столба в Па: pн1 = 31,8 мм рт. ст. = 31,8 · 133 ≈ 4230 Па, pн2 = 5,7 мм рт. ст. = 5,7 · 133 = 758 Па.
2. При относительной влажности $\varphi_1 = 50\% = \frac{p_1}{p_н1}$ давление паров воды при температуре Т1 = p1 ≈ 2115 Па.
3. Абсолютная влажность может быть определена при помощи уравнения Клапейрона−Менделеева: плотность пара $\rho_п1 = m/V = p_1M/RT_1$ где молярная масса воды M = 0,018 кг/моль. Отсюда
$\rho_п1 = $\frac{2115 \cdot 0,018}{8,31 \cdot 303}$ \approx 0,01512кг/м ^3 \approx 15,12г/м ^3$
4. При температуре Т2 пары воды будут насыщенными, относительная влажность воздуха при этой температуре Т2 = 3 °С равна $\varphi_2 = 100\%$ и абсолютная влажность:
$\rho_п2 = $\frac{m}{V}$ = $\frac{p_н2M}{RT_2}$ = 758 \cdot $\frac{0,018}{8,31 \cdot 276}$ \approx 0,0059488кг/м ^3 \approx 5,95г/м ^3$
5. Следовательно, при конденсации из каждого кубометра влажного воздуха выпадет $( \rho_п1 - \rho_п2 ) \cdot ( 1м ^3 ) = 9,17г$ воды.
6. Масса воды объемом V = 1 л равна 1 кг = 1000 г, так что для получения одной литровой бутылки воды в системе будет
$\Delta V = $\frac{1000}{9,17}$ = 109,051 \approx 109м ^3$
охлажденного влажного воздуха.
7. Учтем, что теплый воздух при попадании в систему также изобарически сжимается. Найдем, сколько такого воздуха нужно вкачать в систему: из $\frac{\Delta V_1}{T_1} = \frac{\Delta V_2}{T_2}$ получаем
$\Delta V_1 = $\frac{\Delta V_2 \cdot T_1}{T_2}$ = $\frac{109 \cdot 303}{276}$ \approx120 м ^3$
Ответ: $\Delta V \approx 120м ^3$
2. При относительной влажности $\varphi_1 = 50\% = \frac{p_1}{p_н1}$ давление паров воды при температуре Т1 = p1 ≈ 2115 Па.
3. Абсолютная влажность может быть определена при помощи уравнения Клапейрона−Менделеева: плотность пара $\rho_п1 = m/V = p_1M/RT_1$ где молярная масса воды M = 0,018 кг/моль. Отсюда
$\rho_п1 = $\frac{2115 \cdot 0,018}{8,31 \cdot 303}$ \approx 0,01512кг/м ^3 \approx 15,12г/м ^3$
4. При температуре Т2 пары воды будут насыщенными, относительная влажность воздуха при этой температуре Т2 = 3 °С равна $\varphi_2 = 100\%$ и абсолютная влажность:
$\rho_п2 = $\frac{m}{V}$ = $\frac{p_н2M}{RT_2}$ = 758 \cdot $\frac{0,018}{8,31 \cdot 276}$ \approx 0,0059488кг/м ^3 \approx 5,95г/м ^3$
5. Следовательно, при конденсации из каждого кубометра влажного воздуха выпадет $( \rho_п1 - \rho_п2 ) \cdot ( 1м ^3 ) = 9,17г$ воды.
6. Масса воды объемом V = 1 л равна 1 кг = 1000 г, так что для получения одной литровой бутылки воды в системе будет
$\Delta V = $\frac{1000}{9,17}$ = 109,051 \approx 109м ^3$
охлажденного влажного воздуха.
7. Учтем, что теплый воздух при попадании в систему также изобарически сжимается. Найдем, сколько такого воздуха нужно вкачать в систему: из $\frac{\Delta V_1}{T_1} = \frac{\Delta V_2}{T_2}$ получаем
$\Delta V_1 = $\frac{\Delta V_2 \cdot T_1}{T_2}$ = $\frac{109 \cdot 303}{276}$ \approx120 м ^3$
Ответ: $\Delta V \approx 120м ^3$
Правильный ответ:
$\Delta V \approx 120м в кубе$
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 166818 • Задание №4
Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведенного списка.
[рис.]
Внутренню...
ID 104027 • Задание №6
[рис.] На Tp-диаграмме показан процесс изменения состояния идеального одноатомного газа. Газ отдал 50 кДж тепл...
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом: (в данном случае: определения абсолютной и относительной влажности, уравнение Клапейрона-Менделеева);
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный
| 2
Правильно записаны все необходимые положения теории,
физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи. Но имеются один или несколько из следующих недостатков. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном
объеме или отсутствуют.
ИЛИ
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение, которые не отделены от решения и не зачеркнуты.
ИЛИ
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
ИЛИ
Отсутствует пункт IV, или в нем допущена ошибка | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла. | 0
Максимальный балл | 3
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом: (в данном случае: определения абсолютной и относительной влажности, уравнение Клапейрона-Менделеева);
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный
| 2
Правильно записаны все необходимые положения теории,
физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи. Но имеются один или несколько из следующих недостатков. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном
объеме или отсутствуют.
ИЛИ
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение, которые не отделены от решения и не зачеркнуты.
ИЛИ
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
ИЛИ
Отсутствует пункт IV, или в нем допущена ошибка | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла. | 0
Максимальный балл | 3
🔗 Другие задания линии №28 по предмету Физика:
ID 108987
Куб с ребром a сделан из материала, плотность которого равна 6000 кг/м3. Из этого куба вырезают...
ID 108989
Брусок массой $m = 2кг$ движется поступательно по горизонтальной плоскости под действием постоя...
ID 108990
Массивный брусок движется поступательно по горизонтальной плоскости под действием постоянной си...
ID 108991
Брусок массой $m = 2кг$ движется поступательно по горизонтальной плоскости под действием постоя...
ID 108992
Брусок массой $m = 2кг$ движется поступательно по горизонтальной плоскости под действием постоя...