Определение влажности воздуха.
Цель работы:
- Изучить явление испарения жидкостей; познакомиться с методами измерения абсолютной и относительной влажности воздуха.
- Научиться определять абсолютную и относительную влажность воздуха при помощи психрометра.
Литература:
- Савельев И.В. Курс общей физики. Т 1. М. 1987г. § 121.
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник для 10 кл. М. 1990г. §§ 15-17.
- Шахмаев Н.М. и др. Физика. Учебник для 10 кл. М. 1992г. §§ 9-10
- Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Т.1 М.1981. Гл. 35, §§ 1,2, 3, 6.
Приборы и принадлежности:
- Психрометр аспирационный МВ-4М (психрометр Ассмана).
- Стакан с водой.
- Пипетка.
- Барометр.
1. Введение.
Испарение жидкостей. Насыщенный пар.
Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий путем вылета молекул из этого вещества, называется процессом парообразования. Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называют паром этого вещества. Обратный процесс перехода газообразного вещества в жидкое называют конденсацией..
Парообразование, происходящее с открытой поверхности жидкости при любой температуре, называется испарением. Экспериментально установлены следующие закономерности испарения: а) при одинаковых условиях различные вещества испаряются с разной скоростью;
б) чем больше площадь испаряющейся поверхности, тем быстрее происходит испарение; в) скорость испарения зависит от плотности паров над открытой поверхностью; испарение усиливается при движении окружающего воздуха; г) чем выше температура жидкости, тем быстрее происходит испарение; д) при испарении температура жидкости понижается.
Если достаточно большое количество жидкости находится в закрытом сосуде при постоянной температуре, то часть жидкости превратится в пар, а в дальнейшем количество жидкости остается неизменным. Это объясняется тем, что одновременно с процессом парообразования происходит обратный процесс конденсации. При достижении плотностью (давлением) пара определенного значения устанавливается динамическое равновесие между паром и жидкостью: число молекул, вылетающих из жидкости в единицу времени, равно числу молекул, переходящих за это время из пара в жидкость. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным.
Опыт показывает, что давление насыщенного пара ρн зависит только от вещества, из которого он состоит и от температуры, но не зависит от объема, который пар занимает. При изменении объема пара равновесие между паром и жидкостью временно нарушается: усиливается либо процесс испарения, либо процесс конденсации, что в итоге приводит к восстановлению состояния динамического равновесия при первоначальном значении давления пара.
Зависимость ρн от температуры является нелинейной (см. рис.1.).
С ростом температуры ρн увеличивается гораздо быстрее, чем давление идеального газа (прерывистая линия на рис.1). Это связано с тем, что ρн возрастает не только из-за роста температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.
Давление, которое пар производит в состоянии в состоянии насыщения при данной температуре, является наибольшим: давление ненасыщенного пара всегда меньше pH.
Влажность воздуха
В результате испарения воды с поверхности водоемов, почвы, а также с растительных покровов в атмосферном воздухе всегда содержится водяной пар. Содержание водяного пара в воздухе и степень его насыщения существенно влияют на природные явления, на условия существования растений и животных, на условия жизни и деятельности человека. Поддержание определенной влажности требуется при многих технологических процессах, а также в книгохранилищах и музеях.
Абсолютной влажностью 
воздуха называют величину, численно равную массе водяного пара, содержащегося в 1м3 воздуха (т. е. плотность водяного пара в воздухе при данных условиях). Обычно абсолютную влажность выражают в г/м3. В метеорологии абсолютную влажность воздуха характеризуют не плотностью, а парциальным давлением (упругостью) водяного пара , выраженным в мм. рт. ст.
Часто бывает необходимо знать, насколько водяной пар в воздухе близок или далек от состояния насыщения. Поэтому кроме абсолютной влажности введено понятие относительной влажности. Относительной влажностью r называется отношение абсолютной влажности (или упругости) к плотности (или упругости) насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах:
r = 
%
Степень насыщения водяного пара характеризуют также дефицитом влажности D = ρн- ρ.
Если изобарически понижать температуру воздуха, то при определенной температуре водяной пар в нем станет насыщенным (процесс 1-2 на рис.1). При дальнейшем охлаждении пар начинает конденсироваться в жидкость, образуя росу. Температура, до которой необходимо охладить воздух (при неизменной влажности), чтобы водяной пар в нем стал насыщенным, называется точкой росы.
2. Методы определения влажности воздуха.
Влажность воздуха определяют с помощью приборов – гигрометров и психрометров. Существуют гигрометры различных типов.
В волосном гигрометре (рис.2) используется свойство обезжиренного человеческого волоса удлиняться (укорачиваться) при увеличении (уменьшении) относительной влажности воздуха. Волос 1 навит на ролик 2 и держится в натянутом состоянии грузиком 3. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик 2 вращается и движет стрелку 4. Деления шкалы указывают относительную влажность. Волосной гигрометр используют в случаях, когда нет необходимости проводить очень точные измерения влажности воздуха. Свойства волоса со временем меняются, поэтому этот гигрометр требует время от времени градуировки.
В весовом гигрометре используют свойство некоторых веществ (например, хлористого кальция CaCl2) хорошо поглощать водяные пары. С помощью насоса прокачивают воздух через трубки, наполненные CaCl2, которые взвешиваются до и после проведения опыта. Определив изменение веса CaCl2 и зная объем прошедшего через трубки воздуха, находят абсолютную влажность.
Конденсационный гигрометр (рис.3) предназначен для определения точки росы. В сосуд 1 наливается легко испаряющаяся жидкость (эфир) 2, и через него пульверизатором 3 продувают воздух. При интенсивном испарении эфира температура стенок сосуда понижается, и при достижении точки росы сосуда запотевают. На переднюю стенку сосуда 1 надето отполированное кольцо 4, отделенное от сосуда теплоизолирующей прокладкой и поэтому не охлаждающееся. Контраст межу запотевшим сосудом и блестящим кольцом позволяет точно установить момент начала конденсации водяного пара на стенках сосуда. Определив точку росы с помощью термометра 5, и используя таблицу 3, можно определить абсолютную и относительную влажность воздуха.
Психрометр состоит из двух термометров, расположенных рядом. Резервуар одного из термометров обернут тканью, смоченной водой. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее происходит испарение воды из ткани и тем сильнее охлаждается «влажный» термометр. Измерив разность температур «сухого» и «влажного» термометров, можно по специальной «психрометрической» таблице (см. табл. 2) определить относительную влажность воздуха.
3.Аспирационный психрометр Ассмана.
Психрометр Ассмана состоит из двух одинаковых ртутных термометров 1 и 2 (рис.4), закрепленных в специальной оправе 3. Каждый из термометров имеет шкалу с рабочей частью от –300 до +500. Цена деления шкалы 0,20С. Резервуары термометров помещены в двойную трубчатую защиту с воздушной прослойкой, которая предохраняет термометры от нагревания Солнцем. С этой целью трубы никелируются и тщательно полируются. Трубки 4 соединены с трубкой главного воздухопровода 5, помещенной между термометрами и верхним концом сообщающейся с аспиратором 6. Аспиратор состоит из вентиляторного диска с часовым механизмом, закрытым колпаком 7. Пружина механизма заводится посредством ключа 8. Резервуар правого термометра обернут тканью (батистом) и перед работой смачивается чистой дистиллированной водой при помощи пипетки, вводимой в трубку 9.
Вращением вентилятора в прибор засасывается воздух, который обтекая резервуары термометров, проходит по главному воздуховоду к аспиратору и выбрасывается последним наружу через имеющиеся прорези. Вода, которой смочен резервуар «влажного» термометра, испаряется, в результате чего происходит охлаждение резервуара. Масса воды, испаряющейся в единицу времени с поверхности батиста, зависит от степени насыщения воздуха водяными парами ρн ρ, от скорости движения воздуха V, от площади поверхности батиста S и атмосферного давления ρ0:
m= k (v) 
,
где k(v) – коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости воздуха. На испарение массы воды m требуется количество тепла
Q = mL = k(v) 
,
где L – удельная теплота парообразования.
Очевидно, что температура воды, смачивающей батист, будет понижаться до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие: потеря тепла при испарении будет компенсироваться притоком тепла при нагревании мокрого батиста более теплым воздухом. Приток тепла в единицу времени пропорционален площади смоченной поверхности S и разности температур «сухого» и «влажного» термометра t1 – t2:
Q/ = f(v) S(t1 – t2),
где f(v) – коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости потока воздуха. Температура перестанет понижаться, когда Q = Q/, то есть:
k(v) = f(v) S(t1 – t2), §1. ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ
И ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
Для предотвращения поражения током при работе в лаборатории электромагнетизма нужно выполнять следующие правила:
1. Внимательно и осознанно выполнять все операции. Недопустимы посторонние разговоры и шалости в помещении лаборатории.
2. Перед началом работы студент должен ознакомиться с используемыми источниками напряжения, с назначением частей приборов и ручек управления ими. Необходимо знать, как отключить напряжение на своем рабочем месте и во всей лаборатории.
3. Строго запрещается ставить на лабораторные столы и около них сумки, класть пальто и шапки.
4. Перед включением источника любая собранная схема должна быть проверена преподавателем или лаборантом.
5. Запрещается прикасаться к оголенным проводам и клеммам при включенном напряжении. Запрещается переставлять приборы с одного стола на другой.
6. После отключения напряжения от схемы, содержащей емкость, разрешается браться за оголенные части схемы только после разрядки конденсаторов путем короткого замыкания его проводником.
7. После окончания работы в лаборатории нужно отключить напряжение, разобрать схему, поставить на место приборы, убрать рабочее место.
Поражающее действие тока на ткани живого организма проявляется в химических изменениях в клетках, в нагревании тканей, нарушениях в нервной системе организма. Степень этих изменений зависит от величины и частоты тока, времени его протекания, пути тока через тело человека. Например., при протекании тока 0,01 А частотой 50 Гц между двумя руками в течение 0,3с начинается ощущение тока, легкое дрожание пальцев. Допустимым безопасным током считается ток 0,02 А. Сопротивление человека в зависимости от многих обстоятельств колеблется в пределах от 600 до 200000 Ом. Отсюда допустимое безопасное напряжение
U=I×Rmin=0,02 А×600 0м=12 В
При работе в лаборатории с нормальной влажностью и освещением практически безопасным считается напряжение переменного тока ниже 36В.
При попадании человека под опасное напряжение необходимо срочно отключить напряжение. Первая помощь при легком поражении заключается в обеспечении полного покоя. При тяжелом поражении с нарушением дыхания необходимо делать искусственное дыхание и непрямой массаж сердца.
Соблюдение студентами правил техники безопасности исключит возможное поражение током.
отсюда
ρ= ρн - 
.
Скорость вращения вентилятора постоянна, поэтому остается постоянной и скорость потока воздуха. Следовательно, величина
А= 
.
Из последних формул следует: ρ= ρн-А ρ0(t1- t2),
откуда
Величина А называется постоянной психрометра.
4. Порядок выполнения работы
- Подготовить психрометр Ассмана к работе: смочить водой обернутой батистом резервуар правого – «влажного» - термометра и завести пружину механизма аспиратора.
- Измерить температуру «сухого» и «влажного» термометров (t1 и t2). Обратить внимание на то, что температура «влажного» термометра сначала понижается, а затем начинает повышаться. В качестве t2 следует взять минимальное значение температуры. Проделать не менее пяти опытов.
- Для каждого опыта подсчитать разность температур t1 - t2 и по таблице 2 найти относительную влажность воздуха r.
- По таблице 3 найти давление насыщенного пара p при температуре t1 и рассчитать упругость водяных паров в лаборатории p.
- Рассчитать дефицит влажности D. По лабораторному барометру определить атмосферное давление и рассчитать постоянную психрометра А.
- Результаты расчетов занести в таблицу 1. Оценить погрешность.
Контрольные вопросы
- Объясните явление испарения жидкостей и его основные закономерности с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
- Какую величину называют удельной теплотой парообразования?
- Какой пар называют насыщенным? Объясните, почему давление насыщенного пара не зависит от объема, в котором он находится?
- изобразите на графике примерный вид зависимости давления насыщенного пара от температуры. Почему с ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем давление идеального газа?
- Какой пар называют ненасыщенным? Какими способами ненасыщенный пар можно перевести в состояние насыщения?
- Дайте определения абсолютной и относительной влажности воздуха. Как связаны между собой плотность и упругость водяного пара?
- Что такое точка росы? Как, зная точку росы, определить абсолютную и относительную влажность воздуха?
- Опишите принцип действия известных вам приборов для определения влажности возждуха.
- Расскажите об устройстве аспирационного психрометра Ассмана. Получите формулу, связывающую разность показаний «сухого» и «влажного» термометров с относительной влажностью воздуха.
- Оценить массу водяного пара, содержащегося при данных условиях в аудитории. При какой температуре воздуха в аудитории начнется конденсация водяного пара?
Таблица №1
| № п/п | t1 0C | t2 0C | t1-t2 | r,% | PH, мм.рт.ст. | P, мм.рт.ст. | А град-1 | ΔА град-1 | εА% |
| 1. | |||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. |
Таблица №2.
Психрометрическая таблица относительной влажности воздуха.
| Показ. сух. терм. | Разность показаний сухого и влажного термометров в С0 | ||||||||||||
Таблица №3
Давление насыщенного водяного пара при разных температурах.
| t 0C | PH, мм.рт.ст. | Р г/м3 | t 0C | PH, мм.рт.ст. | Р г/м3 | t 0C | PH, мм.рт.ст. | Р г/м3 |
| -10 | 1,95 | 2,14 | 7,51 | 7,8 | 22,38 | 21,8 | ||
| -9 | 2,13 | 2,33 | 8,05 | 8,3 | 23,76 | 23,0 | ||
| -8 | 2,32 | 2,54 | 8,61 | 8,8 | 25,21 | 24,4 | ||
| -7 | 2,53 | 2,76 | 9,21 | 9,4 | 26,74 | 25,8 | ||
| -6 | 2,76 | 2,99 | 9,84 | 10,0 | 28,35 | 27,2 | ||
| -5 | 3,01 | 3,24 | 10,52 | 10,7 | 30,04 | 28,7 | ||
| -4 | 3,28 | 3,51 | 11,23 | 11,4 | 31,82 | 30,3 | ||
| -3 | 3,57 | 3,81 | 11,99 | 12,1 | 33,70 | 32,1 | ||
| -2 | 3,88 | 4,13 | 12,79 | 12,8 | 35,66 | 33,9 | ||
| -1 | 4,22 | 4,47 | 13,60 | 13,6 | 37,73 | 35,7 | ||
| 4,58 | 4,84 | 14,53 | 14,5 | 39,90 | 37,6 | |||
| 4,93 | 5,22 | 15,48 | 15,4 | 42,18 | 39,6 | |||
| 5,29 | 5,60 | 16,48 | 16,3 | 44,56 | 41,8 | |||
| 5,69 | 5,98 | 17,54 | 17,3 | 47,07 | 44,0 | |||
| 6,10 | 6,40 | 18,65 | 18,3 | 49,69 | 46,3 | |||
| 6,54 | 6,84 | 19,83 | 19,4 | 52,44 | 48,7 | |||
| 7,01 | 7,3 | 21,07 | 20,6 | 55,32 | 51,2 |
