Лабораторная работа №1
Цель: Усвоение понятий о фазовых переходах и балансе на примере паров воды в воздухе.
Задача: Определение относительной влажности воздуха
Оборудование: психрометр.
Введение. Атмосфера Земли содержит в среднем 1,24*1016 кг воды в виде пара и облаков. Если бы вся вода конденсировалась, она покрыла бы всю Землю слоем 2,4 см. Фазовые переходы этой гигантской массы во-многом определяют климатические и погодные явления. С другой стороны многие объекты (сельскохозяйственные, технологические, жилье, учреждения здравоохранения, культуры и т.д.)) нуждаются в определенном температурно-влажностном режиме. Поэтому изменения концентрации воды в воздухе являются весьма важными для нашей жизнедеятельности.
Концентрация паров воды зависит от многих факторов, в первую очередь от близости резервуаров воды, температуры и давления. В каком состоянии вещество (здесь вода) может находиться при данных давлении и температуре, а также какие фазовые переходы будут совершаться, описывается диаграммой состояния. Имеются три кривые: кп − кривая плавления (переход ТТ (твердое тело) –Ж (жидкость); ки кривая испарения (переход Ж (жидкость) − Г (газ); кс− кривая сублимации (переход ТТ–Г).
Все три кривые сходятся в тройной точке Т тр, в которой могут существовать все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. Значение температуры тройной точки: Ттр =0,01ºС. Выше критической точки К происходит слияние жидкой и газообразной фазы.
Согласно уравнения Клапейрона-Клаузиуса, производная от равновесного давления по температуре равна
где L − теплота плавления (испарения и т.д.), V2−V1 − изменение объема вещества при переходе из первого состояния во второе, T − температура перехода (процесс изотермический).
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса определяет наклон кривой равновесия. Например, для воды переход ТТ-Ж имеет обратный наклон, т.к. при кристаллизации воды его объем увеличивается.
Количество паров воды в воздухе может меняться как по абсолютной величине, так и по степени насыщения, что характеризуется абсолютной q и относительной r влажностью.
Абсолютная влажность – количество водяного пара, находящегося в 1м3 воздуха. Масса 1м3 сухого воздуха при 0˚С и при давлении 760 мм рт.ст. равна 1,293 кг. На основании уравнения идеального газа масса 1м3 воздуха при температуре t ˚C и при давлении P в мм рт.ст. будет:
(1)
где 
- коэффициент расширения идеального газа (воздуха).
Молекулярная масса Н2О равна 18 г/моль, в то время как средняя молекулярная масса воздуха 28,9 г/моль. Поэтому при одинаковых (парциальных!) давлении и температуре плотность водяного пара составляет 0,622 от плотности воздуха. Применяя к водяному пару уравнение Клапейрона (что справедливо лишь для паров, далеких от состояния насыщения), получим для массы 1м3 водяного пара:
(1a)
Пользуясь этим выражением, можно определить абсолютную влажность воздуха, если известно значение упругости паров воды р (т.е. парциальное давление паров воды). Из приложения 1 видно, что давление насыщающих паров Рн сравнивается с атмосферной только при температуре кипения, при температурах ниже быстро убывает.
При низких температурах вода в воздухе может находиться в виде мельчайших капель переохлажденной жидкости вплоть до −35…−40ºС, дальше только в виде ледяного тумана.
По таблице 1 и графику видно, что при невысоких температурах значения величины абсолютной влажности q малы и численно мало отличаются (!!!) от величины упругости водяного пара p. Для удобства (проще экспериментально определить давление) поэтому принято абсолютной влажностью называть упругость водяного пара p и выражать её в мм рт.ст. Относительная влажность определяется выражением:
(2)
где 
- упругость паров, насыщающих воздух при температуре t ˚.
Таким образом, относительная влажность характеризуется степенью насыщения воздуха водяным паром.
Определение влажности воздуха производится обычно с использованием табличных данных или методом определения точки росы или психрометром. (Точкой росы называется температура, до которой нужно охладить в специальном холодильнике данный забор воздуха (исследуемый образец) при атмосферном давлении, чтобы имеющийся в образце пар дошел до насыщения и началась конденсация).
Метод психрометра
Принадлежности: стандартный аспирационный психрометр, пипетка, баночка с водой, таблицы и номограммы.
Введение. Метод психрометра − достаточно простой и наиболее распространенный метод измерения влажности воздуха. Сущность его состоит в следующем: пусть два одинаковых термометра находятся в одинаковых потоках воздуха. Показания этих термометров, естественно, должны быть равны. Если же баллончик одного из термометров будет все время смочен, например, обернут мокрым батистом, показания термометров будут различными. Благодаря испарению воды с батиста так называемый «мокрый» термометр будет показывать температуру более низкую, чем сухой термометр. Чем меньше влажность окружающего воздуха, тем интенсивнее будет испарение и тем ниже будут показания мокрого термометра. Отсчеты по двум термометрам дают разность температур, которая характеризует влажность воздуха. При установившемся режиме испарения температура мокрого термометра показывает постоянное значение, при этом поступление тепла Q извне равно расходу тепла на испарение воды с поверхности термометра.
За единицу времени имеем:
(3)
где t − t 1 - разность температур сухого и мокрого термометров;
− поверхность баллончика мокрого термометра;
a – коэффициент пропорциональности.
По закону Дальтона испарение в единицу времени определяется выражением:
где М – масса испарившейся воды;
S2 − площадь испаряющей поверхности;
H – давление воздуха по барометру;
Pн − упругость насыщенного водяного пара при температуре испаряющейся жидкости.
P – упругость водяного пара, находящегося в воздухе;
с – коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости потока воздуха.
Количество тепла 
может быть записано в виде:
(4)
где L – теплота испарения воды.
При 
и 
получаем: 
Откуда 
(5)
Где 
- постоянная для применяемого прибора. Величина этой постоянной определяется в основном скоростью потока и находится экспериментально (здесь А = 0,001969 1/К).
