Определение влажности воздуха при помощи психрометра

Вследствие происходящего в природе испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений атмосферный воздух, особенно в ближай­ших к Земле слоях, содержит водяной пар. Это называется влажностью воздуха.

Содержание водяного пара в воздухе характеризуется двумя величинами: абсо­лютной и относительной влажностью.

Абсолютной влажностью f называют массу водяного пара, содержащегося при данных условиях в единице объема воздуха, и выражают на практике в граммах на ку­бический метр (г/м³), т.е. в несистемных единицах.

Можно характеризовать абсолютную влажность иначе, указывая парциальное давление р водяного пара, содержащегося в воздухе, часто называемого упругостью пара и обычно выражаемого в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Ввиду того, что водяной пар хорошо подчиняется газовым законам (Бойля-Мариотта и Гей-Люссака) даже вблизи состояния насыщения, можно считать плотность водяного пара пропорциональной его упругости.

Максимальной влажностью f_m называют массу водяного пара в граммах, насы­щающего 1 м³ воздуха при данной температуре, или соответственно парциальное давле­ние р_m насыщающего пара при данной температуре.

Относительная влажность В измеряется отношением абсолютной влажности f к максимальной f_m и выражается в процентах:

(1) или через парциальные давления: (l ').

Ощущение сухости или сырости воздуха связано не с абсолютной влажностью, а с относительной, т.е. с тем, насколько водяной пар близок к состоянию насыщения.

Влажность воздуха имеет большое значение для жизнедеятельности организма, так как в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с его поверхности. Скорость испарения воды (пота) с поверхности кожи, например, зависит от относитель­ной влажности воздуха. Испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от аб­солютной влажности воздуха, так как из легких выдувается воздух, почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха. Нормальным для жизни человека считается атмосферный воздух с относительной влаж­ностью от 40 до 60%.

Влажность воздуха измеряется гигрометрами и психрометрами. Интенсивно раз­виваются дистанционные методы определения влажности воздуха лазерными и радио­метрическими приборами.

Наиболее распространенным прибором для измерения влажности воздуха являет­ся психрометр. В психрометре (с греческого «психрос» – холод) имеется два одинако­вых термометра, укрепленных на общем штативе (рис.1).

Резервуар правого термометра обернут гигроскопической тканью, конец которой опу­щен в сосуд с водой. Вследствие капиллярности вода поднимается по ткани и, испаряясь на по­верхности шарика, охлаждает его. Показания влажного термометра снижаются по сравнению с сухим. Это снижение зависит от скорости ис­парения воды, которая в первую очередь обу­словлена относительной влажностью окру­жающего воздуха (чем ниже относительная влажность, тем выше скорость испарения). Скорость испарения воды зависит также от скорости движения воздуха около прибора, температуры воды и барометрического давления. Все эти факторы учитываются психрометрической формулой Реньо, пользуясь которой можно определить парциальное давление паров в воздухе, окружающем прибор, или его абсо­лютную влажность:

,

где p_m – упругость насыщающих паров при температуре t₁ влажного термометра; k – психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции прибора и очень сильно от скорости движения воздуха; t – температура сухого термометра; Н – барометриче­ское давление.

Выше был описан психрометр Августа, который на метеостанциях помещается в специальной будке. Для него k = 0,0007947 град^-1.

Лучшим прибором, удобным в экспедиционных условиях, является аспирационный психрометр Ассмана (рис.2).

Он состоит из двух никелированных трубок для защиты от нагревания лучистой энергией сухого и смо­ченного термометров, помещенных внутри трубок. Сквозь трубки при помощи особого вентилятора, поме­щенного в верхней части прибора, просасывается с опре­деленной скоростью струя воздуха.

Порядок выполнения работы

Для определения относительной влажности при помощи психрометрической таблицы (см. Приложения 4, 5) необходимо найти в горизонтальном ряду цифр таблицы цифру, дающую разность температур сухого и влажного термометров, и цифру, дающую температуру сухого термометра в вертикальном ряду цифр. Относи­тельная влажность находится по положению точек пере­сечения двух прямых – вертикальной, идущей от цифры, дающей разность показаний сухого и влажного термомет­ров, и горизонтальной, дающей показание сухого термо­метра.

Пример. Показание сухого термометра +22°С, а влажного – +20°С. На пересечении горизонтальной пря­мой, идущей от цифры «22», и вертикальной прямой, идущей от цифры «2», находим точку, соответствующую относительной влажности воздуха равной 83%.

Умножая относительную влажность на упругость насыщенных паров воды при температуре опыта (показание сухого термометра) (см. Приложение 6), находим абсолютную влажность.

Для определения относительной и абсолютной влажности психрометром Ассмана поступают следующим образом:

1. Смачивают водой ткань на резервуаре влажного термометра при помощи пипетки.

2. Заводят вентилятор, плавно поворачивая головку завода, или включают электромотор психрометра в электросеть (в зависимости от типа).

3. Через 4 минуты после включения производят отсчет по сухому и влажному термо­метрам.

4. Результаты измерений заносят в таблицу.

Отсчет по влажному термометру	Отсчет по сухому термометру	Упругость насыщенных паров при тем­пературе опыта	Относительная влажность комнатного воздуха	Абсолютная влажность комнатного воздуха

5. По результатам измерений и таблицам рассчитать психрометрический коэффициент k.

Контрольные вопросы

1. Что называется абсолютной и относительной влажностью?

2. Устройство и принцип действия психрометра Ассмана.

3. Как можно определить абсолютную и относительную влажность?

4. Какое значение имеет влажность воздуха для жизнедеятельности организма челове­ка, животных и растений?

Литература

1. Ливенцева Н.М. Курс физики. – М., 1974. – § 55.

2. Грабовский Р.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1980. – § 68.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: овладеть методом определения поверхностного натяжения жидкости, исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения раствора от его концентрации, изучить действие поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение.

Силы поверхностного натяжения жидкости играют важную роль во многих физических, химических и биологических процессах. В работе будут экспериментально исследованы некоторые параметры, от которых зависит поверхностное натяжение (температура, концентрация раствора, действие поверхностно-активных веществ), и изучен один из основных методов определения поверхностного натяжения: метод отрыва.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения s, который численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

. (1)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца.

Приборы и принадлежности: торсионные весы, штангенциркуль, кольцо на подвесе, комнатный термометр, сосуд с дистиллированной водой.

1. Изучить устройство торсионных весов и правила взвешивания на них (см. паспорт прибора).

2. Измерить внутренний d₁ и внешний d₂ диаметры кольца (рис.1).

3. Подведем к этому кольцу (рис.1) чашку с дистиллированной водой и будем плавно тянуть пружину с кольцом вверх. (Перед соприкосновением кольца с жидкостью его нужно тщательно промыть спиртом; во время работы ту часть кольца, которая будет соприкасаться с водой, стараться не брать пальцами). Жидкость, сцепившись с кольцом в результате его смачивания, будет удерживать кольцо, пока сила упругости пружины не превысит силу поверхностного натяжения. Пружина разрывает поверхностный слой. При этом разрывающее усилие будет равно силе поверхностного натяжения [см. (1)], приложенной к внешнему и внутреннему контурам кольца. В этой формуле сила F измеряется торсионными весами. Длина контура

,

где d₁ и d₂ – диаметры внешнего и внутреннего колец. Так как кольцо очень

тонкое, то можно брать средний диаметр кольца, и тогда длина контура

. (2)

Из формул (1) и (2) коэффициент поверхностного натяжения

. (3)

4. Измерение повторяют четыре раза, причем запись ведут со второго отсчета, чтобы скомпенсировать вес частиц жидкости, прилипших к кольцу.

5. По формуле (3) подсчитывают s, взяв среднее значение силы F.

6. Измерить температуру, при которой определялась F.

7. Сравните полученный результат с табличным.

Рис. 1

Поверхностное натяжение воды в интервале температур 0–31 ^оС

t оС	s, Н/м	t оС	s, Н/м	t оС	s, Н/м	t оС	s, Н/м
	0,07549		0,07430		0,07311		0,07193
	0,07535		0,07415		0,07295		0,07178
	0,07520		0,07401		0,07282		0,07163
	0,07505		0,07385		0,07265		0,07148
	0,07490		0,07370		0,07252		0,07133
	0,07475		0,07355		0,07235		0,07118
	0,07460		0,07341		0,07222		0,07103
	0,07445		0,07325		0,07208		0,07088

Задание 2. Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры.

Дополнительное оборудование: нагреватель, лабораторный термометр, исследуемая жидкость (можно использовать биологические жидкости).

1. Нагреть жидкость до 80–90 ^оС.

2. Измерить силу отрыва кольца несколько раз по мере охлаждения жидкости (интервалы температур между отсчетами не должны превышать 10 К).

3. Рассчитать поверхностное натяжение s для каждого значения температуры t_i.

4. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

t, оС
s, Н/м

5. Изобразить графически зависимость s = f(t).

6. По графику (по отклонению точек от экспериментальной кривой) найти, какие измерения были проведены наиболее и наименее точно.

7. Проанализируйте и сформулируйте результат эксперимента.

Задание 3. Исследование зависимости поверхностного натяжения раствора от его концентрации.

Дополнительное оборудование: технические весы, бюретка, дистиллированная вода, сосуды, вещество для приготовления растворов.

1. Приготовить растворы различных концентраций: 10, 20, 30%… (Для приготовления, например, 10%-ного раствора необходимо в 90 г дистиллированной воды растворить 10 г вещества).

2. Измерить силу отрыва F кольца от поверхности приготовленного раствора.

3. Рассчитать s для всех приготовленных растворов.

4. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

С, %
s, Н/м

5. Полученную зависимость s = f(C) изобразить графически.

6. По графику (по отклонению точек от экспериментальной кривой) определить, какие измерения были проведены наиболее и наименее точно.

7. Проанализируйте полученный результат и сформулируйте результат эксперимента.

Задание 4. Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от действия поверхностно-активных веществ.

Дополнительное оборудование: поверхностно-активное вещество (например, мыльный раствор воды и др.).

1. Измерьте силу отрыва F кольца от поверхности данной жидкости (воды).

2. На поверхность жидкости введите поверхностно-активное вещество (например, несколько капель мыльного раствора). Определите силу отрыва F^/ кольца в этом случае.

3. Проанализируйте полученный результат и сформулируйте результат эксперимента.

Контрольные вопросы

1. Какова природа сил поверхностного натяжения?

2. Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения.

3. Энергия поверхностного натяжения.

4. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

5. Смачивающие и несмачивающие жидкости.

6. Поверхностно-активные вещества.

7. Устройство торсионных весов.

Литература

1. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М., 1978. – Т.1, § 13, 14.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 9.7, 9.8.

Лабораторная работа № 9

ЗНАКОМСТВО С ОСНОВНЫМИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ