Антропометрия термодинамических параметров

Цель работы

Измерение температуры, влажности, точки росы, давления и высоты.

Приборы и принадлежности

Термогигрометр GFTH-200: измерение температуры, влажности, точки росы.

Универсальный прибор GTD-1100: измерение температуры, давления, высоты.

Мультифункциональный прибор 4 в 1: измерение влажности и температуры.

Введение

Давление [1]

Давлением называется физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности в направлении нормали к этой поверхности:

.

Единицами измерения давления являются: в СИ паскали (Па), широко распространёнными внесистемными мм рт. ст., атмосферы (атм), бары и торы. Связь между ними следующая:

760 мм рт. ст.=10⁵ Па=1 атм (физическая атмосфера или ф.а.);

1 техническая атмосфера (т.а.)= Па;

1 мм рт. ст.= 133,322 Па;

1 бар= Па;

1 торр= 1 мм рт. ст.= 133,322 Па

Зависимость давления от высоты (барометрическая формула Больцмана) [1]

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газа ( ) предполагалось, что на молекулы газа не действуют никакие внешние силы. Фактически молекулы всегда находятся в поле силы тяжести Земли. Если бы теплового движения не было, то все молекулы бы упали на Землю, и мы бы лишились атмосферы. А если бы не было поля тяготения, то молекулы бы равномерно (рано или поздно) рассеялись бы по всей Вселенной и мы все равно бы лишились атмосферы.

Рассмотрим закон, которому подчиняется изменение давления газа (а значит и концентрация молекул) с высотой.

Гидростатическое давление определяется по формуле Паскаля:

.

Газы легко сжимаемы, плотность газа зависит от давления газа, поэтому формулой Паскаля можно пользоваться только для вычисления давления тонких горизонтальных слоев газа, в которых плотность можно считать одинаковой.

Если на высоте от условного горизонтального уровня давление газа равно , то с увеличением высоты на давление газа понизится на , причём

. (1)

Из практики известно, что давление уменьшается с высотой, поэтому в формуле стоит знак «-».

Выразим плотность из уравнения Менделеева-Клапейрона и подставим в уравнение (1):

.

Дальнейшее зависит от того, учитывать ли зависимость от высоты температура газа и ускорения свободного падения. Если считать, что и , т.е. температура и ускорение свободного падения не зависят от высоты, то

(2).

Здесь - давление на высоте , а – давление на высоте .

Полученный результат (2) носит название барометрической формулы Больцмана.

Можно записать отсюда и зависимость концентрации газа от высоты над уровнем земли, учитывая, что :

.

Здесь - концентрация молекул на высоте , а - концентрация молекул на высоте .

Во многих случаях удобно принять .

Если приходится учитывать зависимости от высоты ускорения свободного падения тела, температуры или химического состава воздуха (молярной массы), то формула становится значительно сложнее.

Температура [2]

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Для измерения температуры используются функциональные зависимости физических свойств тел от степени нагревания или охлаждения тел, например длины, объема, плотности, упругости и т.д.

Девятой генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году была принята для практического употребления Международная стоградусная шкала температур. В шкале Цельсия за 0 градусов принята температура тающего льда при нормальном давлении, а за 100 градусов принята температура кипящей воды при нормальном давлении.

В 1954 году Десятая генеральная конференция по мерам и весам установила абсолютную термодинамическую температурную шкалу, единицей измерения в которой является градус Кельвина.

Температура вводится как мера средней кинетической энергии молекулы идеального газа следующим образом[*]:

,

где - постоянная Больцмана (мировая константа).

Широко используются и национальные шкалы: шкала Реомюра и Фаренгейта. Связь между шкалами Цельсия, Кельвина, Реомюра и Фаренгейта линейные:

Влажность [3]

Воздух – вещество в агрегатном состоянии газа сложного химического состава. В том числе в воздухе содержится вода в виде пара. Главным источником его является испарение с поверхностей морей, океанов, водоёмов, влажной почвы и т.п. Образовавшийся водяной пар переносится вверх турбулентностью и конвекцией, а по горизонтали – ветром. Под влиянием различных процессов водяной пар конденсируется, образуя туманы, облака, осадки и наземные гидрометеоры: росу, иней и т.д. Содержание водяного пара в воздухе измеряется гигрометрами и психрометрами. Интенсивно развиваются дистанционные методы определения водяного пара лазерными и радиометрическими приборами.

Количественной характеристикой содержания водяного пара в воздухе являются абсолютная и относительная влажности. Абсолютная влажность – физическая величина, равная массе водяного пара в единице объёма:

, .

Обозначение такое же, как для плотности вещества, поскольку по смыслу и размерности влажность совпадает с плотностью паров воды. Иногда абсолютную (и относительную) влажность обозначают от английского слова humidity – влажность.

Относительная влажность – это физическая величина, равная отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

, %.

Можно показать, что относительная влажность может быть выражена и через парциальное давление воды в виде пара, растворённого в воздухе, к давлению, соответствующему максимальной влажности при данной температуре. Последнее давление называется давление насыщенного пара[†]:

, %.

Относительная влажность является безразмерной величиной. Традиционно значения относительной влажности указываются в процентах.

В атмосфере в среднем содержится водяного пара, т.е. сконденсировавшись, он мог бы образовать «слой осаждённой воды» толщиной 2,4 см по всей поверхности Земли. Количество растворённого пара быстро убывает с понижением температуры. Поэтому для атмосферы типично уменьшение количества водяного пара от экватора к полюсам и очень быстрое уменьшение по мере увеличения высоты над Землёй.

Вода в атмосфере может находиться в состоянии пара, воды и твёрдом состоянии (льдинки). Фазовые переходы воды сопровождаются поглощением или выделением тепла, поэтому они играют огромную роль в энергетике и термодинамике атмосферы. Поскольку водяной пар имеет в инфракрасной части спектра несколько полос поглощения, водяной пар сильно влияет на интегральный тепловой баланс атмосферы. Наиболее сильные полосы поглощения находятся в диапазоне длин волн 5б5-7б0 мкм и примерно 17 мкм. Поиск внеземных цивилизаций земного типа включает в себя исследование атмосфер небесных тел. Похожие формы жизни могут развиться в одинаковых природных условиях. Именно наличие воды на планете и содержание паров воды в атмосфере планеты, позволяет сделать прогнозы относительно возможности обнаружения на планете жизненных форм. Если спектры поглощения атмосферы планеты близки к спектрам поглощения атмосферы Земли, то можно ожидать наличие жизненных форм, схожих с земными.

Точка росы [4]

В метеорологии водяной пар часто характеризуют температурой точки росы – температурой, при которой воздух, если его изобарически охладить, становится насыщенным водяным паром (при данной влажности воздуха). При достижении точки росы на предметах, с которыми соприкасается воздух, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности 100% точка росы совпадает с температурой воздуха. При относительной влажности менее 100% точка росы всегда ниже фактической температуры воздуха.

Таблица 1

Значения точек росы при температуре воздуха 15⁰С и при разных влажностях воздуха

Относительная влажность, %	Точка росы, 0С
	15,0
	11,6
	7,3
	1,5

Описания приборов

Приборы, используемые для измерений в данной работе, относятся к портативным. Сегодня подобные приборы получили широкое распространение: техногенная среда, в которой постоянно живёт современный человек, оказывается более агрессивной по отношению к нему, а в некоторых случая и не безопасной. Это требует постоянного контроля жизненно важных параметров, к которым относятся в первую очередь температура, влажность, давление. На производстве постоянный мониторинг условий работы осуществляется в силу производственной необходимости и безопасности самого производства для работающих людей. В бытовых ситуациях человек должен сам принимать решение о необходимости контроля параметров среды обитания и реализации такого контроля. Здесь наиболее пригодными оказываются именно портативные приборы, точность которых достаточна для осуществления предварительного измерения параметров, и использование которых практично в силу небольших размеров и простоты управления. Портативные приборы можно взять с собой в поездку, они не занимают много места, а также использовать при покупке продуктов (например, индивидуальный дозиметр).

Термогигрометр GFTH 200

Термогигрометр позволяет провести измерения температуры, влажности, точки росы. Пределы измерений приведены в таблице 1.

Фотография внешней панели прибора приведена на рисунке 1.

Таблица 2

Пределы измерений термогигрометра GFTH 200 (спецификация прибора)

№	Измеряемый параметр	Пределы измерений
	Температура
	Влажность относительная
	Точка росы	Измерения в стандартном режиме
	Температура по влажному термометру

Для фиксации температуры используется датчик Pt1000.

Для измерения влажности используется ёмкостной полимерный датчик.

Для измерения параметров вне помещений (оператор остаётся внутри помещения) или в трудно доступных местах используется выносной шнур.

Результаты измерений отображаются на жидкокристаллическом дисплее (высота 13 мм).

На передней панели прибора расположены три клавиши (кнопки):

Включить/выключить (ON/OFF). Клавиша on/off.

Минимальный/максимальный результат измерений может быть вызван на экран дисплея (min/max-value display). Клавиша mode.

Переключатель для выбора диапазона измерений (Hold Slide switch for selection of measuring range). Клавиша hold.

Справа сбоку расположена клавиша переключения режима измерений:

в крайнем верхнем положении проводится измерение температуры,

в среднем положении проводится измерение влажности;

в крайнем нижнем положении проводится измерение точки росы.

Таблица 3

Шаг и точность измерений

№	Измеряемый параметр	Разрешение	Приборная погрешность
	Температура		Внутри помещений: от величины измерения ; вне помещений:
	Влажность относительная
	Точка росы
	Температура по влажному термометру

Питание осуществляется от батарейки 9 вольт типа JEC 6F22.

Потребляемая мощность:

900 мкВт (ток 100 мкА) при одном измерении в быстром режиме;

495 мкВт (ток 55 мкА) при измерении в течение 2 с;

180 мкВт (ток 20 мкА) при измерении в течение 10 с;

81 мкВт (ток 9 мкА) при измерении в течение 60 с.

На индикаторе отображается сигнал, если необходимо сменить батарею.

Прибор предоставляет возможность автоматического отключения (режим энергосохранения). Для этого необходимо активировать соответствующую функцию (Auto Off Function). При этом можно выбрать время, после которого прибор отключится автоматически, если измерения не проводятся. Время отключения может быть выбрано от 1 до 120 минут.

Высота ширина толщина прибора: 106 67 30 мм.

Высота внешнего датчика 35 мм, диаметр 14 мм. Таким образом, полная длина прибора 141 мм.

Вес с батарейкой примерно 135 г.

Прибор отвечает условиям техники безопасности, установленными нормативами (89/336/EWG) …

Внимание!

Если прибор попадает в резко изменившиеся условия (температура и влажность), то необходима адаптация в течение 10 минут. Следите за тем, чтобы условия проведения измерений соответствовали спецификации прибора.

Пожалуйста, не пытайтесь использовать прибор не по назначению.

Изначально прибор находится в режиме самоотключения через 60 минут. Но при работе с прибором эта функция может оказаться изменённой или отключённой. Поэтому проследите, чтобы после окончания измерений прибор остался выключенным.

Работа с данным прибором начинается с измерения температуры (упражнение 1). Поставьте клавишу на правой стороне прибора в необходимое положение: крайнее верхнее для измерения температуры. Нажмите клавишу on/off. Прибор включится, и измерение будет произведено автоматически. Процесс измерения занимает несколько секунд. Результат каждого последующего измерения индицируется на экране дисплея. При появлении на экране прибора значения температуры занесите это данное в таблицу 6.

В упражнении 2 проводят измерения влажности. Поставьте клавишу на правой стороне прибора в среднее положение для измерения относительной влажности. Нажмите клавишу on/off. Прибор включится, и измерение будет произведено автоматически. Процесс измерения занимает несколько секунд. Результат каждого последующего измерения индицируется на экране дисплея. При появлении на экране прибора значения относительной влажности занесите это данное в таблицу 5.