Лабораторная работа № 17 Ауд. 408

Определение влажности воздуха.

Цель работы:

1. Изучить явление испарения жидкостей; познакомиться с методами измерения абсолютной и относительной влажности воздуха.
2. Научиться определять абсолютную и относительную влажность воздуха при помощи психрометра.

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т 1. М. 1987г. § 121.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник для 10 кл. М. 1990г. §§ 15-17.
3. Шахмаев Н.М. и др. Физика. Учебник для 10 кл. М. 1992г. §§ 9-10
4. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Т.1 М.1981. Гл. 35, §§ 1,2, 3, 6.

Приборы и принадлежности:

1. Психрометр аспирационный МВ-4М (психрометр Ассмана).
2. Стакан с водой.
3. Пипетка.
4. 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 ρ_н 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 ρ_н от температуры является нелинейной (см. рис.1.).

С ростом температуры ρ_н увеличивается гораздо быстрее, чем давление идеального газа (прерывистая линия на рис.1). Это связано с тем, что ρ_н 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 p_H.

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 = ρ_н- 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 CaCl_2, 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 ρ_н 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×R_min=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= ρ_н - .

Скорость вращения вентилятора постоянна, поэтому остается постоянной и скорость потока воздуха. Следовательно, величина

А= .

Из последних формул следует: ρ= ρ_н-А ρ₀(t₁- t₂),

откуда

Величина А называется постоянной психрометра.

4. Порядок выполнения работы

1. Подготовить психрометр Ассмана к работе: смочить водой обернутой батистом резервуар правого – «влажного» - термометра и завести пружину механизма аспиратора.
2. 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.
3. Для каждого опыта подсчитать разность температур t₁ - t₂ и по таблице 2 найти относительную влажность воздуха r.
4. По таблице 3 найти давление насыщенного пара p при температуре t₁ и рассчитать упругость водяных паров в лаборатории p.
5. Рассчитать дефицит влажности D. По лабораторному барометру определить атмосферное давление и рассчитать постоянную психрометра А.
6. Результаты расчетов занести в таблицу 1. Оценить погрешность.

Контрольные вопросы

1. Объясните явление испарения жидкостей и его основные закономерности с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
2. Какую величину называют удельной теплотой парообразования?
3. Какой пар называют насыщенным? Объясните, почему давление насыщенного пара не зависит от объема, в котором он находится?
4. изобразите на графике примерный вид зависимости давления насыщенного пара от температуры. Почему с ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем давление идеального газа?
5. Какой пар называют ненасыщенным? Какими способами ненасыщенный пар можно перевести в состояние насыщения?
6. Дайте определения абсолютной и относительной влажности воздуха. Как связаны между собой плотность и упругость водяного пара?
7. Что такое точка росы? Как, зная точку росы, определить абсолютную и относительную влажность воздуха?
8. Опишите принцип действия известных вам приборов для определения влажности возждуха.
9. Расскажите об устройстве аспирационного психрометра Ассмана. Получите формулу, связывающую разность показаний «сухого» и «влажного» термометров с относительной влажностью воздуха.
10. 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