II. Психрометрический метод
Вопросы, знание которых обязательно для допуска
К выполнению работы
1. В каких агрегатных состояниях может существовать вещество?
2. Что такое фазовые переходы и чем они определяются?
3. Какой пар называется насыщенным (ненасыщенным)? Каковы свойства насыщенных паров?
4. Что называется точкой росы?
5. Что называется относительной и абсолютной влажностью воздуха?
6. Как изменяется относительная и абсолютная влажность при нагревании воздуха? При его охлаждении? При выделении росы?
7. Какие способы определения влажности воздуха вам известны?
В в е д е н и е
Атмосферный воздух всегда содержит водяные пары, образующиеся при непрерывном испарении воды со всех водоемов, с растительного покрова и при выдыхании.
|
Равновесие жидкости и пара наступает тогда, когда число молекул, покидающих жидкость, будет равно числу молекул, переходящих за тот же промежуток времени из пара в жидкость. Очевидно, что плотность и давление ненасыщенных паров при данной температуре всегда меньше соответствующих величин для насыщенного пара.
|
На рис. 2 показана зависимость плотности жидкости (кривая АА') и плотности находящегося в равновесии с ней насыщенного пара (кривая ВA') от температуры.
Кривые АА' в BB' сходятся при Тк. При критической температуре становятся равными нулю теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения. Давление насыщенного пара увеличивается с повышением температуры, однако не может быть больше критического (Рк) (рис. 1). Зависимость давления насыщенного пара от температуры дана на рис. 3. Кривая заканчивается в критической точке, так как при температурах выше критической понятие насыщенного пара теряет смысл.
Количество водяного пара в воздухе зависит от разных факторов (географического расположения данного места, времени года, времени дня и т.п.). Слишком сухой, как и слишком влажный воздух, неблагоприятен для жизни людей и животных. Прогноз погоды невозможен без знания влажности. Для количественной характеристики влажности воздуха введены специальные величины:
|
Масса водяного пара, насыщающего 1 м3 воздуха (rН), и соответствующее парциальное давление при некоторых температурах приведены в таблице 1.
Таблица 1
t, °С | rН, г/м3 | РН, Па | t, °С | rН, г/м3 | РН, Па |
-30 | 0,33 | 37,4 | 15,4 | ||
-15 | 1,38 | 16,3 | |||
- 4 | 3,51 | 17,3 | |||
4,84 | 18,3 | ||||
6,84 | 19,4 | ||||
9,4 | 20,6 | ||||
18,8 | 21,8 | ||||
13,6 | 23,0 | ||||
14,5 | 30,3 |
|
. (1)
Относительную влажность воздуха можно выразить и через парциальные давления (упругость):
, (2)
где РН - парциальное давление насыщенного пара, Р - парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре.
Из уравнений (1) и (2) видно, что относительная влажность воздуха является той величиной, которая дает представление о степени насыщения воздуха водяным паром. Если, например, говорят, что относительная влажность воздуха составляет 55%, то это значит, что в данных условиях в воздухе содержится 55% того количества водяного пара, которое необходимо для его насыщения при данной температуре.
Гигиеническое значение влажности воздуха заключается в основном в ее влиянии на теплообмен организма человека с окружающей средой. Влажный воздух обладает повышенной теплопроводностью, поэтому при низкой температуре (ниже +10°С) он способствует интенсивной теплоотдаче организма, вызывает ощущение холода и часто способствует возникновению простудных заболеваний. Наоборот, при повышенной температуре влажный воздух затрудняет теплоотдачу организма, так как наличие в воздухе водяного пара препятствует испарению пота с поверхности тела (при испарении 1 г пота организм человека теряет около 2430 Дж). В теплом влажном воздухе пот, хотя и выделяется в значительных количествах, но в отсутствие движения воздуха с поверхности тела испаряется плохо. Поэтому в теплом неподвижном влажном воздухе легко наступает перегрев организма, наблюдается плохое самочувствие, ощущение духоты, изнеможения.
|
При температуре воздуха от 15 до 25% С изменения относительной влажности воздуха в пределах от 30 до 60% не оказывают заметного влияния на теплообмен между внешней средой и организмом человека, поэтому эти показатели принимаются как гигиеническая норма влажности воздуха для помещений с нормируемой температурой.
При температуре воздуха, превышающей 25°С, благотворное влияние на теплообмен организма человека оказывает относительная влажность воздуха порядка 20%, так как при этой влажности воздуха создаются необходимые условия для интенсивного испарения пота.
Приборы, которыми пользуются для определения влажности воздуха, - гигрометры и психрометры - бывают разнообразных типов. Большое разнообразие приборов объясняется тем, что для определения влажности воздуха разработано несколько методов, по существу отличных друг от друга. В работе будут рассмотрены следующие изних: а) метод точки росы, б) психрометрический метод, в) метод волосного гигрометра.
I. Метод точки росы
|
P = PP.
При дальнейшем охлаждении воздуха будет наблюдаться конденсация водяного пара, который в виде мелких капель росы будет осаждаться на поверхности окружающих тел.
Температура tP, при которой наблюдается появление первых признаков росы, называется точкой росы. Воздух, охлажденный до точки росы, содержит водяной пар, находящийся в состоянии насыщения.
Если вначале, до охлаждения, температура атмосферного воздуха была равна t, а при его охлаждении точка росы оказалась равной tp, то из таблицы зависимости парциального давления (упругости) насыщенного водяного пара от температуры (таблица 1) можно найти:
а) парциальное давление РP водяного пара, насыщенного при температуре точки росы, равное, как было указано, парциальному давлению водяного пара, содержащегося в атмосферном воздухе;
б) парциальное давление (РН) водяного пара, насыщенного при температуре атмосферного воздуха t (до его охлаждения).
На основании этих данных можно определить относительную влажность атмосферного воздуха при температуре t, которая будет равна:
. (3)
|
Порядок выполнения работы
1. Протереть мягкой тряпочкой поверхность коробки гигрометра.
|
3. Медленно продуть воздух через эфир при помощи резиновой груши, наблюдая температуру t1, при которой поверхность начинает запотевать (появляется роса).
4. Прекратить продувание воздуха и заметить температуру, при которой роса полностью исчезает (t2). Такого рода наблюдения произвести не менее 5 раз, стараясь возможно точнее отметить температуры появления и исчезновения росы. За точку росы принять среднюю температуру tср = (t1+t2)/2. (При работе вдвоем один должен следить за появлением и исчезновением росы, другой - наблюдать за показаниями термометра).
5. Определить температуру воздуха в комнате – t3 при помощи другого термометра.
6. Определить по таблице значения парциальных давлений Рр и РН водяных паров, насыщающих пространство при температуре точки росы и при комнатной температуре.
|
Таблица 2
№ п/п | t1, oС | t2, oС | tср, oС | Dtср, oС | t3, oС | Dt3, oС | РP, Па | DPP, Па | r, % |
Среднее значение |
Относительная погрешность в определении r при помощи гигрометра Ламбрехта выражается формулой
, (4)
где DPP и DPH - абсолютные погрешности в определении парциальных давлений насыщенных паров воды при точке росы и при комнатной температуре.
Чтобы вычислить (DPP и DPH), надо найти tср и t3. Затем по таблице 1 опpeдeлить, насколько изменится РP(ср) и РН (ср), если от температуры tcp и t3 перейти к температурам tcp + Dtср и t3 +Dt3. Найденные таким образом величины DРр и DРн подставляются в формулу (4) для определения Еr.
II. Психрометрический метод
Психрометрический метод определения влажности воздуха основан на имеющейся зависимости между скоростью испарения воды и влажностью окружающего воздуха. Практическое осуществление данного метода заключается в следующем.
Берется обычный термометр, резервуар которого обертывается кусочком батиста. Батист смачивается водой. Благодаря хорошей гигроскопичности батиста вся его поверхность становится увлажненной. Этим достигается то, что с поверхности резервуара термометра будет происходить непрерывное испарение воды.
|
По формулe Дальтона масса М воды, испаряющейся в течение 1 секунды с поверхности резервуара термометра, будет равна
, (5)
где S - площадь испаряющей поверхности, Р¢H - упругость насыщающего водяного пара при температуре испаряющейся жидкости (т.е. температуре t1),P - упругость водяного пара, содержащегося в воздухе, Н - величина атмосферного давления, К - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от скорости движения воздуха вблизи резервуара термометра.
Отсюда видно, что количество тепла Q1, теряемого резервуаром термометра за единицу времени, будет равно
, (6)
где l - удельная теплота испарения воды.
С другой стороны, благодаря возникшей разности температур между резервуаром термометра и окружающей его средой, к резервуару термометра будет поступать количество тепла Q2, которое можно подсчитать по формуле Ньютона:
, (7)
где t - температура окружающей среды,t1- температура резервуара термометра, S - площадь охлажденной поверхности термометра, b - коэффициент пропорциональности.
В условиях установившегося температурного режима приход тепла к резервуару термометра будет равен расходу тепла на испарение, т.е. Q2 = Q1. Отсюда
. (8)
|
P = P¢H – a×(t–t1)×H. (9)
Формула (9) носит название психрометрической формулы Реньо.
Подставляя найденное выражение для P в формулу (2), мы находим
r = [P¢H – a×(t–t1)×H]×100%. (10)
Простейшим психрометром является психрометр Августа, который состоит из двух совершенно одинаковых термометров – "сухого" и "влажного", укрепленных на одной дощечке. Резервуар "влажного" термометра обернут кусочком батиста, кончик которого погружен в воду. Если известна величина психрометрического коэффициента a, то определение влажности воздуха сводится к измерению температуры "сухого" термометра - t, температуры "влажного" термометра - t1 и величины атмосферного давления Н. Величины Р¢H и РH могут быть найдены из таблицы зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры.
|
Поэтому практическое применение психрометра Августа ограничивается тем, что им пользуются только для
Таблица 3
Скорость движения воздуха V, (м/с) | Психрометрический коэффициент a, (град-1) |
0,13 | 0,00130 |
0,25 | 0,00110 |
0,50 | 0,00089 |
0,75 | 0,00081 |
1,00 | 0,00078 |
2,00 | 0,00071 |
3,00 | 0,00068 |
4,00 | 0,00067 |
|
Более совершенным психрометром является аспирационный психрометр Ассмана (рис. 5). Аспирационный психрометр отличается от психрометра Августа тем, что резервуары его термометров помещены в защитные металлические трубки, через них с постоянной скоростью проходит воздух, который засасывается в прибор с помощью аспирационного вентилятора, приводимого в движение часовым механизмом. Блестящая поверхность трубок предохраняет термометры и от нагревания солнцем, и от излучения окружающих тел.
Величина психрометрического коэффициента для психрометра Ассмана имеет значение a = 0,00066 при любых условиях наблюдения. Данное значение несколько отличается от того, которое мы имеем для психрометра Августа при той же скорости движения воздуха (2 м/с), это объясняется тем, что в психрометре Ассмана имеют место иные условия обтекания воздухом резервуара "влажного" термометра, чем в психрометре Августа.
|
Порядок выполнения работы
1. Наполнить специальную пипетку дистиллированной водой до метки.
2. Смочить матерчатую оболочку "влажного" термометра.
3. Завести часовой механизм вентилятора. Через 4 минуты после пуска вентилятора произвести отсчет температур "сухого" - t и "влажного" - t1 термометров.
4. По анероиду определить величину атмосферного давления.
5. С помощью таблицы зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры найти величину РН и Р'Н -упругость насыщенного водяного пара для температур t и t1 ("сухого" и "влажного" термометров).
6. По формуле Реньо (9) вычислить упругость Р водяного пара, содержащегося в атмосфере.
7. По формуле (10) определить величину относительной влажности воздуха.
8. Пользуясь психрометрической таблицей для аспирационного психрометра Ассмана, найти величину относительной влажности воздуха. Относительная влажность воздуха по этой номограмме определяется как точка пересечения вертикальных прямых (температура "сухого" термометра) и наклонных прямых (температура "влажного" термометра).
|
Таблица 4
№ п/п | t, oC | Dt, oC | t1, oC | Dt1, oC | РH, Па | Р¢H, Па | Н, Па | DН, Па |
Cреднее значение |
Подсчитать Еr вычисленного значения r по формуле (10)[1]. Сравнить значение r' , рассчитанное по формуле (10) и определенное по психрометрическим таблицам.