Определение влажности воздуха.

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: Т_тр =0, 01º С. 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 Р_н 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…− 40º С, 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).