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 ρ ₀:

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),

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 ρ ₀(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

Таблица №2.

Психрометрическая таблица относительной влажности воздуха.

Таблица №3

Давление насыщенного водяного пара при разных температурах.