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 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 н от температуры является нелинейной (см. рис.1.).

 

 

 

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

 

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 = н- .

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 CaCl2, 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 н , от скорости движения воздуха V, от площади поверхности батиста S и атмосферного давления 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), §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×Rmin=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

 

= н - .

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

 

А= .

 

Из последних формул следует: = н-А 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

 

№ п/п t1 0C t2 0C t1-t2 r,% PH, мм.рт.ст. P, мм.рт.ст. А град-1 А град-1 А%
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