Лабораторная работа № 11. (молекулярная физика и термодинамика) Определение влажности воздуха.

Цель работы:определение абсолютной и относительной влажности воздуха с помощью аспирационного психрометра.

Оборудование: аспирационный психрометр, барометр, бытовой психрометр.

Краткая теория.

В жидкости при любой температуре присутствует некоторое количество молекул (атомов), кинетическая энергия которых может превысить потенциальную энергию взаимодействия с остальными частицами, такие молекулы (атомы) могут покинуть пределы жидкости, "прорвав" поверхностную "пленку" жидкости.

Испарение - процесс парообразования с открытой поверхности жидкости. Температура испаряющейся жидкости понижается, так как поверхность жидкости покидают наиболее быстрые молекулы (атомы).

Частицы, покинувшие жидкость участвуют в хаотическом тепловом движении молекул пара, в результате которого эта частица может удалиться от поверхности жидкости, а может вернуться снова в жидкость, если попадет в сферу действия сил притяжения молекул жидкости.

Конденсация - процесс превращения пара в жидкость.

Процессы испарения и конденсации идут одновременно. Если сосуд с жидкостью закрыт, то через некоторое время в сосуде установится равновесие между процессами испарения и конденсации при данной температуре: число молекул испаряющихся и конденсирующихся будет одинаково. Такое состояние называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. При данной температуре насыщенный пар имеет наибольшую концентрацию, а, следовательно, создает большее давление, в отличие от ненасыщенного пара. Если температура насыщенного пара остается неизменной, то изменение объема пара не изменяет давления, концентрации и плотности насыщенного пара.

При увеличении температуры, давление пара также увеличивается, при этом концентрация молекул пара также увеличивается. Давление насыщенного пара с увеличением температуры растет быстрее, чем давление идеального газа с постоянной концентрацией. Если при нагревании вся жидкость в сосуде испарится, то пар, при дальнейшем нагревании, перестает быть насыщенным, и его давление будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре в соответствии с законом Шарля.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов (азот, кислород, углекислый газ и др.) и водяного пара. Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озер и рек не является насыщенным: атмосфера - "открытый сосуд". За счет перемещения воздушных масс в разных участках Земли процессы конденсации и испарения могут преобладать друг над другом. Интенсивность испарения воды зависит от того, насколько давление паров воды близко к давлению насыщенных паров при данной температуре. Содержание водяного пара в атмосфере называется влажностью воздуха.

Атмосферный воздух является смесью газов. Каждый из компонентов воздуха вносит свой вклад в суммарное давление (атмосферное давление), производимое на находящиеся в воздухе тела. Давление, которое производил бы водяной ар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара. Парциальное давление (упругость) водяного пара) измеряется в Паскалях или мм.рт.ст.

Для количественной характеристики влажности воздуха используются понятия абсолютной влажности, относительной влажности и дефицита влажности.

Абсолютной влажностью воздуха называется плотность водяного пара при данной температуре; или упругость водяного пара при данной температуре. Так как водяной пар подчиняется закону Менделеева-Клапейрона, то плотность водяного пара пропорциональна его упругости:

, (1)

здесь - упругость (давление) водяного пара, измеряется вПа или мм.рт.ст.; - плотность (абсолютная влажность),кг/м³ или, чаще всего, г/м³; - молярная масса;Т - абсолютная температура; R - универсальная газовая постоянная.

Абсолютная влажность не указывает не то, насколько водяной пар близок насыщению. Поэтому введена величина, характеризующая степень насыщения водяного пара - относительная влажность. Относительной влажностью называется выраженное в процентах отношение упругости водяного парае (парциального давления водяного пара), содержащегося в воздухе при данной температуре, к упругости насыщенного пара Е (давлению насыщенного водяного пара) при этой же температуре:

. (2)

Упругость и плотность насыщенного водяного пара при данной температуре имеются в специальных таблицах.

Ощущение сухости или сырости связано не с абсолютной, а с относительной влажностью, т.е. с тем, насколько водяной пар близок к состоянию насыщения при данной температуре.

Дефицитом влажности называется разность между упругостью насыщенного водяного пара Е и упругостью водяного пара е, фактически имеющегося в воздухе при той же температуре:

. (3)

При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, и, в конце концов, пар становится насыщенным. Температура, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы. При охлаждении до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса.

Значение влажности. Для метеорологии, сельского хозяйства, медицины и многих технических процессов существенное значение имеет изучение явлений, связанных с измерением влажности воздуха. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность от 40 до 60%. Определенную влажность необходимо поддерживать в ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процессов, а также при хранении произведений искусства, книг. В метеорологии для предсказания погоды (конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и выпадению осадков, при этом выделяется большое количество теплоты; испарение воды и образование водяного пара сопровождается поглощением теплоты).

Измерение влажности воздуха осуществляется с помощью гигрометра и психрометра.

Конденсационный гигрометр позволяет определить точку росы (по испарению эфира) - наиболее точный способ измерения относительной влажности.

Волосяной гигрометр - позволяет определить относительную влажность воздуха по реакции обезжиренного волоса человека удлиняться при увеличении относительной влажности.

Психрометр позволяет достаточно точно и быстро определить влажность. Рассмотрим психрометрический способ измерения относительной влажности воздуха в комнате.