МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

____________________________________________

Кафедра «Физика-2»

А.В. Пауткина

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплинам

«Физика» и

«Физико-химические процессы в техносфере»

Работы № 25

+

МОСКВА - 2006

Работа № 25

АНТРОПОМЕТРИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Цель работы

Измерение температуры, влажности, точки росы, давления и высоты.

Приборы и принадлежности

Термогигрометр GFTH-200: измерение температуры, влажности, точки росы.

Универсальный прибор GTD-1100: измерение температуры, давления, высоты.

Мультифункциональный прибор 4 в 1: измерение влажности и температуры.

Введение

Давление [1]

Давлением называется физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности в направлении нормали к этой поверхности:

.

Единицами измерения давления являются: в СИ паскали (Па), широко распространёнными внесистемными мм рт. ст., атмосферы (атм), бары и торы. Связь между ними следующая:

760 мм рт. ст.=10⁵ Па=1 атм (физическая атмосфера или ф.а.);

1 техническая атмосфера (т.а.)= Па;

1 мм рт. ст.= 133,322 Па;

1 бар=  Па;

1 торр= 1 мм рт. ст.= 133,322 Па

Зависимость давления от высоты (барометрическая формула Больцмана) [1]

При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газа () предполагалось, что на молекулы газа не действуют никакие внешние силы. Фактически молекулы всегда находятся в поле силы тяжести Земли. Если бы теплового движения не было, то все молекулы бы упали на Землю, и мы бы лишились атмосферы. А если бы не было поля тяготения, то молекулы бы равномерно (рано или поздно) рассеялись бы по всей Вселенной и мы все равно бы лишились атмосферы.

Рассмотрим закон, которому подчиняется изменение давления газа (а значит и концентрация молекул) с высотой.

Гидростатическое давление определяется по формуле Паскаля:

.

Газы легко сжимаемы, плотность газа зависит от давления газа, поэтому формулой Паскаля можно пользоваться только для вычисления давления тонких горизонтальных слоев газа, в которых плотность можно считать одинаковой.

Если на высоте от условного горизонтального уровня давление газа равно , то с увеличением высоты на давление газа понизится на , причём

. (1)

Из практики известно, что давление уменьшается с высотой, поэтому в формуле стоит знак «-».

Выразим плотность из уравнения Менделеева-Клапейрона и подставим в уравнение (1):

.

Дальнейшее зависит от того, учитывать ли зависимость от высоты температура газа и ускорения свободного падения. Если считать, что и , т.е. температура и ускорение свободного падения не зависят от высоты, то

(2).

Здесь - давление на высоте , а – давление на высоте .

Полученный результат (2) носит название барометрической формулы Больцмана.

Можно записать отсюда и зависимость концентрации газа от высоты над уровнем земли, учитывая, что :

.

Здесь - концентрация молекул на высоте , а - концентрация молекул на высоте .

Во многих случаях удобно принять .

Если приходится учитывать зависимости от высоты ускорения свободного падения тела, температуры или химического состава воздуха (молярной массы), то формула становится значительно сложнее.

Температура [2]

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Для измерения температуры используются функциональные зависимости физических свойств тел от степени нагревания или охлаждения тел, например длины, объема, плотности, упругости и т.д.

Девятой генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году была принята для практического употребления Международная стоградусная шкала температур. В шкале Цельсия за 0 градусов принята температура тающего льда при нормальном давлении, а за 100 градусов принята температура кипящей воды при нормальном давлении.

В 1954 году Десятая генеральная конференция по мерам и весам установила абсолютную термодинамическую температурную шкалу, единицей измерения в которой является градус Кельвина.

Температура вводится как мера средней кинетической энергии молекулы идеального газа следующим образом¹:

,

где - постоянная Больцмана (мировая константа).

Широко используются и национальные шкалы: шкала Реомюра и Фаренгейта. Связь между шкалами Цельсия, Кельвина, Реомюра и Фаренгейта линейные:

Влажность [3]

Воздух – вещество в агрегатном состоянии газа сложного химического состава. В том числе в воздухе содержится вода в виде пара. Главным источником его является испарение с поверхностей морей, океанов, водоёмов, влажной почвы и т.п. Образовавшийся водяной пар переносится вверх турбулентностью и конвекцией, а по горизонтали – ветром. Под влиянием различных процессов водяной пар конденсируется, образуя туманы, облака, осадки и наземные гидрометеоры: росу, иней и т.д. Содержание водяного пара в воздухе измеряется гигрометрами и психрометрами. Интенсивно развиваются дистанционные методы определения водяного пара лазерными и радиометрическими приборами.

Количественной характеристикой содержания водяного пара в воздухе являются абсолютная и относительная влажности. Абсолютная влажность – физическая величина, равная массе водяного пара в единице объёма:

, .

Обозначение такое же, как для плотности вещества, поскольку по смыслу и размерности влажность совпадает с плотностью паров воды. Иногда абсолютную (и относительную) влажность обозначают от английского слова humidity – влажность.

Относительная влажность – это физическая величина, равная отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

, %.

Можно показать, что относительная влажность может быть выражена и через парциальное давление воды в виде пара, растворённого в воздухе, к давлению, соответствующему максимальной влажности при данной температуре. Последнее давление называется давление насыщенного пара²:

, %.

Относительная влажность является безразмерной величиной. Традиционно значения относительной влажности указываются в процентах.

В атмосфере в среднем содержится водяного пара, т.е. сконденсировавшись, он мог бы образовать «слой осаждённой воды» толщиной 2,4 см по всей поверхности Земли. Количество растворённого пара быстро убывает с понижением температуры. Поэтому для атмосферы типично уменьшение количества водяного пара от экватора к полюсам и очень быстрое уменьшение по мере увеличения высоты над Землёй.

Вода в атмосфере может находиться в состоянии пара, воды и твёрдом состоянии (льдинки). Фазовые переходы воды сопровождаются поглощением или выделением тепла, поэтому они играют огромную роль в энергетике и термодинамике атмосферы. Поскольку водяной пар имеет в инфракрасной части спектра несколько полос поглощения, водяной пар сильно влияет на интегральный тепловой баланс атмосферы. Наиболее сильные полосы поглощения находятся в диапазоне длин волн 5б5-7б0 мкм и примерно 17 мкм. Поиск внеземных цивилизаций земного типа включает в себя исследование атмосфер небесных тел. Похожие формы жизни могут развиться в одинаковых природных условиях. Именно наличие воды на планете и содержание паров воды в атмосфере планеты, позволяет сделать прогнозы относительно возможности обнаружения на планете жизненных форм. Если спектры поглощения атмосферы планеты близки к спектрам поглощения атмосферы Земли, то можно ожидать наличие жизненных форм, схожих с земными.