Лекция № 9. Влажность воздуха. Взаимодействие атмосферы и гидросферы.
Атмосферный воздух – это смесь газов. Он состоит из 78% азота 21% кислорода, небольшого количества углекислого газа, водяного пара и других газов. Практический интерес представляет умение измерять количество водяного пара в воздухе при заданной температуре. Физическая величину, характеризующую количество водяного пара в атмосфере называют влажностью воздуха. Для количественной оценки используют абсолютную влажность и относительную влажности воздуха. Абсолютная влажность (а) – это масса водяного пара в единице объёма, по-другому плотность пара. Относительная влажность воздуха (В) – это число, которое показывает, сколько процентов абсолютная влажность а составляет от плотности насыщенного пара нп при данной температуре. Это число вычисляют по формуле
. (9.1)
Полное атмосферное давление складывается из парциальных давлений отдельных компонент. Давление каждой компоненты смеси газов в данном объёме равно тому давлению, которое только эта компонента имела бы, заняв весь объём. Давление водяного пара Ра при данной температуре всегда меньше давления насыщенного пара Рнп при той же температуре. Поэтому относительную влажность можно вычислять не только по формуле (9.1), но и через отношение давления водяного пара к давлению насыщенных паров при одной и той же температуре
. (9.2)
Плотность и давление насыщенного пара являются величинами табличными, их значения для данной температуры известны и мы их можем определить по таблице 2.
Относительная влажность воздуха зависит от температуры и в течение суток может сильно изменяться. Например, пусть абсолютная влажность воздуха при 22°С равна а = 9,4 г/м3. По таблице насыщенных паров определим плотность насыщенного пара. Для 22°С она равна нп = 19,4 г/м3. Найдём влажность при данной температуре
. (9.3)
При понижении температуры, например к утру, до 10°С плотность насыщенных паров станет равна нп = 9,4 г/м3, а относительная влажность достигнет 100%. Если температура воздуха будет понижаться, абсолютная влажность а должна будет стать больше плотности насыщенных паров нп но, это невозможно по определению насыщенного пара. Вспомним, что насыщенный пар – это максимально возможное количество водяных паров, содержащихся в воздухе, при данной температуре. Поэтому при 6°С абсолютная влажность а = нп= 7,3 г/м3. Первоначально в воздухе до понижения температуры в 1 м3 содержалось 9,4 г водяных паров, а при 6°С стало содержаться 7,3 г. Разница составляет 9,4–7,3 = 2,1 г. Если, а > нп, то в воздухе происходит процесс конденсации и часть пара превращается в воду. В нашем примере с каждого кубического метра воздуха выделяется 2,1 г воды. При 10°С воздух стал насыщен водяными парами. Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения, становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы. В рассмотренном примере 10°С – это точка росы.
Точку
росы определяют с помощью гигрометра.
Гигрометр изображён на рисунке 9.1
а). В сосуд
А наливают эфир, или любую другую легко
испаряющуюся жидкость. Через неё при
помощи насоса прокачивают воздух. Эфир
активно испаряется. При интенсивном
испарении температура жидкости
понижается; когда она станет равна точке
росы, стенки сосуда запотевают. Кольцо
К отделено от сосуда шайбой из материала,
который плохо проводит тепло, поэтому
оно не охлаждается. Контраст между
блестящим кольцом и запотевшим сосудом
облегчает регистрацию момента запотевания,
появления росы. Точку росы определяют
по термометру Т, ртутный шарик которого
погружён в эфир. Зная точку росы можно
определить относительную влажность
воздуха. Для того чтобы воспользоваться
формулой (9.1) нужно знать абсолютную
влажность воздуха а.
Она как раз и определяется по точке
росы.
В тот момент, когда появляется роса
относительная влажность становится
равна 100%, а а
= нп.
Таким образом, абсолютная
влажность
определяется из таблицы 2 плотностей
насыщенных паров, но для температуры
равной точке
росы.
Например, температура
воздуха в комнате равна tк=25°С,
а точка росы, определённая с помощью
гигрометра равна tр=10°С.
Используя таблицу 2 по комнатной
температуре 25°С
определяем плотность насыщенных паров
нп=23
г/м3,
а по точке росы 10°С
– абсолютную влажность а=9,4
г/м3.
По формуле (9.1) вычисляем относительную
влажность
(9.4)
Часто относительную влажность определяют другими приборами – волосяными гигрометрами, а также с помощью психрометров.
В основе волосяного гигрометра лежит свойство волоса изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха. В сухом воздухе волос имеет наименьшую длину. Волосяной гигрометр состоит из волоса, механизма со стрелкой и корпуса. Волос соединён со стрелкой. При изменении длины волоса стрелка отклоняется. По шкале прибора сразу определяют относительную влажность.
Психрометр – это прибор, состоящий из двух термометров; шарик одного из них обмотан батистом, конец которого опущен в сосуд с дистиллированной водой (рисунок 9.1-б). Сухой термометр регистрирует температуру воздуха, влажный температуру испаряющейся воды. Мы уже говорили о том, что при испарении жидкости её температура понижается. Очевидно, что чем суше воздух, т.е. меньше его относительная влажность, тем интенсивнее идёт процесс испарения воды с влажного батиста и тем больше он охлаждается. Наоборот, если воздух содержит много паров и его относительная влажность велика, то испарение воды с батиста будет происходить медленно и он будет слабо охлаждаться. Таким образом, разность показаний сухого и влажного термометров (так называемая психрометрическая разность) зависит от относительной влажности воздуха. С помощью специальной, психрометрической таблицы можно легко найти влажность воздуха.
Таблица 2
Таблица давления насыщенных паров и их плотность при различных температурах.
t, С |
Рн, кПа |
ρ, 10-3 кг/м3 |
t, С |
Рн, кПа |
ρ, 10-3 кг/м3 |
t, С |
Рн, кПа |
ρ, 10-3 кг/м3 |
-30 |
0,037 |
0,33 |
7 |
1,000 |
7,80 |
24 |
2,986 |
21,8 |
-25 |
0,062 |
0,55 |
8 |
1,066 |
8,30 |
25 |
3,173 |
23,0 |
-20 |
0,102 |
0,88 |
9 |
1,146 |
8,80 |
26 |
3,359 |
24,4 |
-15 |
0,165 |
1,38 |
10 |
1,226 |
9,40 |
27 |
3,559 |
25,8 |
-10 |
0,260 |
2,14 |
11 |
1,306 |
10,0 |
28 |
3,786 |
27,2 |
-5 |
0,401 |
3,24 |
12 |
1,399 |
10,7 |
29 |
3,999 |
28,7 |
-4 |
0,437 |
3,51 |
13 |
1,492 |
11,4 |
30 |
4,239 |
30,3 |
-3 |
0,476 |
3,81 |
14 |
1,599 |
12,1 |
40 |
7,371 |
51,2 |
-2 |
0,517 |
4,13 |
15 |
1,706 |
12,8 |
50 |
12,33 |
83,0 |
-1 |
0,563 |
4,47 |
16 |
1,813 |
13,6 |
60 |
19,92 |
130,0 |
0 |
0,613 |
4,80 |
17 |
1,933 |
14,5 |
80 |
47,33 |
293 |
1 |
0,653 |
5,20 |
18 |
2,066 |
15,4 |
100 |
101,3 |
598 |
2 |
0,706 |
5,60 |
19 |
2,199 |
16,3 |
120 |
198,5 |
1123 |
3 |
0,760 |
6,00 |
20 |
2,333 |
17,3 |
140 |
360,5 |
1890 |
4 |
0,813 |
6,40 |
21 |
2,493 |
18,3 |
160 |
618,0 |
3259 |
5 |
0,880 |
6,80 |
22 |
2,639 |
19,4 |
180 |
1000,3 |
4782 |
6 |
0,933 |
7,30 |
23 |
2,813 |
20,6 |
200 |
1554 |
7763 |