О чем эта статья
Определение
Кроме относительной влажности воздуха , существует также такая величина как абсолютная влажность. Количество водяного пара в единице объема воздуха получило название абсолютной влажности воздуха. Так как в качестве единицы измерения количества взята масса, и ее значения для пара в кубическом метре воздуха небольшие, то было принято измерять абсолютную влажность в г/м³. Эти показатели изменяются от частей единицы измерения до более 30 г/м³, в зависимости от времени года и географического положения поверхности, над которой измеряется влажность.
Абсолютная влажность, это главный показатель, характеризующий состояние воздуха, и большое значение для определения его свойств имеет сопоставление влажности с окружающей температурой, так как эти параметры взаимосвязаны. Например, водяной пар при понижении температуры доходит до состояния насыщенности, после которого начинается процесс конденсации. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы.
Приборы для определения абсолютной влажности
Определение значения абсолютной влажности основывается на его вычислениях по показаниям термометров. В частности, по показаниям психрометра Августа , состоящего из двух ртутных термометров - один из которых сухой, а другой влажный(на рисунке изображение A). Испарение воды с поверхности, косвенно контактирующей с кончиком термометра, приводит к снижению его показаний. Разница между показаниями обоих термометров и лежит в основе формулы Августа, по которой определяется абсолютная влажность. На погрешность таких измерений могут оказывать потоки воздуха и тепловые излучения.
Более точен аспирационный психрометр, предложенный Ассманом (на рисунке изображение Б). В его конструкции предусмотрена защитная трубка, ограничивающая влияние тепловых излучений, и аспирационный вентилятор, который создает стабильный воздушный поток. Абсолютная влажность определяется по формуле, отображающей ее зависимость от показаний термометров и барометрического давления в этот период времени.
Значение измерений абсолютной влажности
Контроль значений абсолютной влажности необходим в метеорологии, так как эти показания играют большую роль в прогнозировании возможных осадков. Также психрометрами пользуются и в шахтах горных выработок. Необходимость постоянного контроля абсолютной влажности во многих системах автоматизации является предпосылкой для создания более современных измерителей. Это электронные датчики, которые производят необходимые измерения, анализируют показания и отображают уже вычисленное значение абсолютной влажности.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
- обеспечить усвоение понятия влажность воздуха;
- развивать самостоятельность учащихся; мышление; умение делать выводы;развитие практических навыков при работе с физическим оборудованием;
- показать практическое применение и важность данной физической величины.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование:
- для фронтальной работы: стакан с водой, термометр, кусок марли; нитки, психрометрическая таблица.
- для демонстраций: психрометр, волосяной и конденсационный гигрометры, груша, спирт.
Ход урока
I. Повторение и проверка домашнего задания
1. Сформулируйте определение процессов парообразования и конденсации.
2. Какие виды парообразования вы знаете? Чем они отличаются друг от друга?
3. При какихусловиях происходит испарение жидкости?
4. От какихфакторов зависит скорость испарения?
5.Что такое удельнаятеплота парообразования?
6. На чторасходуется подводимое количество теплоты при парообразовании?
7. Почему приветрежара переносится легче?
8. Одинакова ли внутренняя энергия 1 кг воды и пара при температуре 100 о С
9. Почему вода в бутылке, плотно закрытой пробкой, не испаряется?
II. Изучение нового материала
Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности рек, озер, океановне является насыщенным, атмосфера открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других наоборот.
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газыотсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.
За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара , содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью [г/м 3 ].
Знания парциального давления водяного пара или абсолютной влажности ничего не говорят, насколько водяной пар далек от насыщения.
Для этого вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению - относительная влажность.
Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности воздуха к плотности 0 насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
Р - парциальное давление при данной температуре;
Р 0 - давление насыщенного пара при той же температуре;
Абсолютная влажность;
0 - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами.
При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара.
Температура t, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности, воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.
Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха равной точке росы, есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка росы также характеризует влажностьвоздуха.
Влажность воздуха можно определить специальными приборами.
1. Конденсационный гигрометр
С его помощью определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной влажности.
2. Волосяной гигрометр
Его действиеосновано на свойствеобезжиренного человеческого волос а удлиняться при увеличении относительной влажности.
Применяется втех случаях, когда вопределении влажности воздуха не требуется большой точности.
3. Психрометр
Обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.
Значение влажности воздуха для живых организмов
При температуре 20-25°С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40% до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое потоотделение является значительной нагрузкой для человека.
Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмов, что ведет к его обезвоживанию. Особенно низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20%. При низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими увлажнителями являются растения.
Если относительная влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый . Высокая влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100% испарение вообще не может происходить - при таких условиях мокрая одежда или влажная кожа никогда не высохнут.
Из курса биологии вы знаете о разнообразных приспособлениях растений в засушливых местностях. Но растения приспособлены и к высокой влажности воздуха. Так, родина Монстеры - влажный экваториальный лес Монстера при относительной влажности, близкой к 100%, "плачет", она удаляет избытки влаги через отверстия в листьях - гидатоды. В современных зданиях производится кондиционирование воздуха создание и поддержание в закрытых помещениях воздушной среды, наиболееблагоприятной для самочувствия людей. При этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.
Исключительное значение для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может стать насыщенным и начнет выпадать роса.Но при конденсации водяных паров выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к 0 °С, равна 2490 кДж/кг), поэтому воздух у поверхности почвы при образовании росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения температуры и,
Во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать одно из этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.
Вопросы на повторение:
- Что понимается под влажностью воздуха?
- Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В каких единицах ее выражают?
- Что такое упругость водяного пара?
- Что называют относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?
- Относительная влажность воздуха 70%, что это значит?
- Что называют точкой росы?
С помощью каких приборов определяют влажность воздуха? Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком? Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров и психрометра.
Лабораторная работа №4 "Измерение относительной влажности воздуха"
Цель:научиться определять относительную влажность воздуха, развить практические навыи при работе с физическим оборудованием.
Оборудование: термометр, марлевый бинт, вода, психометрическая таблица
Ход урока
Перед выполнением работы необходимо обратить внимание учащихся не только на содержание и ход выполнения работы, но и на правила обращения с термометрами и стеклянными сосудами. Нужно напомнить, что все время, пока термометр не используется для измерений, он должен находиться в футляре. При измерении температуры термометр следует держать за верхний край. Это позволит определить температуру с наибольшей точностью.
Первые измерения температуры следует провести сухим термометром Эта температура в аудитории во время работы не изменится.
Для измерения температуры влажным термометром лучше в качестве ткани взять кусочек марли. Марля очень хорошо впитывает и перемещает воду от влажного края к сухому.
Используя психрометрическую таблицу, легко определить значение относительной влажности.
Пусть t c = h = 22 °С, t m = t 2 = 19 °С. Тогда t = t c - 1 Ш = 3 °С.
По таблице находим относительную влажность. В данном случае она равна 76%.
Для сравнения можно измерить относительную влажность воздуха на улице. Для этого группу из двух-трех учеников, успешно справившихся с основной частью работы, можно попросить провести аналогичные измерения на улице. Это должно занять не более 5 минут. Полученное значение влажности можно сравнить с влажностью в классе.
Итоги работы подводят в выводах. В них следует отметить не только формальные значения итоговых результатов, но и указать причины, которые приводят к погрешностям.
III. Решение задач
Так как данная лабораторная работа достаточно проста по содержанию и невелика по объему, оставшуюся часть урока можно посвятить решению задач по изучаемой теме. Для решения задач не обязательно, чтобы все ученики стали решать их одновременно. По мере выполнения работы они могут получать задания индивидуально.
Можно предложить следующие простые задачи:
На улице идет холодный осенний дождь. В каком случае быстрее высохнет белье, развешенное на кухне: когда форточка открыта, или когда закрыта? Почему?
Влажность воздуха равна 78%, а показание сухого термометра равно 12 °С. Какую температуру показывает влажный термометр? (Ответ: 10 °С.)
Разность в показаниях сухого и влажного термометров равна 4 °С. Относительная влажность воздуха 60%. Чему равны показания сухого и влажного термометра? (Ответ: t c -l9 °С, t m = 10 °С.)
Домашнее задание
- Повторить параграф 17 учебника.
- Задание № 3. с. 43.
Сообщения учащихся о роли испарения в жизни растений и животных.
Испарение в жизни растений
Для нормального существования растительной клетки необходимо ее насыщение водой. Для водорослей оно является естественным следствием условий их существования, у растений суши достигается в результате двух противоположных процессов: поглощения воды корнями и испарения. Для успешного фотосинтеза хло-!рофиллоносные клетки наземных растений должны поддерживать самое тесное соприкосновение с окружающей атмосферой, снабжающей их необходимым для них углекислым газом; однако это тесное соприкосновение неизбежно приводит к тому, что насыщающая клетки вода непрерывно испаряется в окружающее пространство, и та же солнечная энергия, которая доставляет растению необходимую для фотосинтеза энергию, поглощаясь хлорофиллом, способствует нагреванию листа, а тем самым и усилению процесса Испарения.
Очень немногие, и притом низкоорганизованные, растения, нииример мхи и лишайники, могут выдерживать длительные перерывы в водоснабжении и переносить это время в состоянии полного иыеыхания. Из высших растений к этому способны лишь некоторые представители скальной и пустынной флоры, например осока, распространенная в песках Каракумов. Для громадного большинства ш.кших растений такое высыхание было бы смертельно, а потому │сход воды у них примерно равен ее приходу.
Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведем такой пример: за один вегетационный период одно Цветение подсолнечника или кукурузы испаряет до 200 кг и более воды, т. е. солидных размеров бочку! При таком энергичном расходе требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого (Мужит корневая система, размеры которой огромны счеты числа корней и корневых волосков для озимой ржи дали следующие удивительные цифры: корней оказалось почти четырпл дцать миллионов, общая длина всех корней 600 км, а их общая по верхность около 225 м 2 . На этих корнях было около 15 миллиардом корневых волосков общей площадью в 400 м 2 .
Количество воды, расходуемое растением в течение своем жизни, в большой степени зависит от климата. В жарком сухом климате растения потребляют не меньше, а иногда даже больше во ды, чем в климате более влажном, у этих растений более развита корневая система и меньшее развитие имеет листовая поверхносп. Меньше всего расходуют воду растения сырых, тенистых тропиче ских лесов, берегов водоемов: у них тонкие широкие листья, слабые корневая и проводящая системы. У растений засушливых местно стей, где воды в почве очень мало, а воздух горяч и сух, наблюда ются разнообразные приемы приспособления к этим суровым условиям. Интересны растения пустынь. Это, например, кактусы растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превра тились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, мало проницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными, почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало воды.
У других растений зоны пустынь (верблюжьей колючки, степной люцерны, полыни) тонкие листья с широко открытыми устьицами, которые энергично ассимилируют и испаряют, за счет чего значительно снижается температура листьев. Часто листья бывают покрыты густым слоем серых или белых волосков, представляющих как бы полупрозрачный экран, защищающий растения от перегревания и снижающий интенсивность испарения.
Многие растения пустынь (ковыль, перекати-поле, вереск) имеют жесткие, кожистые листья. Такие растения способны переносить длительное завядание. В это время их листья скручиваются в трубку, причем устьица находятся внутри нее.
Условия испарения зимой резко меняются. Из мерзлой почвы корни не могут всасывать воду. Поэтому за счет листопада уменьшается испарение влаги растением. Кроме того, при отсутствии листьев меньше снега задерживается на кроне, что предохраняет растения от механических повреждений.
Роль процессов испарения для животных организмов
Испарение - это наиболее легко регулируемый способ меньшения внутренней энергии. Всякие условия, затрудняющие спарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, ожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет егулировку температуры тела.
Для терморегуляции организма важную роль играет потоот-еление, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека ли животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя нергия, благодаря этому организм охлаждается.
Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если еще при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится еще тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).
Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию.
Очень интересны с точки зрения терморегуляции и роли процессов испарения некоторые живые существа. Известно, например, что верблюд может две недели не пить. Объясняется это тем, что он очень экономно расходует воду. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой и плотной шерстью - шерсть спасает от перегрева (на спине верблюда в знойный полдень она нагрета до восьмидесяти градусов, а кожа под ней -лишь до сорока!). Шерсть препятствует и испарению влаги из организма (у стриженого верблюда потоотделение возрастает на 50%). Верблюд никогда, даже самый сильный зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если открыть широко рот, испаряете много воды! Частота дыхания верблюда очень низка -8 раз минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. В жару, однако, частота дыхания его увеличивается до 16 раз в минуту. (Сравните: бык при этих же условиях дышит 250, а собака - 300-400 раз в минуту.) Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34°, а днем, в жару, повышается до 40-41°. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется так же очень любопытное приспособление для сохранения воды впрок Известно, что из жира, когда он "сгорает" в организме, получается много воды - 107 г из 100 г жира. Таким образом, из своих горбои верблюд при необходимости может извлечь до полцентнера воды.
С точки зрения экономии в расходовании воды еще более удивительны американские тушканчиковые прыгуны (кенгуровые крысы). Они вообще никогда не пьют. Кенгуровые крысы живут и пустыне Аризона и грызут семена и сухие травы. Почти вся вода, которая имеется в их теле, эндогенная, т.е. получается в клетках при переваривании пищи. Опыты показали, что из 100 г перловой кру пы, которой кормили кенгуровых крыс, они получали, переварив и окислив ее, 54 г воды!
В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с внутренней поверхности воздушных меш ков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. II связи с этим птица в жаркую погоду открывает клюв. (Кац //./> Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1974).
п. Самостоятельная работа
Какое количество теплоты выделится мри полном сгорании 20 кг каменного угля? (Ответ: 418 МДж)
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 50 л метана? Плотность метана примите равной 0,7 кг/м 3 . (Ответ: -1,7 МДж)
На стаканчике с йогуртом написано: энергетическая ценность 72 ккал. Выразите энергетическую ценность продукта в Дж.
Теплота сгорания суточного рациона питания для школьников вашего возраста составляет около 1,2 МДж.
1) Достаточно ли для вас потребление в течение для 100 г жирного творога, 50 г пшеничного хлеба, 50 г говядины и 200 г картофеля. Необходимые дополнительные данные:
- творог жирный 9755;
- хлеб пшеничный 9261;
- говядина 7524;
- картофель 3776.
2) Достаточно ли для вас потребление в течение дня 100 г окуня, 50 г свежих огурцов, 200 г винограда, 100 г ржаного хлеба, 20 г подсолнечного масла и 150 г сливочного мороженого.
Удельная теплота сгорания q x 10 3 , Дж/кг:
- окунь 3520;
- огурцы свежие 572;
- виноград 2400;
- хлеб ржаной 8884;
- масло подсолнечное 38900;
- мороженое сливочное 7498. ,
(Ответ: 1) Потреблено примерно 2,2 МДж - достаточно; 2) Потреблено к 3,7 МДж - достаточно.)
При подготовке к урокам в течение двух часов вы тратите около 800 кДж энергии. Восстановите ли вы запас энергии, если выпьете 200 мл обезжиренного молока и съедите 50 г пшеничного хлеба? Плотность обезжиренного молока равна 1036 кг/м 3 . (Ответ: Потреблено примерно 1 МДж - достаточно.)
Воду из мензурки перелили в сосуд, нагреваемый пламенем спиртовки, и испарили. Рассчитайте массу сгоревшего спирта. Нагреванием сосуда и потерями на нагревание воздуха можно пренебречь. (Ответ: 1,26 г.)
- Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 т антрацита? (Ответ: 26,8 . 109 Дж.)
- Какую массу биогаза надо сжечь, чтобы выделилось 50 МДж теплоты? (Ответ: 2 кг.)
- Какое количество теплоты выделится при сгорании 5 л мазута. Плотность мазута примите равной 890 кг/м 3 . (Ответ: примерно 173 МДж.)
На коробке конфет написано: калорийность 100 г 580 ккал. Выразите нилорийность продукта в Дж.
Изучите этикетки разных пищевых продуктов. Запишите энергети-I, с кую ценность (калорийность) продуктов, выразив ее в джоулях или ка-Юриях (килокалориях).
При езде на велосипеде за 1 час вы тратите примерно 2 260 000 Дж щергии. Восстановите ли вы запас энергии, если съедите 200 г вишни?
На Земле много открытых водоемов, с поверхности которых испаряется вода: океаны и моря занимают около 80 % поверхности Земли. Поэтому в воздухе всегда есть водяной пар.
Он легче воздуха, потому что молярная масса воды (18 * 10 -3 кг моль -1) меньше молярной массы азота и кислорода, из которых в основном состоит воздух. Поэтому водяной пар поднимается вверх. При этом он расширяется, так как в верхних слоях атмосферы давление ниже,чем у поверхности Земли. Этот процесс приближенно можно считать адиабатическим, потому что за то время, пока он происходит, теплообмен пара с окружающим воздухом не успевает произойти.
1. Объясните, почему при этом пар охлаждается.
Они не падают потому, что парят в восходящих потоках воздуха подобно тому как парят дельтапланы (рис. 45.1). Но когда капли в облаках становятся слишком большими, они начинают все-таки падать: идет дождь (рис. 45.2).
Мы чувствуем себя комфортно, когда давление водяного пара при комнатной температуре (20 ºС) составляет около 1,2 кПа.
2. Какую часть (в процентах) составляет указанное давление от давления насыщенного пара при той же температуре?
Подсказка. Воспользуйтесь таблицей значений давления насыщенного водяного пара при различных значениях температуры. Она была приведена в предыдущем параграфе. Приведем здесь более подробную таблицу.
Вы нашли сейчас относительную влажность воздуха. Дадим ее определение.
Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение парциального давления p водяного пара к давлению p н насыщенного пара при той же температуре:
φ = (p/p н) * 100 %. (1)
Комфортные условия для человека соответствуют относительной влажности 50-60 %. Если относительная влажность существенно меньше, воздух кажется нам сухим, а если больше – влажным. Когда относительная влажность приближается к 100 %, воздух воспринимается как сырой. Лужи при этом не высыхают, потому что процессы испарения воды и конденсации пара компенсируют друг друга.
Итак, об относительной влажности воздуха судят по тому, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению.
Если воздух с находящимся в нем ненасыщенным водяным паром изотермически сжимать, будет увеличиваться как давление воздуха, так и давление ненасыщенного пара. Но давление водяного пара будет увеличиваться только до тех пор, пока он не станет насыщенным!
При дальнейшем уменьшении объема давление воздуха будет продолжать увеличиваться, а давление водяного пара будет постоянным – оно будет оставаться равным давлению насыщенного пара при заданной температуре. Избыток пара сконденсируется, то есть превратится в воду.
3. В сосуде под поршнем находится воздух, относительная влажность которого равна 50 %. Начальный объем под поршнем равен 6 л, температура воздуха 20 ºС. Воздух начинают изотермически сжимать. Примите, что объемом образовавшейся из пара воды можно пренебречь по сравнению с объемом воздуха и пара.
а) Чему будет равна относительная влажность воздуха, когда объем под поршнем станет равным 4 л?
б) При каком объеме под поршнем пар станет насыщенным?
в) Чему равна начальная масса пара?
г) Во сколько раз уменьшится масса пара, когда объем под поршнем станет равным 1 л?
д) Какая масса воды при этом сконденсируется?
2. Как зависит относительная влажность от температуры?
Рассмотрим, как изменяются при повышении температуры числитель и знаменатель в формуле (1), определяющей относительную влажность воздуха.
В числителе стоит давление ненасыщенного водяного пара. Оно прямо пропорционально абсолютной температуре (напомним, что водяной пар хорошо описывается уравнением состояния идеального газа).
4. На сколько процентов увеличивается давление ненасыщенного пара при увеличении температуры от 0 ºС до 40 ºС?
А теперь посмотрим, как изменяется при этом давление насыщенного пара, стоящее в знаменателе.
5. Во сколько раз увеличивается давление насыщенного пара при увеличении температуры 0 ºС до 40 ºС?
Результаты выполнения этих заданий показывают, что при повышении температуры давление насыщенного пара возрастает намного быстрее, чем давление ненасыщенного пара, Следовательно, определяемая формулой (1) относительная влажность воздуха быстро уменьшается с ростом температуры. Соответственно при понижении температуры относительная влажность увеличивается. Ниже мы рассмотрим это подробнее.
При выполнении следующего задания вам поможет уравнение состояния идеального газа и приведенная выше таблица.
6. При 20 ºС относительная влажность воздуха была равна 100 %. Температура воздуха увеличилась до 40 ºС, а масса водяного пара осталась неизменной.
а) Каким было начальное давление водяного пара?
б) Каким стало конечное давление водяного пара?
в) Чему равно давление насыщенного пара при 40 ºС?
г) Чему равна относительная влажность воздуха в конечном состоянии?
д) Как будет этот воздух восприниматься человеком: как сухой или как влажный?
7. В сырой осенний день температура на улице 0 ºС. В комнате температура 20 ºС, относительная влажность 50 %.
а) Где больше парциальное давление водяного пара: в комнате или на улице?
б) В какую сторону будет идти водяной пар, если открыть форточку, – в комнату или из комнаты?
в) Какой стала бы относительная влажность в комнате, если бы парциальное давление водяного пара в комнате стало равным парциальному давлению водяного пара снаружи?
8. Влажные предметы обычно тяжелее сухих: так, промокшее платье тяжелее сухого, а сырые дрова тяжелее сухих. Объясняется это тем, что к собственному весу тела добавляется еще и вес содержащейся в нем влаги. А с воздухом дело обстоит наоборот: влажный воздух легче сухого! Как это объяснить?
3. Точка росы
При понижении температуры относительная влажность воздуха увеличивается (хотя масса водяного пара в воздухе при этом не изменяется).
Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяной пар становится насыщенным. (При специальных условиях можно получить перенасыщенный пар. Его используют в камерах Вильсона для детектирования следов (треков) элементарных частиц на ускорителях.) При дальнейшем понижении температуры начинается конденсация водяного пара: выпадает роса. Поэтому температуру, при которой данный водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы для этого пара.
9. Объясните, почему роса (рис. 45.3) выпадает обычно в предутренние часы.
Рассмотрим пример нахождения точки росы для воздуха определенной температуры с заданной влажностью. Для этого нам понадобится следующая таблица.
10. Человек в очках вошел с улицы в магазин и обнаружил, что его очки запотели. Будем считать, что температура стекол и прилежащего к ним слоя воздуха равна температуре воздуха на улице. Температура воздуха в магазине равна 20 ºС, относительная влажность 60 %.
а) Является ли водяной пар в слое воздуха, прилежащего к стеклам очков, насыщенным?
б) Чему равно парциальное давление водяных паров в магазине?
в) При какой температуре такое давление водяного пара равно давлению насыщенного пара?
г) Какой может быть температура воздуха на улице?
11. В прозрачном цилиндре под поршнем находится воздух с относительной влажностью 21 %. Начальная температура воздуха 60 ºС.
а) До какой температуры надо охладить воздух при постоянном объеме, чтобы в цилиндре выпала роса?
б) Во сколько раз надо уменьшить объем воздуха при постоянной температуре, чтобы в цилиндре выпала роса?
в) Воздух сначала изотермически сжимают, а затем охлаждают при постоянном объеме. Выпадение росы началось, когда температура воздуха упала до 20 ºС. Во сколько раз уменьшили объем воздуха по сравнению с начальным?
12. Почему сильная жара труднее переносится при высокой влажности воздуха?
4. Измерение влажности
Влажность воздуха измеряют часто психрометром (рис. 45.4). (От греческого «психрос» - холодный. Такое название обусловлено тем, что показания влажного термометра ниже, чем сухого.) Он состоит из сухого и влажного термометров.
Показания влажного термометра ниже, чем сухого, потому что при испарении жидкость охлаждается. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее идет испарение.
13. Какой термометр на рисунке 45.4 расположен левее?
Итак, по показаниям термометров можно определить относительную влажность воздуха. Для этого используют психрометрическую таблицу, которую помещают часто на самом психрометре.
Чтобы определить относительную влажность воздуха, надо:
– снять показания термометров (в данном случае 33 ºС и 23 ºС);
– найти в таблице строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствий разности показаний термометров (рис. 45.5);
– на пересечении строки и столбца прочитать значение относительной влажности воздуха.
14. Используя психрометрическую таблицу (рис. 45.5), определите, при каких показаниях термометров относительная влажность воздуха равна 50 %.
Дополнительные вопросы и задания
15. В теплице объемом 100 м3 надо поддерживать относительную влажность не менее 60 %. Рано утром при температуре 15 ºС в теплице выпала роса. Температура днем в теплице поднялась до 30 ºС.
а) Чему равно парциальное давление водяного пара в теплице при 15 ºС?
б) Чему равна масса водяного пара в теплице при этой температуре?
в) Каково минимально допустимое парциальное давление водяного пара в теплице при 30 ºС?
г) Какова при этом масса водяного пара в теплице?
д) Какую массу воды надо испарить в теплице, чтобы поддержать в ней необходимую относительную влажность?
16. На психрометре оба термометра показывают одну и ту же температуру. Чему равна при этом относительная влажность воздуха? Поясните свой ответ.
В данном уроке будет введено понятие абсолютной и относительной влажности воздуха, будут обсуждаться термины и величины, связанные с этими понятиями: насыщенный пар, точка росы, приборы для измерения влажности. В ходе урока мы познакомимся с таблицами плотности и давления насыщенного пара и психрометрической таблицей.
Для человека величина влажности является очень важным параметром окружающей среды, т. к. наш организм очень активно реагирует на ее изменения. Например, такой механизм регуляции функционирования организма, как потоотделение, напрямую связан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции. При низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.
Величина влажности важна не только для человека и других живых организмов, но и для протекания технологических процессов. Например, из-за известного свойства воды проводить электрический ток ее содержание в воздухе может серьезно влиять на корректную работу большинства электроприборов.
Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды. Стоит отметить, что если сравнивать влажность в различные времена года в привычных для нас климатических условиях, то она выше летом и ниже зимой, что связано, в частности, с интенсивностью процессов испарения при различных температурах.
Основными характеристиками влажного воздуха являются:
- плотность водяного пара в воздухе;
- относительная влажность воздуха.
Воздух является составным газом, в нем содержится множество различных газов, в том числе водяной пар. Для оценивания его количества в воздухе необходимо определить, какую массу имеют водяные пары в определенном выделенном объеме - такую величину характеризует плотность. Плотность водяного пара в воздухе называют абсолютной влажностью .
Определение. Абсолютная влажность воздуха - количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.
Обозначение абсолютной влажности : (как и обыкновенное обозначение плотности).
Единицы измерения абсолютной влажности : (в СИ) или (для удобства измерения небольшого содержания паров воды в воздухе).
Формула вычисления абсолютной влажности :
Обозначения:
Масса пара (воды) в воздухе, кг (в СИ) или г;
Объем воздуха, в котором указанная масса пара содержится, .
С одной стороны, абсолютная влажность воздуха является понятной и удобной величиной, т. к. дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, с другой стороны, эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Оказывается, что, например, человек ощущает не массовое содержание воды в воздухе, а именно ее содержание относительно максимально возможного значения.
Для описания такого восприятия введена такая величина, как относительная влажность .
Определение. Относительная влажность воздуха – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения.
Т. е. величина относительной влажности, простыми словами, показывает следующее: если пар далек от насыщения, то влажность низкая, если близок – высокая.
Обозначение относительной влажности : .
Единицы измерения относительной влажности : %.
Формула вычисления относительной влажности :
Обозначения :
Плотность водяного пара (абсолютная влажность), (в СИ) или ;
Плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, (в СИ) или .
Как видно из формулы, в ней фигурируют абсолютная влажность, с которой мы уже знакомы, и плотность насыщенного пара при той же температуре. Возникает вопрос, каким образом определять последнюю величину? Для этого существуют специальные приборы. Мы рассмотрим конденсационный гигрометр (рис. 4) - прибор, который служит для определения точки росы.
Определение. Точка росы - температура, при которой пар становится насыщенным.
Рис. 4. Конденсационный гигрометр ()
Внутрь емкости прибора наливается легкоиспаряющаяся жидкость, например, эфир, вставляется термометр (6) и с помощью груши (5) через емкость прокачивается воздух. В результате усиленной циркуляции воздуха начинается интенсивное испарение эфира, температура емкости из-за этого понижается и на зеркале (4) выступает роса (капельки сконденсировавшегося пара). В момент появления на зеркале росы с помощью термометра замеряется температура, вот эта температура и является точкой росы.
Что же делать с полученным значением температуры (точки росы)? Существует специальная таблица, в которой занесены данные - какая плотность насыщенного водяного пара соответствует каждой конкретной точке росы. Следует отметить полезный факт, что при увеличении значения точки росы растет и значение соответствующей ей плотности насыщенного пара. Иными словами, чем теплее воздух, тем большее количество влаги он может содержать, и наоборот, чем воздух холоднее, тем максимальное содержание в нем пара меньше.
Рассмотрим теперь принцип действия других видов гигрометров, приборов для измерения характеристик влажности (от греч. hygros - «влажный» и metreo - «измеряю»).
Волосной гигрометр (рис. 5) - прибор для измерения относительной влажности, в котором в качестве активного элемента выступает волос, например человеческий.
Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха (при увеличении влажности длина волоса увеличивается, при уменьшении - уменьшается), что позволяет измерять относительную влажность. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передается стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. При этом следует помнить, что волосной гигрометр дает не точные значения относительной влажности, и используется преимущественно в бытовых целях.
Более удобен в использовании и точен такой прибор для измерения относительной влажности, как психрометр (от др.-греч. ψυχρός - «холодный») (рис. 6).
Психрометр состоит из двух термометров, которые закреплены на общей шкале. Один из термометров называется влажным, т. к. он обмотан батистовой тканью, которая погружена в резервуар с водой, расположенный на тыльной стороне прибора. С влажной ткани испаряется вода, что приводит к охлаждению термометра, процесс снижения его температуры длится до достижения этапа, пока пар вблизи влажной ткани не достигнет насыщения и термометр не начнет показывать температуру точки росы. Таким образом, влажный термометр показывает температуру меньше либо равную реальной температуре окружающей среды. Второй термометр называется сухим и показывает реальную температуру.
На корпусе прибора, как правило, изображена еще так называемая психрометрическая таблица (табл. 2). С помощью этой таблицы по значению температуры, которую показывает сухой термометр, и по разности температур между сухим и влажным термометрами можно определить относительную влажность окружающего воздуха.
Однако даже не имея под рукой такой таблицы, можно примерно определить величину влажности, пользуясь следующим принципом. Если показания обоих термометров близки друг к другу, то испарение воды с влажного практически полностью компенсируется конденсацией, т. е. влажность воздуха высокая. Если, наоборот, разность показаний термометров большая, то испарение с влажной ткани превалирует над конденсацией и воздух сухой, а влажность низкая.
Обратимся к таблицам, которые позволяют определять характеристики влажности воздуха.
|
Температура, |
Давление, мм. рт. ст. |
Плотность пара, |
Табл. 1. Плотность и давление насыщенных водяных паров
Еще раз отметим, что, как указывалось ранее, значение плотности насыщенного пара растет с его температурой, то же самое относится и к давлению насыщенного пара.
Табл. 2. Психометрическая таблица
Напомним, что относительная влажность определяется по значению показаний сухого термометра (первый столбец) и разности показаний сухого и влажного (первая строка).
На сегодняшнем уроке мы познакомились с важной характеристикой воздуха - его влажностью. Как мы уже говорили, влажность в холодное время года (зимой) понижается, а в теплое (летом) повышается. Важно уметь регулировать эти явления, например при необходимости повысить влажность располагать в помещении в зимнее время несколько резервуаров с водой, чтобы усилить процессы испарения, однако такой способ будет эффективен только при соответствующей температуре, которая выше, чем на улице.
На следующем уроке мы рассмотрим, что такое работа газа, и принцип действия двигателя внутреннего сгорания.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «dic.academic.ru» ()
- Интернет-портал «baroma.ru» ()
- Интернет-портал «femto.com.ua» ()
- Интернет-портал «youtube.com» ()
Домашнее задание
Когда речь идет о нашем здоровье, то знание относительной влажности воздуха и формулы ее определения становится на первое место. Впрочем, точную формулу знать не обязательно, но неплохо хотя бы в общих чертах представлять себе, что это такое, зачем измерять влажность в доме, и какими способами это можно сделать.
Какой должна быть оптимальная влажность
Влажность в помещении, где человек работает, проводит досуг или спит, имеет особое значение. Наши органы дыхания созданы таким образом, что слишком сухой или насыщенный водяными парами воздух для них губителен. Поэтому существуют государственные стандарты, которые регламентируют, какой должна быть влажность воздуха в помещении.
Зона оптимальной влажности
В целом существует с десяток способов проконтролировать влажность воздуха и привести его в норму. Это создаст самые благоприятные условия для учебы, сна, занятий спортом, повысит работоспособность и улучшит самочувствие.
