4. Задания и порядок их выполнения.

Задание 1.Получить кривую остывания и отвердевания олова.

Для этого тигель с куском олова поместить в печь и включить подогрев.

Температура олова измеряется с помощью термопары, соединенной с самопишущим потенциометром. Выбрать скорость протяжки диаграммы самописца и пределы измерения термоэдс, зная, разность температуры тигля и комнатной температуры и дифференциальную термоэдс термопары.

После расплавления металла нагреть его еще на градусов. Получить на диаграмме самопищущего потенциометра график временной зависимости температуры остывания и отвердевания олова в тигле.

Задание 2.Определить удельную теплоту плавления олова. По кривой отвердевания определить количество теплоты, отданное металлом при отвердевании. Для этого, используя участки экспериментальной кривой, соответствующие участкам(рис. 3), построить зависимостьи найти. Зная массу металла и тигля, найти в таблицах значения теплоемкостей металла и материала тигля, определить из графика значения;и пользуясь выражением, вычислить удельную теплоту плавления.

5. Для получения зачета необходимо:

Представить отчет по стандартной форме:

Уметь отвечать на вопросы:

1) Почему температура вещества при его плавлении не меняется, хотя к веществу подводится теплота?

2) Как по наклону кривой найти подводимую мощность?

Лабораторная работа №11. Влажность воздуха

1. Цель работы

Познакомиться с основными характеристиками влажности воздуха, методами и приборами для их определения.

2. Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению

1) Понятие влажности воздуха. Основные характеристики влажности воздуха и взаимосвязь между ними.

2) Понятие «насыщенный пар». Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Связь между давлением и плотностью пара.

3) Методы измерения основных характеристик влажности воздуха.

4) Приборы для измерения влажности воздуха. Принцип их действия.

3. Сведения из теории

Воздух представляет собой смесь многих газов, основными из которых являются азот, кислород и аргон. Важной составной частью атмосферного воздуха является водяной пар, на долю которого может приходиться до 5% от общего числа молекул воздуха. Атмосферный воздух, содержащий водяной пар, называется влажным, а само содержание водяного пара в воздухе – влажностью воздуха. Содержание водяного пара в воздухе играет большую роль в энергетике и термодинамике атмосферы, отражается на ряде физических явлений, протекающих в его присутствии, а также на физических свойствах воздуха, влияет на свойства многих веществ. Влажность воздуха оказывает воздействие на жизнедеятельность животного и растительного мира, имеет важное значение для условий жизни и работы человека.

В атмосферу водяной пар поступает в основном в результате испарения. Процесс испарения заключается в том, что молекулы, двигаясь хаотически, за счет случайных «соударений» иногда преобразуют кинетическую энергию, достаточную для преодоления сил молекулярного взаимодействия и перехода из поверхностного слоя жидкости в газовую среду, который сопровождается образованием пара над поверхностью жидкости. При испарении происходит охлаждение жидкости. Одновременно с процессом испарения непрерывно происходит и обратный процесс: вследствие хаотического движения часть молекул пара, находящихся вблизи поверхности жидкости, двигаясь вниз, к жидкости, снова будет возвращаться в нее. Этот процесс называется конденсацией и его интенсивность пропорциональна концентрации молекул пара.

По мере увеличения содержания водяного пара над испаряющей поверхностью достигается состояние, при котором число молекул жидкости, покидающих ее, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость, те между процессами испарения и конденсации устанавливается динамическое равновесие. Такое состояние называется насыщением, а пар в этом состоянии – насыщенным. Выражение для расчета концентрации молекул насыщенного пара в зависимости от температуры может быть получено как с помощью молекулярно-кинетической теории, из распределения Больцмана , так из термодинамических соображений (из уравнения Клапейрона-Клаузиуса). Оба вывода дают следующий результат:

Где - молярная теплота парообразования,- универсальная газовая постоянная. Коэффициент пропорциональности.

Аналогично зависит от температуры и плотность насыщенного пара, отличающаяся от концентрации лишь множителем, равным массе молекулы данного вещества:

Для оценки влажности воздуха используется ряд характеристик, которые отражают либо абсолютное содержание водяного пара в воздухе, либо степень близости содержания водяного пара в воздухе к состоянию насыщения. Они называются гигрометрическими характеристиками. В метеорологии используется следующие гигрометрические характеристики:

Парциальное давление (упругость) водяного пара - давление, которое имел бы водяной пар, находящийся в газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре. Измеряют в единицах давления, т.е. либо в паскалях (Па), либо в миллиметрах ртутного столба (мм. рт. ст.). Парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения или максимальной упругостью. Обозначается, максимальная упругость зависит от температуры, фазового состояния испаряющей поверхности и кривизны испаряющей поверхности;

Дефицит насыщения - разность между давлением насыщенного водяного пара (максимальной упругостью) и фактическим давлением при данной температуре воздуха.

Данная характеристика влажности показывает, сколько водяного пара недостает для смещения воздуха при данной температуре. Дефицит влажности определяет интенсивность процессов испарения;

Относительная влажность - отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара над плоской поверхностью химически чистой воды при данной температуре

Относительную влажность принято выражать в процентах.

Данная характеристика влажности воздуха характеризует степень насыщения воздуха водяным паром;

Абсолютная влажность - масса водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Она обычно выражается вили в. Между абсолютной влажностью и парциальным давлением водяного пара существует соотношение

,

Где - парциальное давление водяного пара в гектопаскалях,- температура в кельвинах. Данное соотношение получается из уравнения состояния водяного пара

Где - молекулярная масса водяного пара:

.

Для каждой температуры абсолютная влажность имеет свое максимально возможное значение, отвечающее насыщению воздуха парами воды. Это максимально возможное значение абсолютной влажности численно равно плотности насыщенного пара;

Точка росы - температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, при данном атмосферном давлении становится насыщенным по отношению к плоской поверхности химически чистой воды. Следует помнить, что точка росы является характеристикой влажности воздуха, а не его термического режима. Определяется по значению парциального давления водяного пара или экспериментально с помощью гигрометра точки росы.

Необходимость использования для практических целей различных характеристик влажности воздуха привела к тому, что в настоящее время встречается довольно большое количество различных методов измерения влажности воздуха. Наиболее распространенными методами измерения влажности являются психрометрический и гигрометрический;

Психрометрический метод является одним из наиболее употребительных способов определения влажности воздуха. В основе метода лежит зависимость интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Интенсивность испарения определяется путем измерения понижения температуры термометра, с поверхности которого происходит испарение. Вычисления проводятся по психрометрической формуле

Где - парциальное давление водяного пара в воздухе,- давление насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности,- давление атмосферы,- температура воздуха и температура испаряющей поверхности соответственно,- психрометрический коэффициент, величина которого зависит от скорости движения воздуха около смоченного термометра, конструктивных особенностей резервуара термометра, а также от состояния смачиваемой ткани,- психрометрическая разность.

Часто при определении характеристик влажности воздуха пользуются не психрометрической формулой, а специальными таблицами или номограммой. Номограмма – система линий, по пересечению которых находят интересующую величину.

Поясним принцип построения номограммы для измерения влажности воздуха. Для этого на диаграмме состояний (рис.1) кроме изобар и изотерм проводят систему параллельных прямых с угловым коэффициентом, равным - . Искомая изобара, соответствующая давлению пара в воздухе, происходит горизонтально через точку- пересечение вертикальной изотермы, соответствующей комнатной температуреи наклонной линии, проведенной из точки, соответствующей состоянию насыщающего пара около влажного термометра.°

Рис.1

К монограмме, поясненной на рис.1, можно добавить систему линий, соответствующих относительной влажности 10%, 20%, 30% и т.д. Тогда, зная температуру влажного термометра и температуру воздуха, можно сразу найти относительную влажность воздуха в процентах. Такая номограмма приведена на рис.2.

Приборы, которые применяются при измерении влажности воздуха психрометрическим методом, называются психрометрами. Психрометры содержат два термометра. Одним измеряют температуру тела , с поверхности которого происходит испарение воды (этот термометр называется «смоченным»), другие – температуру окружающего воздуха(«сухой» термометр). Для измерения влажности воздуха психрометрическим методом используют психрометры двух типов: стационарный психрометр и аспирационный психрометр.

Стационарный психрометр состоит из двух одинаковых термометров установленных (укрепленных) рядом и сосуда для дистиллированной воды. Резервуар одного из термометров обернут батистом, конец которого погружен в сосуд с дистиллированной водой, который установлен так, чтобы уровень жидкости был на 2 см ниже резервуара термометра. Примером стационарного психрометра является бытовой психрометр.

Аспирационный психрометр относится к более точному виду психрометров. Отличие от стационарного состоит в том, что термометры имеют радиационную защиту, а сам психрометр снабжен аспиратором (пружинный вентилятор), который служит для просачивания окружающего воздуха мимо термометров с постоянной емкостью. (Более подробно с устройством аспирационного психрометра можно познакомиться по техническому описанию).

Можно отметить следующие достоинства психрометрического способа:

Приборы имеют несложную конструкцию.

Достигается достаточная точность измерения влажности при положительных температурах.

Приборы не требуют специальной градуировки по влажности.

К недостаткам следует отнести:

1) Резкое понижение чувствительности приборов с понижением температуры, когда абсолютная влажность становится незначительной.

2) Имеется некоторая зависимость показаний прибора от изменения атмосферного давления и требуется определенная скорость обдува смоченного термометра при использовании стационарного психрометра.

3) При отрицательных температурах затруднено автоматическое смачивание термометра, и показания прибора зависят от фазового состояния воды на смоченном термометре.

Психрометрический метод является одним из лучших способов измерения влажности при положительных температурах. Этот метод практически не пригоден для измерения влажности при очень низких отрицательных температурах. .

Влажность воздуха при низких температурах измеряется гигрометрическим методом с использованием гигрометров различных типов. Наиболее широко применяют волосные гигрометры и гигрометры точки росы.

Волосной гигрометр относится к деформационным приборам, в которых измеряется удлинение чувствительного элемента. Его техническое устройство чрезвычайно просто: натянутый пружиной волос соединен со стрелкой. Действие волосного гигрометра основано на конденсации в порах (микротрещинах, см. рис.3) обезжиренного волоса водяного пара, что приводит к его увеличению. Это связано с тем, что изогнутость поверхности сконденсированной жидкости создает отрицательное по сравнению с внешним давлением давление Лапласа

Рис.3

.

Это отрицательное давление стягивает стенки каждой микротрещины и таким образом сжимает волос вдоль его оси.

При изменении относительной влажности от 0 до 100% удлинение волоса составляет 2.5% его длиныи происходит нелинейно. При влажности выше 20% удлинение волоса приблизительно пропорционально логарифму относительной влажности. Шкала прибора проградуирована в единицах относительной влажности.

Гигрометр точки росы. Принцип действия прибора основан на измерении температуры охлаждаемого тела в момент конденсации на нем паров воды, т.е. относительная влажность в пограничном слое воздуха будет равна 100%. Зная точку росы с помощью таблицы упругости водяного пара или графика зависимости можно непосредственно находить значение упругости водяного пара, находящегося во влажном воздухе.

Датчик прибора обычно содержит металлическое зеркальце, охлаждаемого либо путем испарения эфира (гигрометр Ламбрехта), либо с помощью полупроводниковых термоэлементов, как предложено в данной работе конденсационным гигрометре. (Принцип действия и методика определения точки росы с помощью конденсационного гигрометра описаны в техническом описании прибора).

Гигрометр точки росы используется в качестве образцового при поверке измерителей влажности воздуха.