2.7. Лабораторная работа №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Цель работы:экспериментальное определение влажности воздуха двумя различными методами, изучение приборов и физических процессов, положенных в основу этих методов.

Приборы и принадлежности:гигрометр, психрометр, барометр, термометры, стеклянный экран, резиновая груша или ручной насос.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В состав атмосферы входит водяной пар. Процессы конденсации и испарения воды оказывают большое влияние на температурный режим атмосферы. Для количественной характеристики влажности воздуха пользуются понятиями абсолютной влажности, относительной влажности и дефицита влажности.

Под абсолютной влажностьюпонимается физическая величина, численно равная массе водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха при данной температуре. Обычно абсолютную влажность выражают вг/м³. Так как плотность пара и его давление линейно связаны (, гдеp– давление пара,– его плотность,– молярная масса,Т– абсолютная температура,R –универсальная газовая постоянная), абсолютную влажность часто измеряютупругостью(парциальным давлением) водяного пара и выражают ее в миллиметрах ртутного столба.

Для каждой температуры существует некоторое максимальное значение абсолютной влажности, равное упругости насыщенного водяного пара при заданной температуре. Следует заметить, что при определенных условиях возможно пересыщение пара. Однако состояние пересыщенного пара является малоустойчивым, и практически все излишки пара конденсируются. Ощущение сухости или сырости воздуха связано не с абсолютной влажностью, а с относительной. Под относительной влажностьюпонимают отношение абсолютной влажности к ее максимальному значению при данной температуре. Относительная влажность чаще всего выражается в процентах.

Если обозначить относительную влажность через r, абсолютную влажность черезе, а максимальную влажность при той же температуре черезЕ то

. (1)

Разность между влажностью насыщенного пара Еи влажностью водяного пара, фактически имеющегося в воздухе при той же температуре, называется дефицитом влажностиD:

D = E – e. (2)

Влажность воздуха измеряется гигрометрами и психрометрами, абсолютную влажность воздуха можно определить и непосредственно. Для этого пропускают определенный объем воздуха через трубку, содержащую вещества, поглощающие пары (например, хлористый кальций или фосфорный ангидрид), и находят разность масс трубки с содержимым после пропускания воздуха и до него. Однако определение влажности воздуха гигрометром и психрометром более удобно, хотя и несколько менее точно.

Задание 1. Определение влажности воздуха методом точки росы.

Для определения влажности воздуха в данной работе используется гигрометр конденсационного типа. Он состоит из небольшой металлической цилиндрической камеры 1 с никелированной передней стенкой 2 (рис. 11). В камеру через специальное отверстие заливается ацетон, эфир или любая другая легко испаряющаяся жидкость. Температура ацетона измеряется термометром 3.

Рис. 11

В стенки камеры впаяны трубка 4, соединенная с резиновой грушей или насосом. Передняя стенка камеры 2 окружена изолированным от нее никелированным кольцом 5. С помощью груши или ручного насоса через камеру медленно продувают воздух и наблюдают за ее стенкой 2. Продувание воздуха усиливает испарение ацетона, пары которого выводятся наружу. Вследствие испарения ацетона температура понижается и стенки камеры охлаждаются.

Температуру воздуха в непосредственной близости от камеры можно считать равной температуре ацетона и стенок камеры. При некоторой температуре (ниже комнатной) водяной пар, находящийся в прилежащем к стенке слое воздуха станет насыщенным. Дальнейшее понижение температуры приведет к его конденсации на никелированной поверхности камеры. Температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.

В момент появления первых признаков росы (помутнение поверхности 2) прекращают продувание воздуха и быстро отсчитывают температуру t₁по термометру. Для повышения точности отсчета температуры пользуются лупой. Затем температура ацетона начинает повышаться, и помутнение начинает исчезать с поверхности 2. Отсчитывают температуру, соответствующую началу исчезновения росыt₂. Помутнение стенки 2 и исчезновение его легко заметить на фоне кольца 5, поверхность которого остается все время блестящей.

Обычно температура t₁немного ниже, а температураt₂немного выше температуры точки росы. За температуру точки росы берется среднее из этих двух отсчетов:

.

Точку росы определяют не менее пяти раз, на основании полученных данных рассчитывают ее среднее значение. При наблюдении за появлением и исчезновением росы рекомендуется поставить между наблюдателем и гигрометром стеклянный экран, с тем, чтобы дыханием не изменяло влажность воздуха около конденсирующей поверхности.

Зная точку росы, легко определить абсолютную и относительную влажность воздуха. Абсолютная влажность воздуха будет равна упругости или плотности насыщенного пара при температуре точки росы, ее можно найти из таблицы зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры.

Относительная влажность может быть вычислена по формуле (1), если значение упругости насыщенного пара Евзять из той же таблицы, определив предварительно комнатную температуру. Зная упругость насыщенного параЕи абсолютную влажностье, можно вычислить дефицит влажностиDпо формуле (2). Указанным методом можно определить влажность воздуха до температуры -5°С.

В таблице 8 представлена зависимость давления насыщенных водяных паров Еот температуры на участке -5+40°С.

Таблица 8

t°С	5	0	5	10	15	20	25	30	35	40
Е, мм рт.ст	3.01	4.58	6.54	9.21	12.8	17.5	23.8	31.8	42.2	55.3

Эта зависимость хорошо аппроксимируется эмпирической формулой

, (3)

где Е₀ = 4.58мм рт.ст. – упругость насыщенных водяных паров приt= 0°С,В, – эмпирические константы:В =7.5 (для воды),= 237.3°С. График такой аппроксимирующей функции представлен на рис. 12.

Рис. 12

Поскольку водяные пары, содержащиеся в воздухе, обычно не перенасыщены, то реальным состояниям атмосферы могут соответствовать точки под кривой (или на ней) и обратно: каждая точка под кривой (либо на ней) соответствует некоторому возможному состоянию атмосферы с температурой tи упругостью водяных парове. ПустьS– такое состояние. Если воздух вместе с содержащимся в нем водяным паром охладить при постоянном давлении (прямаяSR) , то, как видно из рис. 12, при некоторой температуреводяные пары станут насыщенными (точкаR). Температуройточки росы(или просто точкой росы) называется та температура, которую примет влажный воздух, если его изобарически охладить до состояния полного насыщения.

Дефицит влажности Dна диаграмме состояния изображается отрезкомSd. Относительная влажность также может быть определена на диаграмме как отношение отрезковRиdt, умноженное согласно (1) на 100%.

Задание 2.Определение постоянной психрометра Ассмана.

Влажность воздуха может быть определена также по показаниям психрометра и психрометрическим таблицам. Психрометрический метод определения влажности основан на зависимости скорости испарения воды от влажности окружающего воздуха. Психрометр Ассмана состоит (рис. 13) из двух одинаковых термометров, резервуары которых в целях защиты от излучения окружающих тел, помещены внутри открытых металлических двухстенных трубочек. Резервуар одного из термометров обмотан батистом. Смачивание батиста производится из специальной пипетки, имеющейся в комплекте прибора. Скорость обтекания воздухом резервуаров сухого и влажного термометров должна быть всегда постоянной. Это достигается при

Рис. 13

помощи вентиляторов с часовым механизмом, помещенных вверху прибора. Сухой термометр психрометра показывает температуру воздуха t₁, а влажный (в случае, если водяной пар в воздухе не является насыщенным) – температуруt₂, более низкую, зависящую от влажности окружающего воздуха. Разность температурt₁ -t₂тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха. При испарении воды с поверхности батиста температура влажного термометра понижается до тех пор, пока количество теплотыQ₁, поступающее к термометру из окружающей среды за время, не станет равным количеству теплотыQ₂, необходимому для испарения.

До установления теплового равновесия Q₁ < Q₂. В случае теплового равновесияQ₁ = Q₂, и температура влажного термометраt₂не меняется, несмотря на продолжающееся испарение.

Количество теплоты Q₁, поступающее из окружающей среды при небольших разностях температур и невысоких температурах, определяется законом:

Q₁ =aS(t₁-t₂), (4)

где a– коэффициент пропорциональности,S – поверхность резервуара, обернутая батистом.

Если за время с поверхностиSиспаряется масса водыm, то количество теплотыQ₂, необходимое для испарения, равноm, где– удельная теплота испарения при температуре влажного термометра, т.е.

Q₂ = m . (5)

Если обозначить через m₁массу воды, испаряющейся с поверхностиSза единицу времени, тоm=m₁, аQ₂ = m₁. Согласно закону Дальтона,

, (6)

где k– коэффициент пропорциональности, зависящий главным образом от скорости протекания воздуха над испаряющейся поверхностью,E₂– упругость насыщенного водяного пара при температуре испаряющейся поверхности (т.е. при температуре влажного термометра,),e– абсолютная влажность воздуха,Н– атмосферное давление. Тогда

, (7)

При установившемся режиме испарения Q₁=Q₂и

. (8)

Из формулы (8) следует, что разность температур сухого и влажного термометров пропорциональна разности упругостей насыщенного водяного пара, находящегося в воздухе. Отсюда для абсолютной влажности нетрудно получить следующее выражение:

. (9)

Обозначим получим так называемую психрометрическую формулу

, (10)

где А- постоянная психрометра, зависящая от его конструкции и еще в большей степени от скорости обтекания воздухом резервуара влажного термометра. Она может быть определена экспериментально.

В данной работе показания психрометра Ассмана используются не для определения абсолютной и относительной влажности воздуха, а для определения постоянной этого психрометра. Из формулы (10) получаем:

. (11)

Упругость насыщенного водяного пара при температуре влажного термометра E₂находится из таблицы зависимости давления насыщенного пара от температуры; абсолютная влажностьeопределяется в первой части работы с помощью гигрометра; атмосферное давлениеH определяется по барометру; разность температур (t₁-t₂) определяется по показаниям сухого и влажного термометров психрометра (при отсчете температур следует пользоваться лупой).

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Определите гигрометром среднее значение точки росы из трех наблюдений. По таблице зависимости давления и плотности водяного пара от температуры определите абсолютную влажность воздуха в мм рт.ст. иг/м³. Рассчитайте в процентах относительную влажность.

2. Определите относительную влажность по волосному гигрометру. Сравните полученные результаты.

3. Определите дефицит влажности.

4. Осторожно (чтобы вода не попала на сухой термометр) смочите дистиллированной водой батист, которым обернут резервуар одного из термометров психрометра. При помощи ключа заведите часовой механизм вентилятора до отказа (не сорвите при этом пружину!). При установившемся процессе испарения (3-4 мин) отсчитайте три раза разность температур (t₁ -t₂). Если перед отсчетом наблюдается замедление вращения вентилятора, то заведите его снова. Определите атмосферное давление (вмм рт.ст.) и рассчитайте постоянную психрометра Ассмана.

5. Вычислите среднюю абсолютную, среднюю относительную погрешности при определении точки росы. Оцените погрешность, допущенную при определении абсолютной влажности.

6. Рассчитайте предельные относительную и абсолютную ошибки вычислений постоянной психрометра Ассмана.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое абсолютная влажность и в каких единицах .она измеряется?

2. Что такое относительная влажность, и в каких единицах она измеряется?

3. Каким является водяной пар, находящийся в воздухе: 1) при температуре выше точки росы; 2) при температуре ниже точки росы?

4. Как устроен волосяной гигрометр? Как устроен плёночный гигрометр?

5. Какую размерность имеет постоянная психрометра Ассмана?

6. Как пользоваться психрометрическими таблицами?

7. По величине упругости насыщенного пара при 14С, взятой из таблицы, определите значение плотности пара.

8. Оба термометра в психрометре Ассмана показывают одинаковую температуру. Какова при этом относительная влажность воздуха?

9. Как изменится разность показаний сухого и влажного термометров в психрометре при понижении температуры воздуха, если абсолютная влажность остается неизменной?