Laboratornye / Теплота_PDF / Lab_Mol_01

φ

ρ0,

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ АБСОЛЮТНОЇ ТА ВІДНОСНОЇ ВОЛОГОСТІ ПОВІТРЯ

Мета роботи. Визначити абсолютну ρ і відносну вологість φ повітря психрометричним методом. Вивчити будову і принцип дії гігрометра Ламбрехта.

1.1. Теорія методу та опис приладів

Нерівномірний розподіл кінетичної енергії теплового руху молекул призводить до того, що за будь-якої температури кінетична енергія деяких молекул рідини або твердого тіла може перевищувати потенціальну енергію їх зв’язку з іншими молекулами. Випаровування – це процес, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають молекули, кінетична енергія яких перевищує потенціальну енергію їх взаємодії. Випаровування супроводжується охолодженням рідини.

Випаровування рідини у закритій посудині за незмінної температури призводить до поступового збільшення концентрації молекул у газоподібному стані, речовини що випаровується. Через деякий час з початку процесу випаровування концентрація речовини у газоподібному стані досягає такого значення, при якому кількість молекул, які повертаються у рідину за одиницю часу, стає приблизно рівною кількості молекул, що залишають поверхню рідини за той самий час. Таким чином встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування і конденсації речовини.

Речовина в газоподібному стані, що знаходиться у динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченої парою. Пара під тиском, значення якого менше за тиск насиченої пари, називається ненасиченою парою.

Безперервне випаровування з поверхонь водоймищ, ґрунту, рослин тощо зумовлює наявність молекул води в складі повітря. Це явище називають вологістю повітря. Вологість повітря є однією з найважливіших характеристик кліматичних явищ, які відбуваються в атмосфері.

Абсолютна вологість визначається масою водяної пари що міститься в одиниці об’єму повітря за даної температури, тобто її густиною ρ.

Оскільки тиск водяної пари до моменту насичення змінюється прямо пропорційно до її маси, то абсолютну вологість повітря характеризує не тільки густина пари, а й створений парою парціальний тиск Р.

Під відносною вологістю розуміють відношення абсолютної вологості ρ до маси пари в одиниці об'єму яка насичує повітряний простір за тієї самої температури, і виражається у процентах:

				100%
		0
				.	(1.1)
Користуючись поняттям парціального тиску Р і тиску при якому пара стає
насиченою Р0 , можна визначити відносну вологість повітря за формулою:
		P	100%
		P0			(1.2)

1

Точкою роси називається температура, за якої наявна у повітрі водяна пара стає насиченою, тобто починає конденсуватися на охолодженій поверхні.

Основні методи визначення вологості повітря ґрунтуються на методах точки роси і психрометра.

	1. Метод точки роси
	Вологість		повітря
	даним		методом
	визначається			за
	допомогою	гігрометра
	Ламбрехта (рис. 1). Він
	складається	з	тонкого
	металевого	полірованого
	диска 2 і кільця		3,	між
	якими	розташовано
	теплоізолятор		4,	на
	зворотному боці пристрою
	є резервуар 1. У резервуар
	наливають	ефір		і
	занурюють	термометр 6.
	Через отвір за допомогою
	гумової		груші 5
	продувають повітря.			Ефір
	швидко	випаровується,
	диск 2	при	цьому		Рис. 1
	охолоджується, і		повітря,

що прилягає до диска охолоджується теж, а на поверхні диска виступає роса. Внаслідок конденсації водяної пари з повітря поверхня диска стає ніби матовою, що добре помітно, коли порівняти її з блискучою поверхнею кільця 3. Фіксують температуру, що відповідає моменту покриття поверхні диска 2 крапельками роси tp1. Припинивши продування повітря, визначають температуру tp2 зникнення роси. Для обчислення вологості повітря беруть за точку роси tp середнє арифметичне величин tp1 і tp2. З Таблиці 2 (Додаток 1) знаходять густину насичуючої водяної пари ρ за температури tp, тобто абсолютну вологість повітря. Знаючи кімнатну температуру tк та користуючись тією ж таблицею знаходять густину насиченої водяної пари ρ0. Відношення цих двох величин і дає значення відносної вологості повітря φ (формула 1.1).

2. Метод психрометра

Якщо взяти два однакові термометри, кулька одного з яких безперервно змочується водою, то покази обох термометрів (―сухого‖ і ―вологого‖) відрізнятимуться.

Внаслідок випаровування води зволожений термометр показуватиме нижчу температуру, ніж сухий. Чим менша вологість навколишнього повітря, тим інтенсивніше випаровування, і тим менші покази зволоженого термометра. Значення

2

показів сухого tс і зволоженого tм термометрів дають можливість визначити відносну вологість повітря φ за психрометричною Таблицею 1 (Додаток 1).

Взявши до уваги значення тиску насиченої пари при температурі сухого термометра з рівняння (1.2) можна отримати значення абсолютної вологості повітря:

P0

0

P

або

100% .

(1.3)

100%

З іншого боку використавши рівняння теплового

балансу для кульки мокрого термометра,

Q1 Q2

(1.4)

де Q1 — кількість теплоти, що передана оточуючим

повітрям термометру, дорівнює кількості теплоти Q2,

що йде на випаровування води з його мокрої поверхні.

Згідно закону Ньютона кількість теплоти Q1

прямо пропорційна площі поверхні випаровування S

та різниці температур: tс — середовища і tм –

зволоженої кульки термометра. Отже, матимемо:

Q1 S

tc

tм

,

(1.5)

де α – коефіцієнт тепловіддачі.

Кількість теплоти

Q2

пропорційна швидкості

випаровування u:

u

kS

(P

P)

,

(1.6)

H

м

де S – площа поверхні з якої випаровується вода, Н –

атмосферний тиск, Рм – тиск насиченої пари при

температурі tм, Р – парціальний тиск (абсолютна

вологість) і k – коефіцієнт пропорційності що

характеризує динамічний стан повітря.

Рис. 2

Тож

запишемо

рівняння, яке

характеризує

кількість теплоти Q2:

Q2 u .

(1.7)

Підставивши рівняння (1.6) в (1.7) та прирівнявши отримане співвідношення з

(1.5), отримаємо:

S(t

c

t

м

) kS (P P)

.

(1.8)

H

м

Виконавши декілька елементарних перетворень й прийнявши

1

A , можна

k

знайти психрометричну формулу:

P Pм H A(tc tм ) .

(1.9)

Коефіцієнт A називають сталою психрометра.

Знаючи абсолютну вологість Р, можна визначити сталу психрометра

3

A	Pм P
	H (t	c	t	м	) .		(1.10)
Найпростіший	тип				психрометра —

психрометр Августа — показано на рис. 2. Він складається з двох термометрів, один з яких зволожений.

Аналогічну будову має і психрометр Асмана (аспіраційний), рис. 3, з примусовим рухом повітря за допомогою спеціального пристрою (вентилятора). Будова пристрою: 1 — ртутний термометр (вологий); 2 — ртутний термометр (сухий), 3 — оправа, 4 — механізм вентилятора, 5

— піпетка.

За показами термометрів визначають температури tс і tм.

Література

1.Елементарний підручник фізики. За ред. Г.С. Ландсберга. Т.1. – К. – 1968. – С. 493 – 500;

С. 520 – 522.

2.Фізичний практикум / Під ред.

В.П. Дущенка. — К.: Вища школа, 1981. — ч. I. —

С. 218 — 222.

		3.	Клос І.Є., Печений М., Савчин Л.
	Рис. 3	Лабораторний практикум з фізики. – Львів. – 1973.
		– С. 70 – 76.
4.	Физический практикум. Механика и молекулярная физика. / Под ред.

В.И. Ивероновой. – М. – 1967. – С. 277 – 284.

1.2. Контрольні запитання для визначення ступеня готовності студента

до виконання роботи

1.Яку пару називають ненасиченою? Яку пару називають насиченою?

2.Що називається абсолютною і відносною вологістю?

3.Що таке точка роси?

4.Якими способами вимірюють вологість у даній лабораторній роботі?

5. Що

собою

являє

найпростіший

психрометр?

4

1.3. Практичне виконання роботи

Прилади, обладнання

1. Гігрометр Ламбрехта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

2. Психрометр Августа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 3. Психрометр Асмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 4. Термометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

5. Барометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

6. Піпетка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 7. Дистильована вода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитись та вивчити будову та принцип дії гігрометра Ламбрехта

(теоретично).

2.Ознайомитись і вивчити будову та принцип дії психрометра Августа та користуючись психрометричною Таблицею 1 визначити значення відносної

вологості взявши покази сухого tc та зволоженого tм термометрів. Для цього за допомогою піпетки змочують водою кульку термометра, що підлягає зволоженню. Через деякий час (10 — 15 хв.) температура кульки зволоженого термометра стабілізується — тобто можна проводити вимірювання.

3.Знайти абсолютну вологість повітря користуючись психрометром Августа та формулою (1.3), взявши за основу відносну вологість φ, як результат

попереднього досліду і прийнявши Р0 – як тиск насиченої пари за температури оточуючого середовища (Таблиця 2). Результати подати в одиницях тиску та густини.

4.Визначити сталу психрометра. Знаючи tc і tм знаходять з Таблиці 2 тиск пари Pм, що насичує простір при температурі зволоженого термометра, та тиск пари

Рпри температурі сухого термометра, що відповідає абсолютній вологості знайденій у третьому завданні даної роботи. Сталу психрометра обчислюють за формулою (1.10). Атмосферний тиск вимірюється барометром.

5.Знайти відносну й абсолютну вологість повітря психрометром Асмана.

Користуючись рівняннями (1.3) та (1.9) і беручі сталу психрометра А=6,62·10-4 К-1.

6.Сформулювати висновки відносно методики і результатів вимірювання вологості повітря.

7.Заповнити звітну таблицю.

Тип	tм, С	tc, С	φ, %	Н, Па	А, К-1	Рм, Па	Р, Па
психрометра
Августа
Асмана

5

1.4. Орієнтовні контрольні запитання і тестові завдання для оцінювання якості виконання і захисту лабораторної роботи

1.Який принцип покладено в основу роботи гігрометра Ламбрехта?

2.Чому рідина при випаровуванні охолоджується?

3.Як визначається відносна вологість за допомогою гігрометра Ламбрехта?

4.Поясніть будову психрометра Августа і в чому його основна відмінність від психрометра Асмана?

5.Як користуються психрометричними таблицями?

6.Як будуть змінюватися покази зволоженого термометра при збільшенні вологості повітря?

7.Чому в якості рідини для гігрометра Ламбрехта використовують ефір?

8.Розв’яжіть задачу: термометр дзеркального гігрометра Ламбрехта показує температуру 8,4°C в той момент, коли він вкривається росою. Визначте відносну вологість повітря, якщо температура повітря +16,6°С.

9.Сформулюйте закон Дальтона.

10.Яке значення вологість повітря має для людського організму?

6

Додаток 1

Таблиця 1

Психрометрична таблиця

(перетин - відносна вологість повітря, %)

										Різниця показів сухого та зволоженого термометрів
		0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10	10,5	11	11,5	12	12,5	13	13,5	14	14,5	15
	-4	100	88	75	63	51	39	27	15	4
	-3	100	88	77	65	54	42	31	20	9
	-2	100	89	78	67	56	45	35	24	14	3
	-1	100	89	79	69	58	48	38	28	18	8
	0	100	90	80	70	60	51	41	32	22	13	4
	1	100	90	81	72	62	53	44	35	26	17	9
	2	100	91	82	73	64	55	47	38	30	21	13
	3	100	92	83	74	66	57	49	41	33	25	17
	4	100	92	83	75	67	59	51	44	36	28	21	14	6
	5	100	92	84	76	68	61	54	46	39	31	24	17	10	4
	6	100	92	85	77	70	63	55	48	41	35	28	21	14	8
	7	100	93	85	78	71	64	57	51	44	37	31	24	18	12	5
	8	100	93	86	79	72	66	59	53	46	40	33	27	21	15	9	3
	9	100	93	87	80	73	67	61	54	48	42	36	30	24	19	13	7
термометра	10	100	93	87	81	74	68	62	56	50	44	39	33	27	22	16	11	6
	11	100	94	87	81	75	69	64	58	52	46	41	35	30	25	20	14	9	4
	12	100	94	88	82	76	70	65	59	54	48	43	38	33	28	23	18	13	8	3
	13	100	94	88	83	77	71	66	61	55	50	45	40	35	30	25	20	16	11	7	2
	14	100	94	89	83	78	72	67	62	57	52	47	42	37	33	28	23	19	14	10	5
сухого	15	100	94	89	84	78	73	68	63	58	53	49	44	39	35	30	26	21	17	13	9	5
	16	100	95	89	84	79	74	69	64	60	55	50	46	41	37	33	28	24	20	16	12	8	4
	17	100	95	90	85	80	75	70	65	61	56	52	47	43	39	35	30	26	22	18	15	11	7	3
Покази	18	100	95	90	85	80	76	71	67	62	58	53	49	45	41	37	33	29	25	21	17	13	10	6	3
	19	100	95	90	86	81	76	72	67	63	59	55	51	46	42	38	35	31	27	23	20	16	13	9	6	2
	20	100	95	91	86	81	77	73	68	64	60	56	52	48	44	40	36	33	29	26	22	19	15	12	8	5	2
	21	100	95	91	86	82	78	73	69	65	61	57	53	49	46	42	38	35	31	28	24	21	17	14	11	8	5	2
	22	100	95	91	87	82	78	74	70	66	62	58	54	51	47	43	40	36	33	30	26	23	20	17	13	10	7	4	1
	23	100	96	91	87	83	79	75	71	67	63	59	56	52	48	45	41	38	35	31	28	25	22	19	16	13	10	7	4	1
	24	100	96	91	87	83	79	75	71	68	64	60	57	53	50	46	43	40	36	33	30	27	24	21	18	15	12	9	7	4	1
	25	100	96	92	88	84	80	76	72	68	65	61	58	54	51	48	44	41	38	35	32	29	26	23	20	17	14	12	9	6	4	1
	26	100	96	92	88	84	80	76	73	69	66	62	59	55	52	49	46	42	39	36	33	30	28	25	22	19	16	14	11	9	6	4
	27	100	96	92	88	84	81	77	73	70	66	63	60	56	53	50	47	44	41	38	35	32	29	26	24	21	18	16	13	11	8	6
	28	100	96	92	88	85	81	77	74	71	67	64	61	57	54	51	48	45	42	39	36	34	31	28	25	23	20	18	15	13	10	8
	29	100	96	92	88	85	81	78	74	71	68	64	61	58	55	52	49	46	43	40	38	35	32	30	27	24	22	20	17	15	12	10
	30	100	96	93	89	85	82	78	75	72	68	65	62	59	56	53	50	47	44	42	39	36	34	31	29	26	24	21	19	17	14	12
	31	100	96	93	89	86	82	79	76	72	69	66	63	60	57	54	51	48	46	43	40	38	35	33	30	28	25	23	21	18	16	14
	32	100	96	93	89	86	83	79	76	73	70	67	64	61	58	55	52	49	47	44	41	39	36	34	31	29	27	24	22	20	18	16
	33	100	96	93	90	86	83	80	76	74	70	67	64	61	59	56	53	50	48	45	43	40	38	35	33	30	28	26	24	22	19	17
	34	100	97	93	90	86	83	80	77	74	71	68	65	62	59	57	54	51	49	46	44	41	39	36	34	32	30	27	25	23	21	19
	35	100	98	93	90	87	83	80	77	74	71	68	66	63	60	57	55	52	50	47	45	42	40	37	35	33	31	29	27	24	22	20

7

Таблиця 2

Тиск P та густина ρ насиченої водяної пари при різних температурах

t°,С	P,	ρ,	t°,С	P,	ρ,	t°,С	P,	ρ,
	мм рт.ст.	·10-3 кг/м3		мм рт.ст.	·10-3 кг/м3		мм рт.ст.	·10-3 кг/м3
-30	0,28	0,33	0	4,58	4,84	30	31,82	30,3
-29	0,31	0,37	1	4,93	5,22	31	33,70	32,1
-28	0,35	0,41	2	5,29	5,60	32	35,66	33,9
-27	0,38	0,46	3	5,69	5,98	33	37,73	35,7
-26	0,43	0,51	4	6,10	6,40	34	39,90	37,6
-25	0,47	0,55	5	6,54	6,84	35	42,18	39,6
-24	0,52	0,60	6	7,01	7,3	36	44,56	41,8
-23	0,58	0,66	7	7,51	7,8	37	47,07	41,0
-22	0,64	0,73	8	8,05	8,3	38	49,69	46,3
-21	0,70	0,80	9	8,61	8,8	39	52,44	48,7
-20	0,77	0,88	10	9,21	9,4	40	55,32	51,2
-19	0,85	0,96	11	9,84	10,0	45	71,88	65,4
-18	0,94	1,05	12	10,52	10,7	50	92,5	83,0
-17	1,03	1.15	13	11,23	11,4	55	118,0	104,5
-16	1,13	1,27	14	11,99	12,1	60	149,4	130
-15	1,24	1,38	15	12,79	12,8	65	187,5	161
-14	1,36	1,51	16	13,63	13,6	70	233,7	198
-13	1,49	1,65	17	14,53	14,5	75	289,1	242
-12	1,63	1,80	18	15,48	15,4	80	355,1	293
-11	1,78	1,96	19	16,48	16,3	85	433,6	354
-10	1,95	2,14	20	17,54	17,3	90	525,8	424
-9	2,13	2,33	21	18,65	18,3	95	633,9	505
-8	2,32	2,54	22	19,83	19,4	100	760,0	598
-7	2,53	2,76	23	21,07	20,6
-6	2,76	2,99	24	22,38	21,8
-5	3,01	3,24	25	23,76	23,0
-4	3,28	3,51	26	25,21	24,4
-3	3,57	3,81	27	26,74	25,8
-2	3,88	4,13	28	28,35	27,2
-1	4,22	4,47	29	30,04	28,7

8