Коротка теорія та метод вимірювань

Лабораторна робота № 1.

ВИЗНАЧЕННЯ ВОЛОГОСТІ ПОВІТРЯ

Прилади та обладнання: психрометр Асмана, барометр-анероїд, таблиця тиску насиченої водяної пари (таблиця пружності водяної пари), психрометрична таблиця-номограма.

Мета роботи: засвоїти один із методів (метод Августа) вимірювання вологості повітря.

Коротка теорія та метод вимірювань

Земна поверхня на 71% покрита водою. Випаровування води з поверхні водних басейнів і з поверхні суші Землі призводить до того, що повітря завжди містить деяку, локально змінну кількість водяної пари. Загальна маса водяної пари в атмосфері Землі оцінюється величиною 1,4∙10¹³ т, що складає близько 2,8% від загальної маси атмосфери. Таким чином, повітря завжди вологе.

Розрізняють абсолютну та відносну вологість повітря.

Абсолютною вологістю повітря називається маса водяної пари в одиниці об'єму повітря. По суті це густина водяної пари, розчиненої в повітрі, і вона вимірюється в кг/м³ або г/м³. Абсолютну вологість можна оцінювати також концентрацією молекул водяної пари або її мольною концентрацією.

Застосовуючи рівняння Клапейрона-Менделєєва у формі

(1)

чи рівняння кінетичної теорії ідеального газу

Р=nkТ (2)

(V- об'єм газу, Т - температура за шкалою Кельвіна, т - маса газу, - молярна маса газу, п - концентрація молекул газу, R i k - універсальна газова стала та стала Больцмана) до розчиненої в повітрі водяної пари, як до компоненту суміші, можна зробити висновок, що парціальний тиск (тиск одного з компонентів суміші в тому ж об'ємі, що займає вся суміш газів) пари при даній температурі пропорційний абсолютній вологості і може бути використаний, як рівнозначна їй величина.

Абсолютної вологості не достатньо для завдання водного стану атмосфери. Одна і та ж кількість пари в одиниці об'єму повітря при різних температурах порізному впливає на протікання природних процесів в атмосфері. Більшість явищ, пов'язаних з вологістю, наприклад швидкість випаровування рідин або швидкість висихання різних речовин, зокрема будівельних матеріалів, тканин і т.д., залежить не від кількості вологи, що міститься в повітрі, а від того, близько чи далеко знаходиться ця кількість від насичення. В зв'язку з цим вводять ще одну характеристику вологості повітря - відносну вологість.

Відносна вологість визначається, як відношення абсолютної вологості до густини насиченої пари для даної температури. Як правило, це відношення переводять в проценти. Відносна вологість, як бачимо, спирається на поняття насиченої пари. Насичена пара даної рідини утворюється при встановленні термодинамічної рівноваги між парою і рідиною, тобто при встановленні однієї і тієї ж температури в рідині і парі, а також при рівності двох зворотних потоків: потоку молекул, які випаровуються з рідини, і потоку молекул, які конденсуються із пари.

Згідно з рівняннями (1) і (2) густині чи концентрації насиченої пари відповідає певний тиск, величина якого залежить від температури. Цей тиск називається тиском насиченої пари або пружністю насиченої пари. Залежність тиску насиченої пари від температури називають кривою рівноваги рідини і її насиченої пари або кривою випаровування. В даній роботі тиск насиченої водяної пари при різних температурах наведений у спеціальній таблиці.

Отже, відносну вологість можна задати як виражене в процентах відношення тиску Р пари води, що міститься в повітрі (парціального тиску), до тиску насиченої пари Рн при тій же температурі:

(3)

Таким чином, швидкість випаровування води залежить не від абсолютної вологості повітря, а від близькості водяної пари до насичення, тобто від відносної вологості. Відносна вологість 100% означає, що пара в повітрі стає насиченою, додаткова волога в повітря вже не поступає. Чим менша відносна вологість, тим далі пара від насичення, тим інтенсивніше відбувається випаровування.

Оскільки тиск насиченої пари залежить від температури - він зростає з підвищенням температури, - то одна й та ж сама абсолютна вологість може відповідати ненасиченому і насиченому стану пари в залежності від температури. Та температура, починаючи з якої пара, що знаходиться в повітрі, стає насиченою, називається точкою роси. Точка роси характеризує початок конденсації водяної пари при зниженні температури.

Психрометр Асмана складається з двох однакових термометрів, закріплених в спеціальному корпусі, і вентилятора з годинниковим механізмом заводу, розміщеним в верхній частині приладу. Ртутний резервуар одного з термометрів, обгорнутий батистом чи марлею, попередньо змочують у воді. Під час вимірювань термометри інтенсивно обдуваються повітрям за допомогою вентилятора. «Сухий» термометр практично не змінює свої показання, які відповідають температурі оточуючого повітря. Температура «вологого» термометра t_в, внаслідок випаровування води з поверхні батисту, встановлюється нижчою від температури «сухого» термометра t_с.. Вказана різниця температур - психрометрична різниця - залежить від відносної вологості повітря.

Кількість теплоти, що йде на випаровування води за одиницю часу з одиниці поверхні батисту q₁ виражається через атмосферний тиск Ро і різницю Р´_н - Р, де Р´_н - тиск насиченої пари води при температурі «вологого» термометра (максимальна абсолютна вологість при температурі t_в), Р - парціальний тиск водяної пари повітря (абсолютна вологість), таким чином

(4)

- коефіцієнт, залежний від конструкції приладу.

З іншого боку, кількість теплоти, що надходить за одиницю часу до одиниці поверхні вологого батисту з повітряного потоку q₂,, пропорційна різниці температур «сухого» і «вологого» термометрів t_с - t_в

(5)

- коефіцієнт тепловіддачі даної системи.

При досягненні системою термодинамічної рівноваги, приплив теплоти з оточуючого середовища буде компенсуватись втратами теплоти на випаровування води з поверхні батисту. Прирівнюючи і одержимо співвідношення для визначення тиску водяної пари, що знаходиться в повітрі - абсолютної вологості:

(6)

де - коефіцієнт, залежний від конструкції психрометра, головним чином від швидкості обтікання повітря ртутного резервуара «вологого» термометра (стала Асмана). Сталу а визначають експериментально, в даній роботі а = 0,0005 град ^-1.

Як правило, кожному психрометру надається психрометрична таблиця, де в залежності від температури і психрометричної різниці температур вказані абсолютна і відносна вологості. В даній роботі абсолютну і відносну вологості слід розрахувати самостійно і тільки для контролю відносної вологості застосована психрометрична таблиця-номограма.

Вказаний метод вимірювання вологості повітря вперше був запропонований Августом (1825 р.). Точними розрахунками метод забезпечив Аніон, удосконалив техніку вимірювання Асман.

Вологість повітря відіграє важливу роль для зберігання зерна, овочів і фруктів у сховищах, для прогнозування погоди, зокрема надходження заморозків, для формування мікроклімату в інкубаторах, тваринницьких приміщеннях, книгосховищах, бібліотеках, музеях і т.д.

Пов'язані з вологістю повітря явища випаровування і конденсації води визначають круговорот вологи і теплообмін на земній поверхні. При конденсації водяної пари в атмосфері утворюються хмари (в вільній атмосфері), туман (в приземному шарі повітря), роса (на поверхні Землі і наземних предметах). Атмосферні опади знову повертають на Землю випарену з неї воду. Кругообіг води постійно супроводжується кругообігом теплоти: в місцях, до відбувається випаровування води, величезна кількість теплоти поглинається, а в районах, де відбувається конденсація пари, ця теплота виділяється. Процеси випаровування і конденсації формують помірність клімату приморських районів. Випаровування і конденсація регулюють теплообмін і обмін вологи тварин і рослин.

Вплив вологості на організм сільськогосподарських тварин можна вважати досить помірним. Однак при оцінці впливу вологи слід виходити також із необхідності врахування всього комплексу кліматичних факторів: температури навколишнього середовища, атмосферного тиску, аероіонного та радіаційного стану атмосфери і ін. Так, висока вологість у поєднанні з високою температурою знижує рівень випаровування зі шкіри тварин, що ускладнює тепловіддачу і, як наслідок, спричиняє зниження апетиту у тварин, погіршення засвоюваності кормів і зниження продуктивності. Крім того, знижується резистентність тварин, зростає захворюваність і падіж внаслідок розвитку патогенної та грибної мікрофлори. Підвищена вологість призводить до поганого оперення птиці.

Оптимальною для тваринницьких приміщень вважають відносну вологість в межах 65-75%. У холодну пору року допускають зниження відносної вологості до 50%.

Порядок виконання роботи:

1. Ознайомтесь з конструкцією психрометра Асмана. Переконайтесь, що один з термометрів має батистову обгортку.

2. Змочіть батистову обгортку термометра за допомогою гумової груші або склянки з водою.

3. Обережно заведіть пружину вентилятора (6-9 півобертів ручки заводу) і проведіть спостереження за змінами температур «вологого» та «сухого» термометрів.

4. Після того, як температури обох термометрів перестануть зменшуватись і встановляться на певних рівнях, запишіть значення цих температур з точністю до 0,1°С.

5. За таблицею пружності насиченої пари води визначте тиски насиченої пари Р’н і Рн відповідно для температур «вологого» t_в та «сухого» t_в термометрів.

6. За допомогою барометра визначте атмосферний тиск Ро і переведіть його в мм рт. ст. відповідно одиницям вимірювання тиску насиченої пари за таблицею пружності насиченої пари води. (Враховуйте, що 101325 Па відповідає 760 мм рт. ст.)

7. Обчисліть за формулою (6) абсолютну вологість повітря.

8. За формулою (3) визначте відносну вологість повітря В.

9. Використовуючи психрометричну таблицю-номограму, визначте

відносну вологість В' за відомими значеннями t_с і t_в Порівняйте В' і В.

Результати вимірювань та розрахунків подайте у вигляді таблиці: