2015-02-24
3605
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
И ПОСТОЯННОЙ ПСИХРОМЕТРА АССМАНА
Изучаются два метода измерения влажности воздуха и положенные в их основу физические явления.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Влажность воздуха - количество водяных паров в воздухе. Влажность играет существенную роль при протекании многих процессов в метеорологии, сельском хозяйстве, промышленности. От влажности воздуха зависит самочувствие и работоспособность человека. Для количественной характеристики влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности, дефицита влажности.
Абсолютная влажность e 
- масса водяного пара в единице объема воздуха, т.е. объемная плотность водяного пара в воздухе. Водяной пар является одним из компонентов воздуха. Парциальное давление водяного пара рвп - давление водяного пара в объеме, который занимает весь воздух. Парциальное давление по закону Дальтона связано с его плотностью 
уравнением Менделеева-Клапейрона:
, (1)
где 
- молярная масса водяного пара (
),
- газовая постоянная.
|
|
|
Насыщенный пар (н. п.). При данной температуре существует некоторое максимальное значение абсолютной влажности, соответствующее состоянию насыщения пара. Плотность насыщенного пара - Е. Тогда:
. (2)
Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах приведены в таблице 1. Отметим, что с ростом температуры максимальное значение абсолютной влажности возрастает. При достижении температуры кипения воды Т = 373,15К (t = 100°С) давление воздуха нормальное, давление насыщенного водяного пара 
= 1 атм. = 1,01×105 Па.
При понижении температуры излишки пара конденсируются, превращаясь в туман, росу. Это происходит при температуре t т.р., называемой точкой росы, когда плотность водяных паров становится равной 
.
При отсутствии центров конденсации возможно перенасыщение пара. Однако такое состояние неустойчиво, т. е. метастабильно.
Относительная влажность r (%) равна отношению абсолютной влажности к ее максимальному значению Е при данной температуре, выраженному в процентах:
. (3)
Дефицит влажности D (кг/м3) - разность между максимальным и наблюдаемым значениями абсолютной влажности:
. (4)
Измерение влажности воздуха. Приборы для измерения влажности воздуха называют гигрометрами и психрометрами. Точное значение абсолютной влажности определяют, пропуская определенный объем воздуха через трубку, содержащую вещество, поглощающее пары (хлористый кальций, фосфорный ангидрид).
Самые простые стрелочные гигрометры содержат нить из обезжиренного человеческого волоса, синтетического материала или органической пленки, которые сокращаются при увеличении влажности, что вызывает поворот стрелки прибора. Такой гигрометр удобен, но имеет большую погрешность измерений.
|
|
|
В данной работе для измерения влажности воздуха применяются два прибора: конденсационный гигрометр, позволяющий определить точку росы, и психрометр Ассмана.
Конденсационный гигрометр. Гигрометром служит полупроводниковый холодильник тип ТП-2М, основанный на эффекте Пельтье (рис. 1).
| Основной частью гигрометра является медный цилиндр MЦ с хромированной и полированной верхней поверхностью. Его температура измеряется термометром Т. При включении гигрометра, когда его температура достигает температуры росы t 1, на хромированной поверхности конденсируются капельки воды, и она мутнеет. |
Температуру воздуха в непосредственной близости от поверхности цилиндра можно считать равной температуре поверхности.
После выключения гигрометра, при повышении температуры до t2, вода испаряется, и поверхность снова становится блестящей. Потускнение цилиндра и возвращение блеска легко заметить на фоне полированного хромированного кольца ХК, которое остается при комнатной температуре. При проведении опыта между наблюдателем и гигрометром устанавливается стеклянный экран СЭ, препятствующий изменению влажности воздуха около МЦ от дыхания наблюдателя.
Психрометр Ассмана. Психрометр Ассмана состоит из двух одинаковых жидкостных термометров. Для защиты от теплового излучения окружающих тел их резервуары помещены внутри открытых металлических двустенных трубочек. Резервуар одного из термометров обмотан батистом, который смачивается дистиллированной водой с помощью пипетки.
В верхней части прибора помещен вентилятор, обеспечивающий принудительную циркуляцию воздуха с постоянной скоростью у обоих термометров.
Сухой термометр психрометра показывает температуру окружающего воздуха 
, а влажный – температуру 
. Разность температур тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха, так как тогда испарение воды происходит быстрее. При 
(соответствует состоянию насыщения пара) испарение воды у влажного термометра прекращается, и становится равной .
Тепловое равновесие резервуара влажного термометра достигается при равенстве количества теплоты, поступающего от протекающего воздуха, и количества теплоты, необходимого для испарения воды. За одну секунду воздух, обтекающий резервуар, отдает ему количество теплоты, пропорциональное разности температур 
и площади поверхности испарителя S:
, (6)
где С - коэффициент, зависящий от скорости протекания воздуха.
Испаряющаяся вода отнимает за одну секунду у резервуара количество теплоты:
, (7)
где 
- удельная теплота испарения воды при температуре , 
- масса воды, испарившейся за секунду. Эта масса пропорциональна разности между плотностью насыщенного пара 
при температуре и абсолютной влажностью воздуха , а также коэффициенту К, зависящему от скорости протекания воздуха и площади S и она обратно пропорциональна атмосферному давлению 
:
(8)
Объединяя формулы (6) - (8) при 
, получаем соотношение при тепловом равновесии – психрометрическую формулу:
, (9)
где 
- постоянная психрометра, зависящая от его конструкции и температуры .
На основании психрометрической формулы составляются психрометрические таблицы для вычисления абсолютной и относительной влажности по показаниям сухого и влажного термометров (см. таблицу 2).
Постоянная психрометра может быть определена, если известна абсолютная влажность e, согласно формуле (9):
. (10)
ЗАДАНИЕ 1.
1.Определить с помощью конденсационного гигрометра среднее значение температуры росы из трех измерений. Данные занести в таблицу А.
2. По таблице 1 определить значение плотности насыщенного пара при температуре росы (е) и при комнатной температуре (Е). Рассчитать значение относительной влажности r, используя формулу (3).
|
|
|
3. По таблице 1 определить парциальное давление р водяного пара.
ЗАДАНИЕ 2.
1. Осторожно (чтобы вода не попала на сухой термометр) смочить дистиллированной водой батист, которым обернут резервуар одного из термометров психрометра, включить вентилятор. При использовании психрометра с часовым механизмом ключ последнего осторожно завести до отказа. При установившемся режиме испарения измерить пять раз температуры сухого (t 1) и влажного (t 2) термометров. Результаты занести в таблицу Б. Используя таблицу 2, определить значение относительной влажности воздуха r.
2. С помощью формулы (3) рассчитать значение абсолютной влажности е.
3. Определить атмосферное давление с помощью барометра и рассчитать постоянную психрометра А по формуле (10).
4. Вычислить погрешности измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ:
Часть I. Конденсационный гигрометр
Таблица А.
| № п/п | t 1, оС | t 2, оС | t ср, оС | е, г/м 3 | t o, оС | Е, г/м 3 | r, % | p , Па |
| средн |
Часть II. Психрометр Ассмана.
E = ……… г/м3, р о = …………Па.
Таблица Б.
| № п/п | t 1, оС | t 2, оС | D t, оС | r, % | e, г/м 3 | A |
| средн | ХХХХ | ХХХХ |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов и уравнение Менделеева-Клапейрона. Какие термодинамические процессы описывают с помощью этого уравнения?
2. Что называют парциальным давлением? Сформулируйте и обоснуйте закон Дальтона.
3. Получите соотношение между парциальным давлением водяного пара p вп и его плотностью е на базе уравнения Менделеева-Клапейрона.
4. Что такое насыщенный пар? Чему соответствует максимальное значение абсолютной влажности Е?
5. Какова связь между давлением насыщенного водяного пара и максимальным значением абсолютной влажности?
|
|
|
6. Что такое абсолютная и относительная влажность? Какова связь между ними?
7. Что такое «температура росы»?
8. Как определяют влажность воздуха с помощью компенсационного гигрометра?
9. Как определяют влажность воздуха с помощью психрометра Ассмана?
ЛИТЕРАТУРА:
1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш.шк., 1985, Гл.8, §§ 41-43.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн.1. Механика·Молекулярная физика. М.: ”Наука”, 1989, Гл.9 §§ 61,62.
3. Практикум по общей физике. Под ред. проф. В.Ф.Ноздрева. М., «Просвещение», 1971, Гл.2, С.118.
Таблица 1.
ДАВЛЕНИЕ И ПЛОТНОСТЬ
НАСЫЩЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА
| t, 0С | p, Па | Е, г/м3 | t, 0С | p, Па | Е, г/м3 | |
| 5,2 | 12,8 | |||||
| 5,6 | 13,6 | |||||
| 6,0 | 14,5 | |||||
| 6,4 | 15,4 | |||||
| 6,8 | 16,3 | |||||
| 7,3 | 17,3 | |||||
| 7,8 | 18,3 | |||||
| 8,3 | 19,4 | |||||
| 8,8 | 20,6 | |||||
| 9,4 | 21,8 | |||||
| 10,0 | 23,0 | |||||
| 10,7 | 24,4 | |||||
| 11,4 | 26,8 | |||||
| 12,1 | 27,2 |
Таблица 2.
Психрометрическая таблица
относительной влажности воздуха (в %)
ОГЛАВЛЕНИЕ
| № работы | Лабораторная работа | Стр. |
| Введение. Измерение физических величин и расчет погрешностей измерений …………………………….….….. | ||
| Определение скорости полета пули с помощью баллистического маятника …………………………………………… | ||
| Проверка основного закона динамики для вращающихся тел … | ||
| Определение динамической вязкости методом Стокса … | ||
| 11- А | Изучение затухающих колебаний ………………………… | |
| 11 - Б | Изучение вынужденных колебаний ………………………. | |
| Определение моментов инерции тел и проверка теоремы Штейнера на крутильном маятнике ………………………. | ||
| 2 - т | Определение показателя Пуассона воздуха ….……………. | |
| 7 - т | Определение влажности воздуха и постоянной психрометра Ассмана ………………………………………………………… |
