Рассмотрим теперь устройство и принцип действия психрометра – более точного прибора для измерения влажности воздуха. Психрометр имеет два термометра: сухой и влажный. Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду (см. рисунок). Испарение воды с поверхности марли приводит к понижению её температуры. Второй же, «сухой» термометр показывает обычную температуру воздуха. Измеренные психрометром значения температур перевести в значение относительной влажности воздуха можно по таблице (см. ниже).
| Сухой термометр, °C | Разность показаний термометров, °С | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Относительная влажность, % | |||||||||
| 18 | 91 | 82 | 73 | 65 | 56 | 49 | 41 | 34 | 27 |
| 20 | 91 | 83 | 74 | 66 | 59 | 51 | 44 | 37 | 30 |
| 22 | 92 | 83 | 76 | 68 | 61 | 54 | 47 | 40 | 34 |
| 24 | 92 | 84 | 77 | 69 | 62 | 56 | 49 | 43 | 37 |
Рассмотрим пример. Допустим, в комнате температура 20 °С, а влажный термометр показывает 15 °С. То есть разность показаний термометров 5 °С. В таблице, по строке «20», движемся до колонки «5». Читаем там число: 59. Следовательно, относительная влажность воздуха в той комнате, где висит психрометр, составляет именно 59 %.
Если в воздухе, где находится психрометр, мало водяных паров, то парообразование с поверхности марли идёт интенсивно. Согласно формуле Q=rm (см. § 6-г), на это расходуется теплота «отбираемая» у воды на марле, и она охлаждается согласно формуле $Q=C\cdot m\cdot \Delta t^o$ (см. § 6-в). Поэтому влажный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Если воздух настолько влажный, что содержащийся в нём водяной пар является насыщенным, то испарения воды с поверхности марли не будет. Следовательно, оба термометра будут показывать равные температуры, и это будет означать, что относительная влажность воздуха равна 100%.
Проверьте, как вы усвоили материал:
- Цель этого параграфа – рассмотреть...
- Влажность воздуха важна не только для здоровья человека, но и для...
- Почему важно, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар не был (почти) насыщенным?
- Вводимая нами новая физическая величина должна показывать, ...
- Относительная влажность воздуха вычисляется отношением плотности водяного пара в воздухе к...
- Волосяной гигрометр является...
- На изменение относительной влажности воздуха в гигрометре реагирует...
- Гигрометр позволяет (способен) измерять относительную влажность воздуха, так как...
- Удобство использования гигрометра для измерений влажности состоит в том, что его стрелка...
- Вместо гигрометра часто применяют психрометр в качестве...
- Почему правый термометр психрометра обычно показывает более низкую температуру?
- Специально составленную так называемую психрометрическую таблицу, применяют, чтобы...
- Если температура воздуха в комнате 30 °С, а на влажном термометре 25 °С, то...
- При каком условии испарение воды с поверхности марли идёт быстро?
- Влажная марля, а вместе с ней и правый термометр охлаждаются, так как...
- При каком условии оба термометра будут показывать равные температуры?
Один из очень важных показателей в нашей атмосфере. Она может быть как абсолютной, так и относительной. Как измеряется абсолютная влажность и какую формулу нужно для этого применить? Об этом вы сможете узнать, прочитав нашу статью.
Влажность воздуха - что это такое?
Что такое влажность? Это количество воды, которое содержится в каком-либо физическом теле или среде. Этот показатель напрямую зависит от самой природы среды или вещества, а также от степени пористости (если речь идет о твердых телах). Мы же в этой статье будем говорить о конкретном виде влажности - о влажности воздуха.
Из курса химии все мы прекрасно знаем, что атмосферный воздух состоит из азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других газов, которые составляют не более 1 % от общей массы. Но кроме этих газов воздух также содержит в себе водяной пар и другие примеси.
Под влажностью воздуха понимают то количество водяного пара, которое на данный момент (и в данном месте) содержится в воздушной массе. При этом метеорологи выделяют две её величины: это абсолютная и относительная влажность.
Влажность воздуха - одна из важнейших характеристик атмосферы Земли, которая влияет на характер местной погоды. Стоит отметить, что величина влажности атмосферного воздуха неодинакова - как в вертикальном разрезе, так и в горизонтальном (широтном). Так, если в приполярных широтах относительные показатели влажности воздуха (в нижнем слое атмосферы) составляют около 0,2-0,5%, то в тропических - до 2,5%. Далее мы выясним, что такое абсолютная и относительная влажность воздуха. Также рассмотрим, какая разница существует между этими двумя показателями.
Абсолютная влажность: определение и формула
В переводе с латыни слово absolutus означает "полный". Исходя из этого, очевидным становится сущность понятия "абсолютная влажность воздуха". Эта величина, которая показывает, сколько граммов водяного пара фактически содержится в одном кубическом метре конкретной воздушной массы. Как правило, этот показатель обозначают латинской литерой F.
Г/м 3 - это единица измерения, в которой исчисляется абсолютная влажность. Формула для её расчёта следующая:
В данной формуле буквой m обозначена масса водяного пара, а буквой V - объем конкретной воздушной массы.
Величина абсолютной влажности зависит от нескольких факторов. В первую очередь это температура воздуха и характер адвекционных процессов.
Относительная влажность
Теперь рассмотрим, что такое относительная влажность воздуха. Это относительная величина, которая показывает, сколько влаги содержится в воздухе по отношению к максимально возможному количеству водяного пара в этой воздушной массе при конкретной температуре. Измеряется относительная влажность воздуха в процентах (%). И именно этот процентный показатель мы часто можем узнать в прогнозах погоды и метеосводках.
Стоит также упомянуть и о таком важном понятии, как точка росы. Это явление максимально возможного насыщения воздушной массы водяным паром (относительная влажность этого момента - 100 %). В таком случае излишек влаги конденсируется, и образуются атмосферные осадки, туман или облака.
Методы измерения влажности воздуха
Женщины знают, что обнаружить повышение влажности в атмосфере можно с помощью своей пышной прически. Однако существуют и другие, более точные, способы и технические приборы. Таковыми являются гигрометр и психрометр.
Первый гигрометр был создан еще в XVII веке. Один из видов этого прибора как раз и основан на свойствах волоса изменять свою длину при изменениях влажности среды. Однако сегодня существуют и электронные гигрометры. Психрометр - это специальный прибор, в котором есть влажный и сухой термометр. По разнице их показателей и определяют влажность воздуха в конкретный момент времени.
Влажность воздуха как важный экологический показатель
Считается, что оптимальной для человеческого организма является относительная влажность воздуха 40-60 %. Показатели влажности весьма влияют и на восприятие человеком температуры воздуха. Так, при низкой влажности нам кажется, что воздух гораздо холоднее, чем в реальности (и наоборот). Вот почему в тропических и экваториальных широтах нашей планеты путешественники так тяжело переживают зной и жару.
Сегодня существуют специальные увлажнители и осушители, которые помогают человеку регулировать влажность воздуха в закрытых помещениях.
В заключение...
Таким образом, абсолютная влажность воздуха - это важнейший показатель, который дает нам представление о состоянии и особенностях воздушных масс. При этом нужно уметь отличать эту величину от относительной влажности. И если последняя показывает долю водяного пара (в процентах), которая присутствует в воздухе, то абсолютная влажность - это фактическое количество водяного пара в граммах в одном кубическом метре воздуха.
Часто с экранов телевизоров или из динамиков радиоприёмников мы слышим про давление и влажность воздуха. Но немногие знают, от чего зависят их показатели и как те или иные их значения сказываются на организме человека.
Для определения насыщенности воздуха водяными парами используются специальные приборы: психрометры и гидрометры. Психрометр Августа представляет собой планку с двумя термометрами: влажным и сухим.
Первый обмотан смоченной в воде тканью, которая при испарении охлаждает его корпус. Опираясь на показания этих термометров, по таблицам определяют относительную влажность воздуха. Существует множество различных гидрометров, их работа может быть основана на весовом, плёночном, электрическом или волосном, а также ряде других принципов действия. В последние годы обрели популярность интегральные датчики измерения. Для того чтобы проверить точность используются гидростаты.
Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры. Поэтому при изобарическом (то есть при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана , росы или кристалликов льда . Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы : процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).
Относительная влажность - единственный гигрометрический показатель воздуха, допускающий прямое приборное измерение .
Оценка относительной влажности
Относительная влажность водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T ) и температура точки росы (T d ), по следующей формуле:
R H = P s (T d) P s (T) × 100 % , {\displaystyle RH={{P_{s}(T_{d})} \over {P_{s}(T)}}\times 100\%,}где P s - давление насыщенного пара для соответствующей температуры, которое может быть вычислено по формуле Ардена Бака :
P s (T) = 6.1121 exp ((18.678 − T / 234.5) × T 257.14 + T) , {\displaystyle P_{s}(T)=6.1121\exp \left({\frac {(18.678-T/234.5)\times T}{257.14+T}}\right),}Приближённое вычисление
Относительную влажность приближённо можно вычислить по следующей формуле:
R H ≈ 100 − 5 (T − 25 T d) . {\displaystyle R\!H\approx 100-5(T-25T_{d}).}То есть, с каждым градусом Цельсия разницы температуры воздуха и температуры точки росы относительная влажность уменьшается на 5%.
Дополнительно относительную влажность можно оценить по психрометрической диаграмме .
Пересыщенный водяной пар
В отсутствие центров конденсации при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, то есть относительная влажность становится более 100 %. В качестве центров конденсации могут выступать ионы или частицы аэрозолей , именно на конденсации пересыщенного пара на ионах , образующихся при прохождении заряженной частицы в таком паре, основан принцип действия камеры Вильсона и диффузионных камер: капельки воды, конденсирующиеся на образовавшихся ионах, образуют видимый след (трек) заряженной частицы.
Другим примером конденсации пересыщенного водяного пара являются инверсионные следы самолётов, возникающие при конденсации пересыщенного водяного пара на частицах сажи выхлопа двигателей.
Средства и методы контроля
Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются психрометрами и гигрометрами . Психрометр Августа состоит из двух термометров - сухого и влажного. Влажный термометр показывает температуру ниже, чем сухой, так как его резервуар обмотан тканью, смоченной в воде, которая, испаряясь, охлаждает его. Интенсивность испарения зависит от относительной влажности воздуха. По показаниям сухого и влажного термометров находят относительную влажность воздуха по психрометрическим таблицам. В последнее время стали широко применяться интегральные датчики влажности (как правило, с выходом по напряжению), основанные на свойстве некоторых полимеров изменять свои электрические характеристики (такие, как диэлектрическая проницаемость среды) под действием содержащихся в воздухе паров воды.
Определяется комфортная для человека влажность воздуха такими документами, как ГОСТ и СНИП. Они регламентируют, что зимой в помещении оптимальная влажность для человека составляет 30-45 %, летом – 30-60 %. Данные по СНИП немного отличаются: 40-60 % для любого времени года, максимальный уровень 65 %, но для очень влажных регионов – 75 %.
Для определения и подтверждения метрологических характеристик приборов для измерения влажности применяют специальные эталонные (образцовые) установки - климатические камеры (гигростаты) или динамические генераторы влажности газов.
Значение
Относительная влажность воздуха - важный экологический показатель среды. При слишком низкой или слишком высокой влажности наблюдается быстрая утомляемость человека, ухудшение восприятия и памяти. Высыхают слизистые оболочки человека, движущиеся поверхности трескаются, образуя микротрещины, куда напрямую проникают вирусы, бактерии, микробы. Низкая относительная влажность (до 5-7 %) в помещениях квартиры, офиса отмечена в регионах с продолжительным стоянием низких отрицательных температур наружного воздуха. Обычно продолжительность до 1-2 недель при температурах ниже −20 °С приводит к высушиванию помещений. Значительным ухудшающим фактором в поддержании относительной влажности является воздухообмен при низких отрицательных температурах. Чем больше воздухообмен в помещениях, тем быстрее в этих помещениях создаётся низкая (5-7 %) относительная влажность.
Проветривание помещений в мороз с целью увеличения влажности является грубой ошибкой - это наиболее эффективный способ добиться обратного. Причина широко укоренившегося заблуждения в восприятии цифр относительной влажности, известных всем из прогнозов погоды. Это проценты от некоего числа, но это число для комнаты и улицы разное! Узнать это число можно из таблицы, связывающих температуру и абсолютную влажность. Например 100 % влажность уличного воздуха при −15 °С означает 1,6 г воды в кубометре, но этот же воздух (и эти же граммы) при +20 °С означает лишь 8 % влажности.
Пищевые продукты, строительные материалы и даже многие электронные компоненты допускается хранить в строго определённом диапазоне относительной влажности воздуха. Многие технологические процессы происходят только при строгом контроле содержания паров воды в воздухе производственного помещения.
Влажность воздуха в помещении можно изменять.
Для повышения влажности применяются увлажнители воздуха.
Функции осушения (понижения влажности) воздуха реализованы в большинстве кондиционеров и в виде отдельных приборов - осушителей воздуха.
В цветоводстве
Относительная влажность воздуха в оранжереях и используемых для культивирования растений жилых помещениях подвержена колебаниям, что обусловлено временем года, температурой воздуха, степенью и частотой поливки и опрыскивания растений, наличием увлажнителей , аквариумов или других ёмкостей с открытой поверхностью воды, системой проветривания и обогрева. Кактусы и многие суккулентные растения легче переносят сухой воздух, чем многие тропические и субтропические растения.
Как правило, для растений родиной которых являются влажные тропические леса, оптимальной является 80-95 % относительная влажность воздуха (зимой может быть снижена до 65-75 %). Для растений тёплых субтропиков - 75-80 %, холодных субтропиков - 50-75 % (левкои , цикламены , цинерарии и др.)
При содержании растений в жилых помещениях многие виды страдают от сухости воздуха. В первую очередь это отражается на
В данном уроке будет введено понятие абсолютной и относительной влажности воздуха, будут обсуждаться термины и величины, связанные с этими понятиями: насыщенный пар, точка росы, приборы для измерения влажности. В ходе урока мы познакомимся с таблицами плотности и давления насыщенного пара и психрометрической таблицей.
Для человека величина влажности является очень важным параметром окружающей среды, т. к. наш организм очень активно реагирует на ее изменения. Например, такой механизм регуляции функционирования организма, как потоотделение, напрямую связан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции. При низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.
Величина влажности важна не только для человека и других живых организмов, но и для протекания технологических процессов. Например, из-за известного свойства воды проводить электрический ток ее содержание в воздухе может серьезно влиять на корректную работу большинства электроприборов.
Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды. Стоит отметить, что если сравнивать влажность в различные времена года в привычных для нас климатических условиях, то она выше летом и ниже зимой, что связано, в частности, с интенсивностью процессов испарения при различных температурах.
Основными характеристиками влажного воздуха являются:
- плотность водяного пара в воздухе;
- относительная влажность воздуха.
Воздух является составным газом, в нем содержится множество различных газов, в том числе водяной пар. Для оценивания его количества в воздухе необходимо определить, какую массу имеют водяные пары в определенном выделенном объеме - такую величину характеризует плотность. Плотность водяного пара в воздухе называют абсолютной влажностью .
Определение. Абсолютная влажность воздуха - количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.
Обозначение абсолютной влажности : (как и обыкновенное обозначение плотности).
Единицы измерения абсолютной влажности : (в СИ) или (для удобства измерения небольшого содержания паров воды в воздухе).
Формула вычисления абсолютной влажности :
Обозначения:
Масса пара (воды) в воздухе, кг (в СИ) или г;
Объем воздуха, в котором указанная масса пара содержится, .
С одной стороны, абсолютная влажность воздуха является понятной и удобной величиной, т. к. дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, с другой стороны, эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Оказывается, что, например, человек ощущает не массовое содержание воды в воздухе, а именно ее содержание относительно максимально возможного значения.
Для описания такого восприятия введена такая величина, как относительная влажность .
Определение. Относительная влажность воздуха – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения.
Т. е. величина относительной влажности, простыми словами, показывает следующее: если пар далек от насыщения, то влажность низкая, если близок – высокая.
Обозначение относительной влажности : .
Единицы измерения относительной влажности : %.
Формула вычисления относительной влажности :
Обозначения :
Плотность водяного пара (абсолютная влажность), (в СИ) или ;
Плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, (в СИ) или .
Как видно из формулы, в ней фигурируют абсолютная влажность, с которой мы уже знакомы, и плотность насыщенного пара при той же температуре. Возникает вопрос, каким образом определять последнюю величину? Для этого существуют специальные приборы. Мы рассмотрим конденсационный гигрометр (рис. 4) - прибор, который служит для определения точки росы.
Определение. Точка росы - температура, при которой пар становится насыщенным.
Рис. 4. Конденсационный гигрометр ()
Внутрь емкости прибора наливается легкоиспаряющаяся жидкость, например, эфир, вставляется термометр (6) и с помощью груши (5) через емкость прокачивается воздух. В результате усиленной циркуляции воздуха начинается интенсивное испарение эфира, температура емкости из-за этого понижается и на зеркале (4) выступает роса (капельки сконденсировавшегося пара). В момент появления на зеркале росы с помощью термометра замеряется температура, вот эта температура и является точкой росы.
Что же делать с полученным значением температуры (точки росы)? Существует специальная таблица, в которой занесены данные - какая плотность насыщенного водяного пара соответствует каждой конкретной точке росы. Следует отметить полезный факт, что при увеличении значения точки росы растет и значение соответствующей ей плотности насыщенного пара. Иными словами, чем теплее воздух, тем большее количество влаги он может содержать, и наоборот, чем воздух холоднее, тем максимальное содержание в нем пара меньше.
Рассмотрим теперь принцип действия других видов гигрометров, приборов для измерения характеристик влажности (от греч. hygros - «влажный» и metreo - «измеряю»).
Волосной гигрометр (рис. 5) - прибор для измерения относительной влажности, в котором в качестве активного элемента выступает волос, например человеческий.
Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха (при увеличении влажности длина волоса увеличивается, при уменьшении - уменьшается), что позволяет измерять относительную влажность. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передается стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. При этом следует помнить, что волосной гигрометр дает не точные значения относительной влажности, и используется преимущественно в бытовых целях.
Более удобен в использовании и точен такой прибор для измерения относительной влажности, как психрометр (от др.-греч. ψυχρός - «холодный») (рис. 6).
Психрометр состоит из двух термометров, которые закреплены на общей шкале. Один из термометров называется влажным, т. к. он обмотан батистовой тканью, которая погружена в резервуар с водой, расположенный на тыльной стороне прибора. С влажной ткани испаряется вода, что приводит к охлаждению термометра, процесс снижения его температуры длится до достижения этапа, пока пар вблизи влажной ткани не достигнет насыщения и термометр не начнет показывать температуру точки росы. Таким образом, влажный термометр показывает температуру меньше либо равную реальной температуре окружающей среды. Второй термометр называется сухим и показывает реальную температуру.
На корпусе прибора, как правило, изображена еще так называемая психрометрическая таблица (табл. 2). С помощью этой таблицы по значению температуры, которую показывает сухой термометр, и по разности температур между сухим и влажным термометрами можно определить относительную влажность окружающего воздуха.
Однако даже не имея под рукой такой таблицы, можно примерно определить величину влажности, пользуясь следующим принципом. Если показания обоих термометров близки друг к другу, то испарение воды с влажного практически полностью компенсируется конденсацией, т. е. влажность воздуха высокая. Если, наоборот, разность показаний термометров большая, то испарение с влажной ткани превалирует над конденсацией и воздух сухой, а влажность низкая.
Обратимся к таблицам, которые позволяют определять характеристики влажности воздуха.
|
Температура, |
Давление, мм. рт. ст. |
Плотность пара, |
Табл. 1. Плотность и давление насыщенных водяных паров
Еще раз отметим, что, как указывалось ранее, значение плотности насыщенного пара растет с его температурой, то же самое относится и к давлению насыщенного пара.
Табл. 2. Психометрическая таблица
Напомним, что относительная влажность определяется по значению показаний сухого термометра (первый столбец) и разности показаний сухого и влажного (первая строка).
На сегодняшнем уроке мы познакомились с важной характеристикой воздуха - его влажностью. Как мы уже говорили, влажность в холодное время года (зимой) понижается, а в теплое (летом) повышается. Важно уметь регулировать эти явления, например при необходимости повысить влажность располагать в помещении в зимнее время несколько резервуаров с водой, чтобы усилить процессы испарения, однако такой способ будет эффективен только при соответствующей температуре, которая выше, чем на улице.
На следующем уроке мы рассмотрим, что такое работа газа, и принцип действия двигателя внутреннего сгорания.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «dic.academic.ru» ()
- Интернет-портал «baroma.ru» ()
- Интернет-портал «femto.com.ua» ()
- Интернет-портал «youtube.com» ()
Домашнее задание
Загрузка...
