Работа 11. Влажность воздуха

1. цель работы.

Познакомиться с основными характеристиками влажности воздуха, методами и приборами для их определения..

2. вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению.

1) Понятие влажности воздуха. Основные характеристики влажности воздуха и взаимосвязь между ними.

2) Понятие «насыщенный пар». Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Связь между давлением и плотностью пара.

3) Методы измерения основных характеристик влажности воздуха.

4) Приборы для измерения влажности воздуха. Принцип их действия.

Часть 2. Для получения зачета необходимо:.

2. Уметь отвечать на вопросы и выполнять задания типа:

2.1. Вывести зависимость концентрации молекул насыщенного водяного пара от температуры;

2.2. Вычислить плотность водяного пара, если его давление 1200 Па;

2.3. До какой температуры охлаждается тело, если давление водяного пара в воздухе 800Па.

Часть 1. Сведения из теории.

Воздух представляет собой смесь многих газов, основными из которых являются азот, кислород и аргон. Важной составной частью атмосферного воздуха является водяной пар, на долю которого может приходиться до 5% от общего числа молекул воздуха. Атмосферный воздух, содержащий водяной пар, называется влажным, а само содержание водяного пара в воздухе – влажностью воздуха. Содержание водяного пара в воздухе играет большую роль в энергетике и термодинамике атмосферы, отражается на ряде физических явлений, протекающих в его присутствии, а также на физических свойствах воздуха, влияет на свойства многих веществ. Влажность воздуха оказывает воздействие на жизнедеятельность животного и растительного мира, имеет важное значение для условий жизни и работы человека.

В атмосферу водяной пар поступает в основном в результате испарения. Процесс испарения заключается в том, что молекулы, двигаясь хаотически, за счет случайных «соударений» иногда преобразуют кинетическую энергию, достаточную для преодоления сил молекулярного взаимодействия и перехода из поверхностного слоя жидкости в газовую среду, который сопровождается образованием пара над поверхностью жидкости. При испарении происходит охлаждение жидкости. Одновременно с процессом испарения непрерывно происходит и обратный процесс: вследствие хаотического движения часть молекул пара, находящихся вблизи поверхности жидкости, двигаясь вниз, к жидкости, снова будет возвращаться в нее. Этот процесс называется конденсацией и его интенсивность пропорциональна концентрации молекул пара.

По мере увеличения содержания водяного пара над испаряющей поверхностью достигается состояние, при котором число молекул жидкости, покидающих ее, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость, те между процессами испарения и конденсации устанавливается динамическое равновесие. Такое состояние называется насыщением, а пар в этом состоянии – насыщенным. Выражение для расчета концентрации молекул насыщенного пара в зависимости от температуры может быть получено как с помощью молекулярно-кинетической теории, из распределения Больцмана , так изтермодинамических соображений (из уравнения Клапейрона-Клаузиуса). Оба вывода дают следующий результат:

Где - молярная теплота парообразования,- универсальная газовая постоянная. Коэффициент пропорциональности.

Аналогично зависит от температуры и плотность насыщенного пара, отличающаяся от концентрации лишь множителем, равным массе молекулы данного вещества:

Часть 2. Гигрометрические характеристики.

Для оценки влажности воздуха используется ряд характеристик, которые отражают либо абсолютное содержание водяного пара в воздухе, либо степень близости содержания водяного пара в воздухе к состоянию насыщения. Они называются гигрометрическими характеристиками. В метеорологии используется следующие гигрометрические характеристики:

1. Парциальное давление (упругость) водяного пара - давление, которое имел бы водяной пар, находящийся в газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре. Измеряют в единицах давления, т.е. либо в паскалях (Па), либо в миллиметрах ртутного столба (мм. рт. ст.). Парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения называютупругостью насыщения или максимальной упругостью. Обозначается , максимальная упругость зависит от температуры, фазового состояния испаряющей поверхности и кривизны испаряющей поверхности;

2. Дефицит насыщения - разность между давлением насыщенного водяного пара (максимальной упругостью) и фактическим давлением при данной температуре воздуха.

Данная характеристика влажности показывает, сколько водяного пара недостает для смещения воздуха при данной температуре. Дефицит влажности определяет интенсивность процессов испарения;

3. Относительная влажность - отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара над плоской поверхностью химически чистой воды при данной температуре

Относительную влажность принято выражать в процентах.

Данная характеристика влажности воздуха характеризует степень насыщения воздуха водяным паром;

4. Абсолютная влажность - масса водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Она обычно выражается вили в. Между абсолютной влажностью и парциальным давлением водяного пара существует соотношение

,

Где - парциальное давление водяного пара в гектопаскалях,- температура в кельвинах. Данное соотношение получается из уравнения состояния водяного пара

Где - молекулярная масса водяного пара:

.

Для каждой температуры абсолютная влажность имеет свое максимально возможное значение, отвечающее насыщению воздуха парами воды. Это максимально возможное значение абсолютной влажности численно равно плотности насыщенного пара;

5. Точка росы - температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, при данном атмосферном давлении становится насыщенным по отношению к плоской поверхности химически чистой воды. Следует помнить, чтоточка росы является характеристикой влажности воздуха, а не его термического режима. Определяется по значению парциального давления водяного пара или экспериментально с помощью гигрометра точки росы.

Необходимость использования для практических целей различных характеристик влажности воздуха привела к тому, что в настоящее время встречается довольно большое количество различных методов измерения влажности воздуха. Наиболее распространенными методами измерения влажности являются психрометрический и гигрометрический;