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:

1. плотность водяного пара в воздухе;
2. 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.

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

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «dic.academic.ru» ()
2. Интернет-портал «baroma.ru» ()
3. Интернет-портал «femto.com.ua» ()
4. Интернет-портал «youtube.com» ()

Домашнее задание

За это задание вы можете получить 1 балл на ЕГЭ в 2020 году

Тепловому равновесию и всему, что с ним связано, посвящено задание 10 ЕГЭ по физике. Билеты построены так, что примерно в половине из них присутствуют вопросы, посвященные влажности (типичный пример такой задачи «Во сколько раз увеличилась концентрация молекул пара, если объем пара изотермически уменьшили в два раза»), остальные касаются теплоемкости веществ. Вопросы по теплоемкости практически всегда содержат в себе график, который необходимо предварительно изучить для корректного ответа на вопрос.

Задание 10 ЕГЭ по физике обычно вызывает сложности у учащихся, кроме нескольких вариантов, которые посвящены определению относительной влажности воздуха по психрометрическим таблицам. Чаще всего школьники начинают выполнение заданий с этого вопроса, решение которого занимает обычно одну-две минуты. Выпадение ученику билета именно с таким типом задания № 10 ЕГЭ по физике существенно облегчит все испытание, так как время на его выполнение ограничено определенным количеством минут.

«Физика - 10 класс»

При решении задач надо иметь в виду, что давление и плотность насыщенного пара не зависят от его объёма, а зависят только от температуры. Уравнение состояния идеального газа приближённо применимо и для описания насыщенного пара. Но при сжатии или нагревании насыщенного пара его масса не остаётся постоянной.

При решении некоторых задач могут понадобиться значения давления насыщенного пара при некоторых температурах. Эти данные нужно брать из таблицы.

Задача 1.

Закрытый сосуд объёмом V 1 = 0,5 м 3 содержит воду массой m = 0,5 кг. Сосуд нагрели до температуры t = 147 °С. На сколько следует изменить объём сосуда, чтобы в нём содержался только насыщенный пар? Давление насыщенного пара р н. п при температуре t = 147 °С равно 4,7 10 5 Па.

Р е ш е н и е.

Насыщенный пар при давлении р н. п занимает объём, равный где М = 0,018 кг/моль - молярная масса воды. Объём сосуда V 1 > V, а значит, пар не является насыщенным. Для того чтобы пар стал насыщенным, объём сосуда следует уменьшить на

Задача 2.

Относительная влажность воздуха в закрытом сосуде при температуре t 1 = 5 °С равна φ 1 = 84 %, а при температуре t 2 = 22 °С равна φ 2 = 30 %. Во сколько раз давление насыщенного пара воды при температуре t 2 больше, чем при температуре t 1 ?

Р е ш е н и е.

Давление водяного пара в сосуде при Т 1 = 278 К равно где р н. п1 - давление насыщенного пара при температуре Т 1 . При температуре Т 2 = 295 К давление

Так как объём постоянен, то по закону Шарля

Отсюда

Задача 3.

В комнате объёмом 40 м 3 температура воздуха 20 °С, его относительная влажность φ 1 = 20 %. Сколько надо испарить воды, чтобы относительная влажность φ 2 достигла 50 % ? Известно, что при 20 °С давление насыщающих паров р н п = 2330 Па.

Р е ш е н и е.

Относительная влажность отсюда

Давление пара при относительной влажности φ 1 и φ 2

Плотность связана с давлением равенством ρ = Mp/RT, откуда

Массы воды в комнате при влажности φ 1 и φ 2

Масса воды, которую надо испарить:

Задача 4.

В комнате с закрытыми окнами при температуре 15 °С относительная влажность φ = 10 %. Чему станет равна относительная влажность, если температура в комнате повысится на 10 °С? Давление насыщенного пара при 15 °С р н. п1 = 12,8 мм рт. ст., а при 25 °С р н п2 = 23,8 мм рт. ст.

Так как пар ненасыщенный, то парциальное давление пара изменяется по закону Шарля р 1 /Т 1 = р 2 /Т 2 . Из этого уравнения можно определить давление ненасыщенного пара р 2 при Т 2: р 2 = р 1 Т 2 /Т 1 . Относительная влажность при Т 1 равна.