Насыщенные и ненасыщенные пары

Насыщенный пар

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно $10^{22}$ молекул за $1с$ на $1см^2$ площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара, температура которого поддерживается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восстановится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление $р_0$, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением $р_0$ эта зависимость выражается равенством:

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость $Р_0(Т)$ отличается от зависимости $p_0=nkT$ для идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (участок кривой $АВ$). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку $А$ (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет.

Поэтому, согласно формуле $p_0=nkT$, давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в изменении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (МКТ идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок $ВС$ кривой).

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным .

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в $1м^3$ воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара $р$, выраженная в г/$м^3$.

Относительная влажность воздуха $φ$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $р$ к плотности $р_0$ насыщенного пара при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Концентрация пара связана с давлением ($p_0=nkT$), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления $р$ пара в воздухе к давлению $р_0$ насыщенного пара при той же температуре:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Точка росы

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения при постоянном давлении и данной влажности воздуха. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности воздуха или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности воздуха $φ = 100%$ точка росы совпадает с температурой воздуха. При $φ

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.

Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).

Удельная теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении

Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.

Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами:

где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура, $t_2$ — конечная температура.

При нагревании тела $t_2 > t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2

В случае, если известна теплоемкость всего тела $С, Q$ определяется по формуле

Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.

Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии, т. к. расстояние между молекулами существенно увеличивается.

Удельная теплота парообразования и конденсации. Опытами установлено, что для полного обращения в пар $1$ кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить $2.3$ МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет $0.9$ МДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1$ кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой $r$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $r$ умножить на массу $m$:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Удельная теплота плавления

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления , надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Удельная теплота сгорания

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Уравнение теплового баланса

В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,

$∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$

Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: $∆U_i=Q_i$. Учитывая ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+...+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$), получим:

$Q_1+Q_2+Q_3+...+Q_n=∑↙{i}↖{n}Q_i=0$

Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.

Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.

Вам понадобится

• - ртутный термометр;
• - герметичный сосуд;
• - таблица зависимости насыщенного водяного пара от температуры;
• - психрометр.

Инструкция

Для непосредственного измерения влажности, отберите пробу воздуха в герметичный сосуд и начинайте охлаждать его. При определенной на стенках сосуда появится роса (пар конденсируется), запишите значение температуры, при котором это произойдет. По специально таблице найдите плотность насыщенного пара при той температуре, что он конденсировался. Это и будет абсолютная влажность воздуха, проба которого отбиралась.

Возьмите два термометра. Один из них оберните влажной тряпочкой, увлажняйте ее по мере высыхания или опустите этот термометр в чашечку с водой.

Понаблюдайте за показаниями приборов - значения влажного термометра будут ниже сухого. Далее воспользуйтесь специальной таблицей.

Запишите или запомните показания обоих термометров, посчитайте разницу, найдите полученные параметры в таблице. Обозначение относительной влажности воздуха будет находиться на пересечении показателей.

Приобретите специальное устройство, которое «психрометр». Его действие основано на показаниях двух термометров, а в составе имеется полная . Существует несколько видов психрометров - станционные, дистанционные и аспирационные. Станционные укрепляются в специальной метеорологической будке на штативе, а точность показаний такого прибора зависит от скорости воздушных потоков внутри будки.

Аспирационный психрометр состоит из двух термометров, таблицы и вентилятора, который обеспечивает постоянную скорость потока воздуха. Термометры закреплены в специальной оправе, защищающей их от воздействия прямых солнечных лучей.

В дистанционном психрометре используются термопары, термометры сопротивления, термисторы. Прибор имеет сложную конструкцию и требует постоянного снабжения дистиллированной водой, но характеризуется меньшей погрешностью.

Узнайте влажность воздуха с помощью гигрометра. Этот измерительный прибор бывает разных типов – весовой, волосной, пленочный. Действие каждого из них основано на различных принципах. Узнать о действии прибора подробно можно непосредственно в магазине - спросите инструкцию или получите консультацию у продавца.

Видео по теме

Полезный совет

Наиболее комфортные значения для человека - 40-60%. Влажность воздуха в помещении можно повысить или понизить искусственным путем. Поставьте емкости с водой при низких показателях, а при высоких - включайте отопительные приборы.

Источники:

• Психрометрическая таблица, температура и влажность воздуха, атмосферное давление

В воздухе всегда находится какое-то количество водяных паров. При этом различают абсолютную и относительную влажность. Первая – это плотность водяных паров в воздухе при определенной температуре. Но в повседневной жизни этот показатель не представляет особого интереса. Совсем другое дело - относительная влажность.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

• обеспечить усвоение понятия влажность воздуха;
• развивать самостоятельность учащихся; мышление; умение делать выводы;развитие практических навыков при работе с физическим оборудованием;
• показать практическое применение и важность данной физической величины.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование:

• для фронтальной работы: стакан с водой, термометр, кусок марли; нитки, психрометрическая таблица.
• для демонстраций: психрометр, волосяной и конденсационный гигрометры, груша, спирт.

Ход урока

I. Повторение и проверка домашнего задания

1. Сформулируйте определение процессов парообразования и конденсации.

2. Какие виды парообразования вы знаете? Чем они отличаются друг от друга?

3. При какихусловиях происходит испарение жидкости?

4. От какихфакторов зависит скорость испарения?

5.Что такое удельнаятеплота парообразования?

6. На чторасходуется подводимое количество теплоты при парообразовании?

7. Почему приветрежара переносится легче?

8. Одинакова ли внутренняя энергия 1 кг воды и пара при температуре 100 о С

9. Почему вода в бутылке, плотно закрытой пробкой, не испаряется?

II. Изучение нового материала

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности рек, озер, океановне является насыщенным, атмосфера открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других наоборот.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газыотсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.

За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара , содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью [г/м 3 ].

Знания парциального давления водяного пара или абсолютной влажности ничего не говорят, насколько водяной пар далек от насыщения.

Для этого вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению - относительная влажность.

Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности воздуха к плотности 0 насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.

Р - парциальное давление при данной температуре;

Р 0 - давление насыщенного пара при той же температуре;

Абсолютная влажность;

0 - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами.

При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара.

Температура t, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности, воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.

Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха равной точке росы, есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка росы также характеризует влажностьвоздуха.

Влажность воздуха можно определить специальными приборами.

1. Конденсационный гигрометр

С его помощью определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной влажности.

2. Волосяной гигрометр

Его действиеосновано на свойствеобезжиренного человеческого волос а удлиняться при увеличении относительной влажности.

Применяется втех случаях, когда вопределении влажности воздуха не требуется большой точности.

3. Психрометр

Обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.

Значение влажности воздуха для живых организмов

При температуре 20-25°С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40% до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое потоотделение является значительной нагрузкой для человека.

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмов, что ведет к его обезвоживанию. Особенно низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20%. При низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими увлажнителями являются растения.

Если относительная влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый . Высокая влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100% испарение вообще не может происходить - при таких условиях мокрая одежда или влажная кожа никогда не высохнут.

Из курса биологии вы знаете о разнообразных приспособлениях растений в засушливых местностях. Но растения приспособлены и к высокой влажности воздуха. Так, родина Монстеры - влажный экваториальный лес Монстера при относительной влажности, близкой к 100%, "плачет", она удаляет избытки влаги через отверстия в листьях - гидатоды. В современных зданиях производится кондиционирование воздуха создание и поддержание в закрытых помещениях воздушной среды, наиболееблагоприятной для самочувствия людей. При этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.

Исключительное значение для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может стать насыщенным и начнет выпадать роса.Но при конденсации водяных паров выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к 0 °С, равна 2490 кДж/кг), поэтому воздух у поверхности почвы при образовании росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения температуры и,

Во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать одно из этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.

Вопросы на повторение:

1. Что понимается под влажностью воздуха?
2. Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В каких единицах ее выражают?
3. Что такое упругость водяного пара?
4. Что называют относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?
5. Относительная влажность воздуха 70%, что это значит?
6. Что называют точкой росы?

С помощью каких приборов определяют влажность воздуха? Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком? Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров и психрометра.

Лабораторная работа №4 "Измерение относительной влажности воздуха"

Цель:научиться определять относительную влажность воздуха, развить практические навыи при работе с физическим оборудованием.

Оборудование: термометр, марлевый бинт, вода, психометрическая таблица

Ход урока

Перед выполнением работы необходимо обратить внимание учащихся не только на содержание и ход выполнения работы, но и на правила обращения с термометрами и стеклянными сосудами. Нужно напомнить, что все время, пока термометр не используется для измерений, он должен находиться в футляре. При измерении температуры термометр следует держать за верхний край. Это позволит определить температуру с наибольшей точностью.

Первые измерения температуры следует провести сухим термометром Эта температура в аудитории во время работы не изменится.

Для измерения температуры влажным термометром лучше в качестве ткани взять кусочек марли. Марля очень хорошо впитывает и перемещает воду от влажного края к сухому.

Используя психрометрическую таблицу, легко определить значение относительной влажности.

Пусть t c = h = 22 °С, t m = t 2 = 19 °С. Тогда t = t c - 1 Ш = 3 °С.

По таблице находим относительную влажность. В данном случае она равна 76%.

Для сравнения можно измерить относительную влажность воздуха на улице. Для этого группу из двух-трех учеников, успешно справившихся с основной частью работы, можно попросить провести аналогичные измерения на улице. Это должно занять не более 5 минут. Полученное значение влажности можно сравнить с влажностью в классе.

Итоги работы подводят в выводах. В них следует отметить не только формальные значения итоговых результатов, но и указать причины, которые приводят к погрешностям.

III. Решение задач

Так как данная лабораторная работа достаточно проста по содержанию и невелика по объему, оставшуюся часть урока можно посвятить решению задач по изучаемой теме. Для решения задач не обязательно, чтобы все ученики стали решать их одновременно. По мере выполнения работы они могут получать задания индивидуально.

Можно предложить следующие простые задачи:

На улице идет холодный осенний дождь. В каком случае быстрее высохнет белье, развешенное на кухне: когда форточка открыта, или когда закрыта? Почему?

Влажность воздуха равна 78%, а показание сухого термометра равно 12 °С. Какую температуру показывает влажный термометр? (Ответ: 10 °С.)

Разность в показаниях сухого и влажного термометров равна 4 °С. Относительная влажность воздуха 60%. Чему равны показания сухого и влажного термометра? (Ответ: t c -l9 °С, t m = 10 °С.)

Домашнее задание

• Повторить параграф 17 учебника.
• Задание № 3. с. 43.

Сообщения учащихся о роли испарения в жизни растений и животных.

Испарение в жизни растений

Для нормального существования растительной клетки необходимо ее насыщение водой. Для водорослей оно является естественным следствием условий их существования, у растений суши достигается в результате двух противоположных процессов: поглощения воды корнями и испарения. Для успешного фотосинтеза хло-!рофиллоносные клетки наземных растений должны поддерживать самое тесное соприкосновение с окружающей атмосферой, снабжающей их необходимым для них углекислым газом; однако это тесное соприкосновение неизбежно приводит к тому, что насыщающая клетки вода непрерывно испаряется в окружающее пространство, и та же солнечная энергия, которая доставляет растению необходимую для фотосинтеза энергию, поглощаясь хлорофиллом, способствует нагреванию листа, а тем самым и усилению процесса Испарения.

Очень немногие, и притом низкоорганизованные, растения, нииример мхи и лишайники, могут выдерживать длительные перерывы в водоснабжении и переносить это время в состоянии полного иыеыхания. Из высших растений к этому способны лишь некоторые представители скальной и пустынной флоры, например осока, распространенная в песках Каракумов. Для громадного большинства ш.кших растений такое высыхание было бы смертельно, а потому │сход воды у них примерно равен ее приходу.

Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведем такой пример: за один вегетационный период одно Цветение подсолнечника или кукурузы испаряет до 200 кг и более воды, т. е. солидных размеров бочку! При таком энергичном расходе требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого (Мужит корневая система, размеры которой огромны счеты числа корней и корневых волосков для озимой ржи дали следующие удивительные цифры: корней оказалось почти четырпл дцать миллионов, общая длина всех корней 600 км, а их общая по верхность около 225 м 2 . На этих корнях было около 15 миллиардом корневых волосков общей площадью в 400 м 2 .

Количество воды, расходуемое растением в течение своем жизни, в большой степени зависит от климата. В жарком сухом климате растения потребляют не меньше, а иногда даже больше во ды, чем в климате более влажном, у этих растений более развита корневая система и меньшее развитие имеет листовая поверхносп. Меньше всего расходуют воду растения сырых, тенистых тропиче ских лесов, берегов водоемов: у них тонкие широкие листья, слабые корневая и проводящая системы. У растений засушливых местно стей, где воды в почве очень мало, а воздух горяч и сух, наблюда ются разнообразные приемы приспособления к этим суровым условиям. Интересны растения пустынь. Это, например, кактусы растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превра тились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, мало проницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными, почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало воды.

У других растений зоны пустынь (верблюжьей колючки, степной люцерны, полыни) тонкие листья с широко открытыми устьицами, которые энергично ассимилируют и испаряют, за счет чего значительно снижается температура листьев. Часто листья бывают покрыты густым слоем серых или белых волосков, представляющих как бы полупрозрачный экран, защищающий растения от перегревания и снижающий интенсивность испарения.

Многие растения пустынь (ковыль, перекати-поле, вереск) имеют жесткие, кожистые листья. Такие растения способны переносить длительное завядание. В это время их листья скручиваются в трубку, причем устьица находятся внутри нее.

Условия испарения зимой резко меняются. Из мерзлой почвы корни не могут всасывать воду. Поэтому за счет листопада уменьшается испарение влаги растением. Кроме того, при отсутствии листьев меньше снега задерживается на кроне, что предохраняет растения от механических повреждений.

Роль процессов испарения для животных организмов

Испарение - это наиболее легко регулируемый способ меньшения внутренней энергии. Всякие условия, затрудняющие спарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, ожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет егулировку температуры тела.

Для терморегуляции организма важную роль играет потоот-еление, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека ли животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя нергия, благодаря этому организм охлаждается.

Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если еще при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится еще тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию.

Очень интересны с точки зрения терморегуляции и роли процессов испарения некоторые живые существа. Известно, например, что верблюд может две недели не пить. Объясняется это тем, что он очень экономно расходует воду. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой и плотной шерстью - шерсть спасает от перегрева (на спине верблюда в знойный полдень она нагрета до восьмидесяти градусов, а кожа под ней -лишь до сорока!). Шерсть препятствует и испарению влаги из организма (у стриженого верблюда потоотделение возрастает на 50%). Верблюд никогда, даже самый сильный зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если открыть широко рот, испаряете много воды! Частота дыхания верблюда очень низка -8 раз минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. В жару, однако, частота дыхания его увеличивается до 16 раз в минуту. (Сравните: бык при этих же условиях дышит 250, а собака - 300-400 раз в минуту.) Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34°, а днем, в жару, повышается до 40-41°. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется так же очень любопытное приспособление для сохранения воды впрок Известно, что из жира, когда он "сгорает" в организме, получается много воды - 107 г из 100 г жира. Таким образом, из своих горбои верблюд при необходимости может извлечь до полцентнера воды.

С точки зрения экономии в расходовании воды еще более удивительны американские тушканчиковые прыгуны (кенгуровые крысы). Они вообще никогда не пьют. Кенгуровые крысы живут и пустыне Аризона и грызут семена и сухие травы. Почти вся вода, которая имеется в их теле, эндогенная, т.е. получается в клетках при переваривании пищи. Опыты показали, что из 100 г перловой кру пы, которой кормили кенгуровых крыс, они получали, переварив и окислив ее, 54 г воды!

В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с внутренней поверхности воздушных меш ков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. II связи с этим птица в жаркую погоду открывает клюв. (Кац //./> Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1974).

п. Самостоятельная работа

Какое количество теплоты выделится мри полном сгорании 20 кг каменного угля? (Ответ: 418 МДж)

Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 50 л метана? Плотность метана примите равной 0,7 кг/м 3 . (Ответ: -1,7 МДж)

На стаканчике с йогуртом написано: энергетическая ценность 72 ккал. Выразите энергетическую ценность продукта в Дж.

Теплота сгорания суточного рациона питания для школьников вашего возраста составляет около 1,2 МДж.

1) Достаточно ли для вас потребление в течение для 100 г жирного творога, 50 г пшеничного хлеба, 50 г говядины и 200 г картофеля. Необходимые дополнительные данные:

• творог жирный 9755;
• хлеб пшеничный 9261;
• говядина 7524;
• картофель 3776.

2) Достаточно ли для вас потребление в течение дня 100 г окуня, 50 г свежих огурцов, 200 г винограда, 100 г ржаного хлеба, 20 г подсолнечного масла и 150 г сливочного мороженого.

Удельная теплота сгорания q x 10 3 , Дж/кг:

• окунь 3520;
• огурцы свежие 572;
• виноград 2400;
• хлеб ржаной 8884;
• масло подсолнечное 38900;
• мороженое сливочное 7498. ,

(Ответ: 1) Потреблено примерно 2,2 МДж - достаточно; 2) Потреблено к 3,7 МДж - достаточно.)

При подготовке к урокам в течение двух часов вы тратите около 800 кДж энергии. Восстановите ли вы запас энергии, если выпьете 200 мл обезжиренного молока и съедите 50 г пшеничного хлеба? Плотность обезжиренного молока равна 1036 кг/м 3 . (Ответ: Потреблено примерно 1 МДж - достаточно.)

Воду из мензурки перелили в сосуд, нагреваемый пламенем спиртовки, и испарили. Рассчитайте массу сгоревшего спирта. Нагреванием сосуда и потерями на нагревание воздуха можно пренебречь. (Ответ: 1,26 г.)

• Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 т антрацита? (Ответ: 26,8 . 109 Дж.)
• Какую массу биогаза надо сжечь, чтобы выделилось 50 МДж теплоты? (Ответ: 2 кг.)
• Какое количество теплоты выделится при сгорании 5 л мазута. Плотность мазута примите равной 890 кг/м 3 . (Ответ: примерно 173 МДж.)

На коробке конфет написано: калорийность 100 г 580 ккал. Выразите нилорийность продукта в Дж.

Изучите этикетки разных пищевых продуктов. Запишите энергети-I, с кую ценность (калорийность) продуктов, выразив ее в джоулях или ка-Юриях (килокалориях).

При езде на велосипеде за 1 час вы тратите примерно 2 260 000 Дж щергии. Восстановите ли вы запас энергии, если съедите 200 г вишни?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Абсолютная влажность воздуха - это количество водяного пара в единице объема воздуха:

В системе СИ единица измерения абсолютной влажности

Влажность воздуха является очень важным параметром окружающей среды. Известно, что большую часть поверхности Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой непрерывно происходит испарение. В различных климатических зонах интенсивность этого процесса различна. Она зависит от среднесуточной температуры, наличия ветров и др. факторов. Таким образом, в определенных местах процесс парообразования воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых - наоборот.

Человеческий организм активно реагирует на изменения влажности воздуха. Например, процесс потоотделения тесно взаимосвязан 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.

Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды.

Абсолютная влажность воздуха дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, однако эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Человек ощущает не массовое количество воды в воздухе, а ее содержание относительно максимально возможного значения. Для описания реакции живых организмов на изменения содержания водяного пара в воздухе вводят понятие относительной влажности.

Относительная влажность воздуха

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная влажность воздуха - это физическая величина, показывающая насколько водяной пар в воздухе далек от насыщения:

где плотность водяного пара в воздухе (абсолютная влажность); плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Точка росы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Точка росы - это температура, при которой водяной пар становится насыщенным.

Зная температуру точки росы, можно получить представление об относительной влажности воздуха. Если температура точки росы близка к температуре окружающего воздуха, значит влажность высокая (при совпадении температур образуется туман). И напротив, если значения точки росы и температуры воздуха в момент измерения сильно расходятся, то можно говорить о низком содержании водяных паров в атмосфере.

Когда в теплое помещение с мороза заносят какую-либо вещь, воздух над ней охлаждается, насыщается водяными парами, и на вещи конденсируются капельки воды. В дальнейшем вещь прогревается до температуры воздуха помещения, и весь конденсат испаряется.

Другой, не менее хорошо знакомый пример - запотевание стекол в доме. У многих зимой на окнах появляется конденсат. На это явление влияют два фактора -- влажность и температура. Если установлен нормальный стеклопакет и правильно проведено утепление, а конденсат есть, -- значит, в помещении высокая влажность; возможно плохая вентиляция или вытяжка.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	На фотографии представлены два термометра, используемые для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы. Что покажет влажный термометр, если при неизменной температуре воздуха относительная влажность увеличится на 7%?
Решение	Запишем показания сухого и влажного термометра, представленных на фотографии: Определим разность показаний термометров: По психрометрической таблице определим относительную влажность воздуха: Если влажность воздуха увеличится на 7%, она станет равной 55%. По психрометрической таблице определяем показания сухого термометра и разности показаний сухого и влажного термометров: Таким образом, влажный термометр покажет:
Ответ	Показания влажного термометра .

ПРИМЕР 2

Задание	Относительная влажность вечером при температуре равна 50%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до ?
Решение	Относительная влажность:

Общие сведения

Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости . Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажности.

Единицы измерения и особенности определения понятия влажность

• Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность ) или её объёма (объёмная влажность ).

• Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью - количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.

Эту величину не всегда можно точно измерить, т.к. в ряде случаев невозможно удалить всю неконституционную воду и взвесить предмет до и после этой операции.

• Относительная влажность характеризует содержание влаги относительно максимального количества влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия . Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

Методы определения

Титратор Карла Фишера.

Установление степени влажности многих продуктов, материалов и т. п. имеет важное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и др.) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность животных и растительных организмов возможна только при определённых границах влажности и относительной влажности воздуха. Влажность может вносить существенную погрешность в вес предмета. Килограммы сахара или зерна с влажностью 5% и 10% будет содержать разное количество сухого сахара или зерна.

Измерение влажности определяется высушиванием влаги и титрованием влаги по Карлу Фишеру. Эти способы являются первичными. Помимо них разработано множество других, которые калибруются по результатам измерений влажности первичными способами и по стандартным образцам влажности.

Влажность воздуха

Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в различных частях атмосферы Земли.

Влажность воздуха - содержание водяного пара в воздухе ; одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата .

Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2% по объёму в высоких широтах до 2,5% в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мб (иногда лишь сотые доли мб) и летом ниже 5 мб; в тропиках же она возрастает до 30 мб, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5-10 мб.

Абсолютная влажность воздуха (f) - это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1м³ воздуха:

f = (масса содержащегося в воздухе водяного пара)/(объем влажного воздуха)

Обычно используемая единица абсолютной влажности: (f) = г/м³

Относительная влажность воздуха (φ) - это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре(см. таблицу)

t(°С)	-30	-20	-10	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
f max (г/м³)	0,29	0,81	2,1	4,8	9,4	17,3	30,4	51,1	83,0	130	198	293	423	598

φ = (абсолютная влажность)/(максимальная влажность)

Относительная влажность обычно выражается в процентах. Эти величины связаны между собой следующим отношением:

φ = (f×100)/fmax

Относительная влажность очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85% и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы. Низкие значения относительной влажности наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50% и ниже).

С высотой влажность быстро убывает. На высоте 1,5-2 км упругость пара в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу приходится 99% водяного пара атмосферы. В среднем над каждым квадратным метром земной поверхности в воздухе содержится около 28,5 кг водяного пара.

Литература

Усольцев В. А. Измерение влажности воздуха, Л., 1959.

Величины измерения влажности газа

Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:

Абсолютная влажность воздуха масса водяного пара, содержащаяся в единице объема воздуха, т.е. плотность содержащегося в воздухе водяного пара, [г/м³ ]; в атмосфере колеблется от 0,1-1,0 г/м³ (зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне); максимальная влажность воздуха (граница насыщения) количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при определенной температуре в термодинамическом равновесии (максимальное значение влажности воздуха при заданной температуре), [г/м³ ]. При повышении температуры воздуха его максимальная влажность увеличивается; давление пара давление, которое оказывает водяной пар, содержащийся в воздухе (давление водяного пара как часть атмосферного давления), [Па]; дефицит влажности разница между давлением насыщенного пара и давлением пара [Па], то есть между максимальной и абсолютной влажностью воздуха [г/м³ ]; относительная влажность воздуха отношение давления пара к давлению насыщенного пара, то есть абсолютной влажности воздуха к максимальной [% относительной влажности]; точка росы температура газа, при которой газ насыщается водяным паром °C . Относительная влажность газа при этом составляет 100 %. С дальнейшим притоком водяного пара или при охлаждении воздуха (газа) появляется конденсат . Таким образом, хотя роса и не выпадает при температуре −10 или −50°C, выпадает