Единица величины абсолютной влажности. От чего зависит относительная влажность воздуха. Примеры решения задач

На данном уроке, тема которого: «Влажность. Измерение влажности», мы обсудим свойства насыщенного и ненасыщенного водяного пара, который всегда присутствует в атмосфере.

На предыдущем уроке мы с вами познакомились с понятием «насыщенный пар». Как при изучении любых тем и предметов, может возникнуть вопрос: «Где же мы пользуемся этим понятием, как мы его будем применять?». Самое важное применение свойств насыщенного пара мы и обсудим на данном уроке.

Название темы наверняка вам хорошо известно, ведь понятие «влажность воздуха» вы каждый день слышите, когда смотрите или слушаете прогноз погоды. Однако если вас спросят: «Что же понимается под влажностью воздуха?», вы вряд ли сразу дадите точное физическое определение.

Попробуем сформулировать, что же в физике понимается под влажностью воздуха. Прежде всего, что это за вода содержится в воздухе? Ведь таковой, например, является туман, дождь, облака и прочие атмосферные явления, проходящие с участием воды в том или ином агрегатном состоянии. Если все эти явления учитывать при описании влажности, то как же проводить измерения? Уже из таких простых рассуждений становится ясно, что интуитивными определениями здесь не обойтись. На самом деле, речь идет прежде всего о парах воды, которые содержатся в нашей атмосфере.

Атмосферный воздух является смесью газов, одним из которых и является водяной пар (рис. 1). Он вносит свой вклад в атмосферное давление, этот вклад называется парциальным давлением (а также упругостью) водяных паров.

Рис. 1. Составляющие атмосферного воздуха

Закон Дальтона

Основные закономерности, которые мы с вами получали в рамках изучения молекулярно-кинетической теории, относятся к так называемым чистым газам, т. е. газам, состоящим из атомов или молекул одного сорта. Однако очень часто приходится иметь дело со смесью газов. Самым простым и распространенным примером такой смеси является атмосферный воздух, который окружает нас. Как мы знаем, он на 78 % состоит из азота, на 21 % с лишним - из кислорода, а оставшийся процент занимают водяные пары и другие газы.

Рис. 2. Состав атмосферного воздуха

Каждый из газов, который входит в состав воздуха или любой другой смеси газов, безусловно, вносит свой вклад в общее давление данной смеси газов. Вклад каждого отдельного такого компонента носит название парциальное давление газа ,т. е. то давление, которое оказывал бы данный газ в отсутствии других компонент смеси.

Английский химик Джон Дальтон экспериментальным путем установил, что для разреженных газовых смесей общее давление есть простая сумма парциальных давлений всех компонент смеси:

Данное соотношение носит название закона Дальтона.

Доказательство закона Дальтона в рамках молекулярно-кинетической теории хотя и не особо сложное, однако достаточно громоздкое, поэтому приводить здесь мы его не будем. Качественно же объяснять этот закон достаточно просто, если учесть тот факт, что мы пренебрегаем взаимодействием между молекулами, т. е. молекулы представляют собой упругие шары, которые могут только сталкиваться друг с другом и со стенками сосуда. На практике модель идеального газа хорошо работает лишь для достаточно разреженных систем. В случае же плотных газов будут наблюдаться отклонения от выполнения закона Дальтона.

Парциальное давление p водяных паров является одним из показателей влажности воздуха, который измеряется в паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Давление водяного пара зависит от концентрации его молекул в воздухе, а также от абсолютной температуры последнего. Чаще за характеристику влажности принимают плотность ρ водяного пара, содержащегося в воздухе, она называется абсолютной влажностью.

Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в воздуха. Соответственно, единица измерения абсолютной влажности - .

Оба упомянутых показателя влажности связаны уравнением Менделеева-Клапейрона:

- молярная масса водяного пара;

- его абсолютная температура.

То есть, зная один из показателей, например плотность, мы можем легко определить другой, то есть давление.

Мы с вами знаем, что водяной пар может быть как ненасыщенным, так и насыщенным. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью того же состава, называется насыщенным. Ненасыщенный пар - пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. В этом случае равновесие между процессами конденсации и испарения отсутствуют.

В целом водяной пар в атмосфере, несмотря на наличие большого количества водоемов: океанов, морей, рек, озер и так далее - является ненасыщенным, ведь наша атмосфера не закрытый сосуд. Однако перемещение воздушных масс: ветра, ураганы и так далее - приводят к тому, что в разных точках Земли в каждый момент времени наблюдается разное соотношение между скоростями конденсации и испарением воды, вследствие чего в отдельных местах пар может достигать насыщения. К чему это приводит? К тому, что в такой местности пар начинает конденсироваться, ведь мы помним, что насыщенный пар всегда контактирует со своей жидкостью. Как результат, может образоваться туман или облака, выпасть роса. Температура, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы. Давление водяного пара (насыщенного) в точке росы обозначим .

Подумайте, почему роса, как правило, выпадает ранним утром? Что в этот момент суток происходит с температурой, а следовательно, и с предельным давлением, с давлением насыщенного пара? Очевидно, что знание абсолютной влажности или парциального давления водяного пара не дает нам никакого представления о том, насколько близок или далек данный пар от насыщения. А ведь именно от этой удаленности или близости к насыщению и зависит скорость процессов испарения и конденсации, т. е. тех процессов, которые и обуславливают жизнедеятельность живых организмов.

Если испарение превалирует над конденсацией, то организмы и почва теряют влагу (рис. 3). Если превалирует конденсация, то становятся невозможными процессы сушки (рис. 4).Перед нами стоит необходимость усовершенствовать понятие влажности; понятие абсолютной влажности, как мы только что убедились, не полностью описывает все необходимые нам явления.

Рис. 3. Испарение превалирует над конденсацией

Рис. 4. Конденсация превалирует над испарением

Еще раз обсудим проблематику. Сделаем это на простом примере. Представьте себе, что в некотором транспортном средстве находится 20 человек. Много это или мало, т. е. вот эта абсолютная величина 20 человек? Естественно, что мы не сможем сказать, много это или мало, до тех пор пока не будем знать максимальную вместимость данного автомобиля или транспортного средства. 20 человек в легковой машине - это, естественно, много, это фактически невозможно, а 20 человек в большом автобусе не так уж и много. Аналогично и в случае с абсолютной влажностью, т. е. с парциальным давлением водяного пара, нам необходимо его с чем-то сравнивать. С чем же сравнивать это парциальное давление? Ответ нам подсказывает прошлый урок. Какое важное, особое значение есть у давления водяного пара? Это давление насыщенного водяного пара. Если мы будем сравнивать парциальное давление водяного пара при данной температуре с давлением насыщенного водяного пара при этой же температуре, мы сможем точнее охарактеризовать ту самую влажность воздуха. Чтобы охарактеризовать удаленность состояния пара от насыщения, ввели специальную величину, называемую относительной влажностью .

Относительной влажностью воздуха называют выраженное в процентах отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при той же температуре:

Теперь ясно, что чем меньше относительная влажность, тем дальше тот или иной пар от насыщения. Так, например, если значение относительной влажности равно 0, то фактически водяного пара в воздухе нет. Т. е. у нас невозможна конденсация, а при значении относительной влажности 100 % весь водяной пар, который находится в воздухе, является насыщенным, т. к. его давление равно как раз давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Вот таким вот способом мы теперь точно определили, что же такое та самая влажность, значение которой нам каждый раз сообщают в прогнозах погоды.

Воспользовавшись уравнением Менделеева-Клапейрона, мы можем получить для относительной влажности альтернативную формулу, в которую входит теперь значение плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, и плотность насыщенного пара при той же температуре.

Давление и плотность пара;

Давление и плотность насыщенного пара при данной температуре ;

Универсальная газовая постоянная.

Формула относительной влажности:

Плотность водяного пара, содержащегося в воздухе;

Плотность насыщенного пара при той же температуре.

Влияние интенсивности испарения и конденсации воды на живые организмы

Люди очень восприимчивы к значению относительной влажности, от нее зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи. При высокой влажности, особенно в жаркий день, это испарение уменьшается, вследствие чего нарушается нормальный теплообмен организма с окружающей средой. В сухом воздухе, наоборот, происходит быстрое испарение влаги с поверхности кожи, от чего высыхают, например, слизистые оболочки дыхательных путей. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность в интервале 40-60 %.

Важна также роль водяного пара в формировании погодных условий. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков, что, безусловно, имеет значение для любых аспектов нашей жизни и для народного хозяйства. Во многих производственных процессах поддерживаются искусственные режимы влажности. Примером таких процессов являются ткацкие, кондитерские, фармацевтические цеха и многие другие. В библиотеках и музеях для сохранения книг и экспонатов также важно поддерживать определенное значение относительной влажности, поэтому в таких учреждениях во всех помещениях обязательно на стене висит психрометр - прибор для измерения относительной влажности.

Для расчета относительной влажности, как мы только что убедились, нам необходимо знать значение давления или плотности насыщенного пара при данной температуре.

На прошлом уроке, изучая насыщенный пар, мы говорили об этой зависимости, однако ее аналитический вид весьма сложен, наших математических знаний еще не достаточно. Как же быть в этом случае? Выход очень прост: вместо записи этих формул в аналитическом виде, мы будем пользоваться таблицами значения давления и плотности насыщенного пара при данной температуре (табл. 1). Эти таблицы есть как в учебниках, так и в любом справочнике технических величин.

Табл. 1. Зависимость давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры

Теперь рассмотрим изменение относительной влажности с температурой. Чем выше температура, тем меньше относительная влажность. Почему и как, рассмотрим на примере задачи.

Задача

В некотором сосуде пар становится насыщенным при . Какова будет его относительная влажность при , , ?

Поскольку речь идет о паре в сосуде, то объем пара остается неизменным при изменении температуры. Кроме этого, нам необходима таблица зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры (табл. 2).

Табл. 2. Зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры

Решение:

Из текста вопроса ясно, что при , , ведь именно при этом значении пар становится насыщенным, т. е. из определения относительной влажности мы имеем:

В числителе стоит плотность имеющегося в сосуде водяного пара, а в знаменателе находится плотность отсутствующего в сосуде насыщенного пара при той же температуре. Что будет происходить с величиной влажности при увеличении температуры? Числитель, с учетом замкнутости сосуда, изменяться не будет. Действительно, поскольку не происходит конденсации и нет обмена веществом с внешним миром, то масса пара, а вместе с ней и его плотность, сохранят свои значения. А знаменатель, как мы знаем из прошлого урока, растет с температурой, поэтому относительная влажность будет уменьшаться. Плотность пара в сосуде при можно вычислить из приведенной формулы:

Эту же плотность пар будет иметь и при всех остальных температурах. Следовательно, для вычисления влажности нам будет достаточно знать значение плотности насыщенного пара при всех заданных температурах, и мы сразу можем получить ответы. Значение плотности насыщенного пара возьмем из таблицы. Подставляя поочередно значения в формулу для влажности, получим такие ответы:

Ответ:

Пример решения типичной задачи на определение относительной влажности

При решении таких задач важно знать, что давление насыщенного пара зависит от температуры, но не зависит от объема.

Условие задачи:

В сосуде находится воздух, относительная влажность которого при температуре равна . Какой будет относительная влажность после уменьшения объема сосуда в n раз (n = 3) и нагревания газа до температуры ? Плотность насыщенных водяных паров при температуре равна .

Ход решения:

Из определения относительной влажности мы можем записать, что при температуре абсолютная влажность, до сжатия, равна:

А после сжатия:

То есть при уменьшении объема в раз при постоянной массе плотность увеличивается в раз.

После сжатия масса влаги, приходящаяся на единицу объема сосуда, не только в виде паров, но и в виде сконденсировавшееся жидкости, если возникли условия для конденсации, будет равна:

При температуре давление насыщенных водяных паров равно нормальному атмосферному давлению, мы об этом говорили на прошлом уроке, и составляет:

А их плотность, если воспользоваться уравнением Менделеева-Клапейрона, может быть рассчитана по формуле:

Где , т. к. в сосуде будет ненасыщенный пар с относительной влажностью:

Выражая эту влажность в процентах, мы получим значение 2,9 %.

Ответ: .

А теперь поговорим не только о том, что такое влажность, но и о том, как эту самую влажность можно измерять. Наиболее распространенным инструментом для таких измерений служит так называемый гигрометрический психрометр, который представлен на рис. 5.

Рис. 5. Гигрометрический психрометр

На стойке закреплены два термометра с одинаковыми шкалами. Ртутный резервуар одного из них обвернут во влажную тряпочку (рис. 8).

Рис. 6. Термометры гигрометрического психрометра

Вода с этой тряпочки испаряется, благодаря чему сам термометр охлаждается, соответственно, термометры носят название сухой и влажный (рис. 7).

Рис. 7. Сухой и влажный термометры гигрометрического психрометра

Чем больше относительная влажность окружающего воздуха, тем менее интенсивно, слабее идет испарение воды с влажной тряпочки, тем меньше разность в показаниях сухого и влажного термометров. Т. е. при ϕ = 100 % вода не будет испаряться, т. к. весь водяной пар является насыщенным, и показания обоих термометров будут совпадать. При разность показаний термометров будет максимальной. Таким образом, по разности показаний термометров с помощью специальных психометрических таблиц (чаще всего такая таблица сразу размещена на корпусе самого прибора) и определяют значение относительной влажности.

Как мы знаем, большая часть поверхности нашей планеты покрыта Мировым океаном, поэтому вода и все процессы, происходящие с ней, в частности испарение и конденсация, играют важнейшую роль во всех процессах нашей жизнедеятельности. Мы сами дали строгое определение понятий «абсолютная влажность» и «относительная влажность». Фактически это физическая величина, относительная влажность показывает, на сколько атмосферный пар отличается от насыщенного.

Список литературы

1. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.
2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.

1. Интернет-портал WorldOfSchool.ru ()
2. Интернет-портал «Физика. Старые учебники» ()

Домашнее задание

1. Чем отличаются абсолютная влажность и относительная влажность?
2. Что можно измерить с помощью гигрометра психрометрического и каков его принцип действия?
3. Из каких парциальных давлений складывается атмосферное давление?

Влажность воздуха является важной характеристикой окружающей среды. Но не все до конца понимают, что подразумевается под подаваемых в сводках погоды. и абсолютная влажность - это связанные понятия. Разобраться в сути одного без понимания другого не представляется возможным.

Воздух и влага

Воздух содержит смесь веществ, находящихся в газообразном состоянии. В первую очередь это азот и кислород. Их в общем составе (100 %) содержится приблизительно 75 % и 23 % по массе соответственно. Около 1,3 % аргона, менее 0,05 % - это углекислый газ. Остаток (недостающая около 0,005% суммарно) приходится на долю ксенона, водорода, криптона, гелия, метана и неона.

Также в воздухе постоянно содержится какое-то количество влаги. В атмосферу она попадает после испарения молекул воды из мирового океана, с увлажненной почвы. В замкнутом пространстве содержание ее может отличаться от внешней среды и зависит от наличия дополнительных источников поступления и потребления.

Для более точного определения физических характеристик и количественных показателей применяется два понятия: относительная влажность и абсолютная влажность. В быту избыточный образуется при сушке белья, в процессе приготовления пищи. Люди и животные выделяют его с дыханием, растения в результате газообмена. В производстве изменение соотношения водяного пара может быть связано с конденсацией при перепаде температур.

Абсолютная и особенности употребления термина

Насколько важны знания точного количества водяного пара в атмосфере? По этим параметрам рассчитываются прогнозы погоды, возможности выпадения осадков и их объем, пути перемещения фронтов. На базе этого определяются риски возникновения циклонов и особенно ураганов, могущих представлять серьезную опасность для региона.

В чем разница двух понятий? Общее то, что и относительная влажность, и абсолютная влажность показывают содержание в воздухе водяного пара. Но первый показатель определяется расчетным путем. Второй же может быть измерен физическими методами с результатом в г/м 3 .

Однако с изменением температуры окружающей среды эти показатели меняются. Известно, что в воздухе максимально может содержаться определенное количество водяного пара - абсолютная влажность. Но для режимов +1°C и +10°C эти значения будут разными.

Зависимость количественного содержания водяного пара в воздухе от температуры отображается в показателе относительной влажности. Она рассчитывается по формуле. Результат выражается в процентном соотношении (объективный показатель от максимально возможного значения).

Влияние условий среды

Как изменится абсолютная и относительная влажность воздуха с повышением температуры, к примеру, с +15°C до +25°C? С ее увеличением давление водяного пара вырастает. А значит, в единице объема (1 м куб.) молекул воды поместится больше. Следовательно, вырастает и абсолютная влажность. Относительная при этом снизится. Это объясняется тем, что фактическое содержание водяного пара осталось на том же уровне, а максимально возможное значение увеличилось. По формуле (разделив одно на другое и умножив результат на 100 %) в итоге получится уменьшение показателя.

Как изменится абсолютная и относительная влажность при понижении температуры? Что происходит при уменьшении с +15°C до +5°C? Абсолютная влажность при этом снизится. Соответственно в 1 м куб. воздушной смеси водяного пара максимально может поместиться меньшее количество. Расчет по формуле покажет увеличение итогового показателя - процент относительной влажности увеличится.

Значение для человека

При наличии избыточного количества паров воды чувствуется духота, при недостатке - ощущается сухость кожных покровов и жажда. Очевидно, что влажность сырого воздуха выше. При избытке лишняя вода не удерживается в газообразном состоянии и переходит в жидкую или твердую среду. В атмосфере она устремляется вниз, это проявляется осадками (туман, изморозь). В помещении на предметах интерьера образуется слой конденсата, на поверхности травы по утрам роса.

Повышение температуры легче переносить в сухом помещении. Однако тот же режим, но при относительной влажности выше 90 % вызывает быстрое перегревание тела. Организм борется с этим явлением одинаково - происходит выделение тепла с потом. Но на сухом воздухе он быстро испаряется (высыхает) с поверхности тела. Во влажной среде этого практически не происходит. Наиболее подходящий (комфортный) для человека режим - это 40-60 %.

Для чего это необходимо? В сыпучих материалах в сырую погоду содержание сухого вещества в единице объема уменьшается. Эта разница не столь существенна, но при больших объемах может «вылиться» в реально определяемое количество.

Продукция (зерно, мука, цемент) имеет допустимый порог влажности, при которой она может храниться без потери качества или технологических свойств. Поэтому контроль показателей и поддержание их на оптимальном уровне обязательны для хранилищ. Снижением влажности в воздухе добиваются уменьшения ее и в продукции.

Приборы

На практике фактическая влажность измеряется гигрометрами. Раньше существовало два подхода. Один основан на изменении растяжимости волоса (человеческий или животного). Другой - на разности показаний термометров в сухой и влажной среде (психрометрический).

В волосном гигрометре стрелка механизма связана с натянутым на рамке волосом. Он в зависимости от влажности окружающего воздуха меняет физические свойства. Стрелка отклоняется от эталонного значения. Ее перемещения отслеживаются по нанесенной шкале.

Относительная влажность и абсолютная влажность воздуха, как известно, зависят от температуры окружающей среды. Эта особенность используется в психрометре. При определении снимаются показания двух рядом расположенных термометров. Колба одного (сухого) находится в обычных условиях. У другого (мокрого) она окутана фитилем, который связан с резервуаром с водой.

В таких условиях термометр измеряет среду с учетом испаряющейся влаги. А этот показатель зависит от количества водяного пара в воздухе. Определяется разность показаний. Значение относительной влажности определяется по специальным таблицам.

В последнее время большее применение имеют датчики, использующие изменения электрических характеристик определенных материалов. Для подтверждения результатов и сверки приборов существуют эталонные установки.

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.

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

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

Когда речь идет о нашем здоровье, то знание относительной влажности воздуха и формулы ее определения становится на первое место. Впрочем, точную формулу знать не обязательно, но неплохо хотя бы в общих чертах представлять себе, что это такое, зачем измерять влажность в доме, и какими способами это можно сделать.

Какой должна быть оптимальная влажность

Влажность в помещении, где человек работает, проводит досуг или спит, имеет особое значение. Наши органы дыхания созданы таким образом, что слишком сухой или насыщенный водяными парами воздух для них губителен. Поэтому существуют государственные стандарты, которые регламентируют, какой должна быть влажность воздуха в помещении.

Зона оптимальной влажности

В целом существует с десяток способов проконтролировать влажность воздуха и привести его в норму. Это создаст самые благоприятные условия для учебы, сна, занятий спортом, повысит работоспособность и улучшит самочувствие.

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?