10 класс
§ 55. Влажность воздуха
Характеристика влажности воздуха.
Содержание водяного пара в воздухе — его влажность — характеризуется несколькими величинами. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара. Парциальное давление р водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях (Па) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).
За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара ρ, содержащегося в воздухе. Эту физическую величину называют абсолютной влажностью и из-за её малости выражают в граммах на кубический метр (г/м3).
Абсолютная влажность показывает, сколько водяного пара в граммах содержится в 1 м3 воздуха.
Абсолютная влажность ρ и парциальное давление р водяного пара связаны уравнением Менделеева - Клапейрона:
Знание парциального давления водяного пара или абсолютной влажности ничего не говорит о том, насколько водяной пар в данных условиях далёк от насыщения. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды (или конденсация пара) и, следовательно, потеря влаги живыми организмами. Поэтому вводят физическую величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность.
Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р0 насыщенного пара при той же температуре.
Используя уравнение (1), для определения относительной влажности можно получить ещё одну формулу:
где ρ — абсолютная влажность; ρ0 — плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Точка росы.
При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность увеличивается, так как чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара. Пар становится насыщенным.
Рассмотрим график зависимости давления р насыщенного водяного пара от температуры t (рис. 8.11).
Пусть при температуре tl парциальное давление водяного пара равно p1. Состояние пара изобразится при этом точкой А. Если охладить воздух до температуры tr при p1 = const, то пар станет насыщенным и его состояние изобразится точкой В.
Температуру tr , до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называют точкой росы.
Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, равной точке росы, представляет собой парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса.
Точка росы также характеризует влажность воздуха, так как она позволяет определить парциальное давление водяного пара и абсолютную влажность с помощью таблиц, в которых представлена зависимость давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры.
Измерение влажности воздуха.
Точку росы определяют с помощью прибора, называемого конденсационным гигрометром (рис. 8.12, а). Рассмотрим его устройство. Гигрометр представляет собой металлическую коробку 1 (рис. 8.12, б), передняя стенка 2 которой хорошо отполирована.
Коробка окружена полированным кольцом 3, отделённым от неё теплоизолирующей прокладкой 4. Коробка соединена с резиновой грушей 5. Внутрь коробки наливают легко испаряющуюся жидкость (эфир) и вставляют термометр. Продувая через коробку воздух с помощью груши, вызывают сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки 2. Это и будет точка росы, так как появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным. Измерив с помощью термометра точку росы, по специальной таблице определяют давление и плотность насыщенного пара при данной температуре, т. е. абсолютную влажность воздуха.
Действие волосного гигрометра (рис. 8.13, а) основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса увеличивать (уменьшать) свою длину при увеличении (уменьшении) относительной влажности воздуха.
При помощи данного прибора можно непосредственно измерять относительную влажность воздуха. Его устройство показано на рисунке 8.13, б. Между двумя металлическими стойками 1 укреплён обезжиренный человеческий волос 2. Один конец волоса закреплён на верхнем штифте, которым можно с помощью гайки 3 регулировать натяжение волоса.
Другой конец волоса нагружен небольшой гирькой и перекинут через блок 5, на котором укреплена стрелка 4 с противовесом.
При изменении относительной влажности воздуха длина волоса изменяется, и стрелка по шкале указывает относительную влажность воздуха в процентах. Волосной гигрометр применяют в тех случаях, когда при определении относительной влажности воздуха не требуется большой точности.
Психрометр (от греч. psychros — холодный и tnetreo — измеряю) состоит из двух одинаковых термометров (рис. 8.14, а). Иногда этот прибор называют психрометрическим гигрометром (рис. 8.14, б).
Резервуар одного из термометров остаётся сухим. C его помощью измеряют температуру воздуха. Резервуар другого термометра обёрнут полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт процесс испарения и тем меньше будет разность показаний «влажного» и «сухого» термометров. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы.
По разности температур термометров с помощью специальных таблиц, называемых психрометрическими, можно определить относительную влажность воздуха. Психрометры применяют в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.
Значение влажности.
Люди весьма восприимчивы к влажности воздуха. От неё зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи. При высокой влажности, особенно в жаркий день, испарение влаги с поверхности кожи уменьшается и поэтому затрудняется терморегуляция человеческого организма. В сухом воздухе, напротив, происходит быстрое испарение влаги с поверхности кожи, что приводит к высыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность от 40 до 60%. Такая влажность, например, поддерживается в космических кораблях.
Большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. Хотя количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1%), его роль в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. Испарение воды и образование водяного пара сопровождается, наоборот, поглощением количества теплоты.
Вопросы:
1. Что называют парциальным давлением водяного пара?
2. Чему равна абсолютная влажность воздуха?
3. Как можно рассчитать относительную влажность воздуха?
4. Расскажите об устройстве и принципе действия:
а) конденсационного гигрометра;
б) волосного гигрометра;
в) психрометра.
5. Какую роль играет влажность воздуха в жизни человека?
Вопросы для обсуждения:
1. В какое время суток летом относительная влажность воздуха больше при одной и той же температуре?
2. Как по внешнему виду отличить в бане трубу с холодной водой от трубы с горячей?
3. Какими способами можно обратить ненасыщенный пар в насыщенный?
4. В запаянной U-образной трубке находится вода. Как узнать, находится ли воздух (или только насыщенный пар) над водой в трубке?
Пример решения задачи
В закрытом сосуде объёмом 0,1 м3 при температуре 147 °C содержатся 0,5 кг воды и её пар. В результате изотермического расширения в сосуде остался только насыщенный пар. На какую величину изменили объём сосуда? Давление насыщенных паров воды при данной температуре равно 4,7 ∙ 105 Па. Объёмом воды по сравнению с объёмом сосуда пренебречь.
График рассматриваемого процесса показан на рисунке рис. 8.15.
Точка 2 соответствует окончанию процесса испарения воды. При этом объём сосуда равен V + ΔV.
Запишем уравнение Менделеева - Клапейрона для начального и конечного состояний пара:
где m0 — начальная масса пара в сосуде.
Вычитая из уравнения (2) уравнение (1), получим:
Подставляя числовые данные, получим:
Ответ: ΔV ≈ 0,2 м3.
Упражнения:
1. Плотность насыщенного пара ртути при температуре 20 °C равна 0,02 г/м3. Найдите давление пара при этой температуре.
2. Во сколько раз концентрация молекул насыщенного водяного пара при температуре 50 °C больше, чем при температуре 5 °C ?
3. Водяной пар при температуре 27 °C и давлении 1330 Па занимает объём, равный 2 л. Является ли этот пар насыщенным? Каким он станет, если объём уменьшится до 0,5 л и температура понизится до 7 °C?
4. Человек в очках вошёл с улицы в тёплую комнату и обнаружил, что его очки запотели. Какой должна быть температура на улице, чтобы наблюдалось это явление? В комнате температура воздуха равна 22 °C, а относительная влажность воздуха — 50%. Используйте значения давления и плотности насыщенного водяного пара при разных температурах, приведённые на форзаце учебника.
5. В сосуде ёмкостью 10 л находится сухой воздух при нормальных условиях (р = 105 Па, t = 0 °C). Каким будет давление в этом сосуде, если в него налить воду массой 2 г и нагреть сосуд до температуры, равной 100 °C?
Это любопытно...
Интересные факты
В 1828 г. немецкий физик Эрнст Фердинанд Август (1795—1870) изобрёл психрометр. Кроме того, он предложил эмпирические формулы для определения точки росы, упругости и плотности водяного пара в воздухе.
Первый волосной гигрометр был создан в 1783 г. швейцарским естествоиспытателем Орасом Бенедиктом де Соссюром (1740—1799). В том же году он опубликовал статью, в которой доказал, что при одних и тех же температурах и давлении влажный воздух легче сухого.
Современный прибор для определения количества водяного пара в воздухе — инфракрасный гигрометр — способен работать в условиях, когда все другие приборы практически непригодны. Его принцип действия основан на сравнении потоков инфракрасного излучения двух волн разной длины, проходящих через слой воздуха. При этом одна из волн поглощается водяным паром, а другая — нет.
Если очень чистый пар не соприкасается с жидкостью, то удаётся получить перенасыщенный пар — пар, давление которого превышает давление насыщенного пара при данной температуре. Именно такой пар используется в камере Вильсона для регистрации заряженных частиц.
