Экспериментальное определение влажности воздушной массы

               Федеральное    государственное     бюджетное   образовательное                        

                     учреждение высшего профессионального образования

                            Челябинский государственный университет

                                               факультет экологии

                           кафедра геоэкологии и природопользования

 

 

 

                    

                                                Контрольная работа

 

                                                  Реферат на тему:

            Экспериментальное определение влажности воздушной массы

 

 

 

 

                                                                             

 

                                                                               Выполнила: студентка группы ЭЭ-102

                                                                               Киргизова, И. А.

                                                                     Проверил: старший преподаватель

                                                                     Васильев,О.В.                                        

 

 

 

 

 

Содержание

Влажность воздуха……………….…………………………………………….…3

Величины измерения влажности………………………………………………....5

Способы определения влажности……………………………………………....12

Значение в природе и жизни человека…………………………………………16

Заключение……………………………………………………………………….17

Список используемой литературы……………………………………………...17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влажность воздуха.

В атмосферном воздухе  и в воздухе закрытых помещений  всегда содержатся водяные пары, количество которых меняется в зависимости  от температуры и скорости его  движения, а также от географической зоны, времени года, суток и условий  погоды.

Вода в атмосфере содержится в виде молекул (пара), капелек и  кристалликов, влажность воздуха  характеризуется содержанием водяного пара в г/м3  Количество водяного пара, которое может содержаться  в воздухе при данной температуре - максимальное влагосодержание (или  максимальная упругость) водяного пара (Е). Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может  содержаться при данной температуре  – относительная влажность (%). Она  показывает степень насыщения воздуха  водяным паром.

Разность между максимальной (Е) и фактической упругостью водяного пара – дефицит  (Д). Температура, при которой находящийся в  воздухе водяной пар насытит  его и начнется конденсация - точка  росы (Т0). Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может  содержать, тем выше точка росы.

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 мбар (иногда лишь сотые  доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в  тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5—10 мбар.

Водяной пар поступает  в атмосферу в результате процесса испарения с поверхности океанов, морей, водоёмов, влажной почвы и  растений. Образовавшийся водяной пар  переносится вверх турбулентностью  и конвекцией, а по горизонтали  – ветром. Испарение зависит от температуры испаряющей поверхности  и от относительной влажности  воздуха. Насыщенный воздух не может  вместить больше пара, если температура  его не повысится. При повышении  температуры, он удаляется от насыщения, при понижении, наоборот, в нем  может начаться конденсация. Так  происходит, например, летней ночью  при ясной погоде, соприкасаясь с  холодной поверхностью, оставляет на ней капельки росы. При отрицательной  температуре выпадает иней. В воздухе, охлаждающемся от поверхности или  от пришедшего холодного воздуха, образуется туман. Он состоит из мелких капелек  или кристалликов, взвешенных в воздухе. В сильно загрязнённом воздухе образуется густой туман с примесью дыма - смог.

Облака образуются при  конденсации водяного пара в поднимающемся  воздухе вследствие его охлаждения. Высота их образования зависит от температуры относительной влажности  воздуха. При достижении им высоты, на которой насыщение станет полным (100%) начинается конденсация и облакообразование. Если восходящий воздух встретит теплый слой (инверсия), подъём прекращается, воздух не достигает границы конденсации  и облака не образуются.

Облака находятся в  постоянном движении, опускаясь ниже границы конденсации, они испаряются .Облака могут состоять из мелких капелек  или кристалликов, чаще всего они  смешанные.

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.

Вода занимает около 70,8% поверхности  земного шара. Живые организмы  содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря живые организмы – это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. куб. км воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара, т. е., сконденсировавшись, он мог бы образовать "слой осаждённой воды" толщиной 2,4 см. Значения E, а  значит, и фактическое количество водяного пара быстро убывает с понижением температуры. Поэтому для атмосферы  типично уменьшение количества водяного пара от экватора к полюсам и очень  быстрое его уменьшение по мере увеличения высоты над Землёй. У её поверхности  среднее содержание водяного пара по объёму составляет у экватора 2,6%, а  в полярных районах 0,2 %. От подстилающей поверхности до высоты 1,5-2 км ср. содержание водяного пара уменьшается вдвое. Выше тропопаузы воздух очень сух, и вплоть до высоты 30 км в среднем  q у 2,6*10¹⁶ г/г, а f обычно не превышает нескольких  процентов. Лишь изредка влажность воздуха в стратосфере может быть гораздо большей. Так, на высотах 17-32 км иногда образуются перламутровые (стратосферные) облака, что свидетельствует о наличии насыщающей влажности воздуха.

Вода в атмосфере при t/0⁰ C может быть в газообразной и жидкой фазах, а при отрицательных температуpax - в газообразной, жидкой (переохлаждённой вплоть до -35- -40 ⁰C), и твердой (лёд). Важной особенностью водяного пара является то, что его насыщающая упругость над переохлаждённой водой (Е_в) больше, чем надо льдом (Eл).  Значение   Е ~Eв-Eл максимально при t=- 12 ⁰ С(=0,269 гПа). То, что   играет большую роль в эволюции переохлаждённых облаков, способствуя переконденсации воды с капель на кристаллы, чем облегчается образование частиц осадков.

В таблице  для различных  температур воздуха приведены значения E, а и m при насыщении над гладкой поверхностью воды (числитель) и льда (знаменатель) при р= 1000 гПа.

t,0 0С	E, гПа	а, г/м3	m, г/кг
-30	0,509/ 0,380	0,453/ 0,338	0,318/ 0,236
-20	1,254/ 1,031	1,073/ 0,883	0,784/ 0,642
-10	2,852/ 2,597	2,357/ 2,138	1,793/ 1,620
0	6,107/ 6, 106	4,844/ 4,844	3,838/ 3,838
10	12,271/-	9,390/-	7,761/-
20	23,371/-	17,270/-	14,951/-
30	42,427/-	30,330/-	27,693/-

 

Фазовые переходы воды сопровождаются выделением или поглощением тепла, поэтому они играют огромную роль в энергетике и термодинамике  атмосферы. Поскольку водяной пар  имеет в ИК-части спектра несколько  полос поглощения, влажность воздуха  сильно влияет на тепловой баланс атмосферы .Наиболее  интенсивные полосы поглощения находятся на длинах волн =5,5-7,0 мкм  и  17 мкм.

Воздух может быть сухой  и влажный в зависимости от количества паров, находящихся при  данной температуре в атмосфере. Влажный воздух содержит больший  процент молекул воды, чем сухой.

 

 

Величины измерения  влажности  газа

Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:

Абсолютная влажность воздуха

Абсолютная влажность  воздуха (f) — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха; в атмосфере колеблется от 0,1-1,0 г/м³ (зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне);

 Определяется как отношение  массы содержащегося в воздухе  водяного пара к объёму влажного  воздуха.

Абсолютная влажность  воздуха рассчитывается по следующей  формуле:

 

,где V — объём влажного  воздуха,  m — масса водяного  пара, содержащегося в этом объёме.

Обычно используемая единица  абсолютной влажности: [f] = 1 г/м³.

Абсолютная влажность  воздуха зависит от температурного режима и переноса (адвекции) влаги  с океаническими массами воздуха. При одной и той же температуре  воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь  состояния полного насыщения.

Абсолютная влажность  воздуха в состоянии его насыщения  носит название влагоёмкости. Величина влагоёмкости воздуха резко возрастает с увеличением его температуры.

 

Температура t, °C	-30            -20          -10              0             10     20              30             40           50           60        70               80           90          100
Максимальная абсолютная влажность р 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

 

Для суждения о степени  влажности важно знать, близок или  далёк водяной пар, находящийся  в воздухе, от состояния насыщения. Для этого вводят понятие относительной  влажности.

Упругость водяного пара p —  это парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе. ; выражается в мбар или мм рт. ст. Упругость  водяного пара зависит от количества водяного пара в единице объёма и  является одной из характеристик  влажности воздуха.

Упругость водяного пара у  земной поверхности может быть около  нуля (в Антарктиде, зимой в Якутии, иногда в пустынях) и до 30—35 мбар вблизи экватора. Упругость пара в  полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и  летом ниже 5 мбар; в тропиках же она  возрастает до 30 мбар, а иногда и  больше. В субтропических пустынях упругость водяного пара понижена до 5—10 мбар. С высотой упругость  пара быстро убывает — в 2 раза в  нижних 1,5 км и почти до нуля на верхней  границе тропосферы

Водяной пар в воздухе  обычно является ненасыщенным. Перемещение  воздушных масс, обусловленное в  конечном счете излучением Солнца, приводит к тому, что в одних  местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает  над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация.

В СИ единицами упругости  являтся паскаль (Па). Иногда используются внесистемные единицы миллиметр  ртутного столба (мм рт. ст.), мбар.

Относительная влажность воздуха

Относительная влажность  воздуха (φ) — это отношение его  текущей абсолютной влажности к  максимальной абсолютной влажности  при данной температуре. Она также  определяется как отношение парциального давления водяного пара в газе к  равновесному давлению насыщенного  пара; это отношение плотности  водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах.

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.

Большое значение имеет относительная  влажность воздуха, сообщения о  которой каждый день  звучат в  сводках метеопрогноза.

Измеряется в процентах  и определяется по формуле:

 

где:    — относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха);     —парциальное давление паров воды в смеси;    — равновесное давление насыщенного пара.

Давление насыщенных паров  воды сильно растёт при увеличении температуры . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией  пара наступает момент , когда пар  насыщается. При этом «лишний» пар  конденсируется в виде тумана или  кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы

Относительная влажность  водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T) и температура точки росы (T0). Когда T и T0 выражены в градусах Цельсия, тогда истинно выражение:

 

где парциальное давление водного пара в смеси оценено   :

 

и влажное давление пара воды в смеси при температуре  оценено  :

 

 

Чем меньше относительная  влажность, тем дальше пар от насыщения, тем интенсивнее происходит испарение. Давление насыщенного пара p0 при  заданной температуре — величина табличная. Упругость водяного пара (а значит, и абсолютную влажность) определяют по точке росы.

Максимальная влажность  воздуха (граница насыщения)

Граница насыщения - количество водяного пара, которое может содержаться  в воздухе при определённой температуре  в термодинамическом равновесии (максимальное значение влажности воздуха  при заданной температуре), [г/м³ ]. При  повышении температуры воздуха  его максимальная влажность увеличивается.

Дефицит влажности 

Дефицит влажности - разность между максимально возможным  и фактическим давлением водяного пара [Па] (при данных условиях: температуре  и давлении воздуха).

Точка росы.

Температуру, при которой  пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным в процессе охлаждения, называют точкой росы.

По точке росы с помощью  специальных таблиц можно определить абсолютную влажность р. По заданной температуре воздуха можно определить с помощью этих же таблиц плотность  насыщенного пара р0, а затем определяют относительную влажность воздуха.

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 изморозь, иней, лёд или снег, точка  росы в −10 или −50 °C существует и  соответствует 2,361 и 0,063 г воды на 1м³ воздуха или другого газа под  давлением одна атмосфера;

Перенасыщенный водяной  пар

В отсутствие центров конденсации  при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, то есть относительная влажность  становится более 100 %. В качестве центров  конденсации могут выступать  ионы или частицы аэрозолей, именно на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся при прохождении  заряженной частицы в таком паре основан принцип действия камеры Вильсона и диффузионных камер: капельки воды, конденсирующиеся на образовавшихся ионах образуют видимый след (трек) заряженной частицы.

Другим примером конденсации  перенасыщенного водяного пара являются инверсионные следы самолётов, возникающие  при конденсации перенасыщенного  водяного пара на частицах сажи выхлопа  двигателей.

Температура точки росы газа—  это значение температуры газа, при  достижении которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом  изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью воды.

Формула для приблизительного расчёта точки росы в градусах Цельсия (только для положительных  температур):

 

где

Tp = точка росы,

a = 17.27,

b = 237,7 °C,

 

T = температура в градусах  Цельсия,

RH = относительная влажность  в объёмных долях (0 < RH < 1.0),

ln — натуральный логарифм.

Формула обладает погрешностью ±0.4 °C в следующем диапазоне значений:

0 °C < T < 60 °C

0.01 < RH < 1.0

0 °C < Tр < 50 °C

Значения точки росы в  градусах °C для ряда ситуаций определяют с помощью пращевого психрометра  и специальных таблиц. Сначала  определяют температуру воздуха, затем  влажность, температуру подложки и  с помощью таблицы Точки росы определяют температуру, при которой  не рекомендуется наносить покрытия на поверхность.

Относительная влажность %	0	2,5	5	7,5	10	12,5	15	17,5	20	22,5	25
20	-20	-18	-16	-14	-12	-8,8	-7,7	-5,6	-3,6	-1,5	-0,5
25	-18	-15	-13	-11	-9,1	-6,9	-4,8	-2,7	-0,6	1,5	3,6
30	-15	-13	-11	-8,9	-6,7	-4,5	-2,4	-0,2	1,9	4,1	6,2
35	-14	-11	-9,1	-6,9	-4,7	-2,5	-0,3	1,9	4,1	6,3	8,5
40	-12	-9,7	-7,4	-5,2	-2,9	-0,7	1,5	3,8	6,0	8,2	10,8
45	-10	-8,2	-5,9	-3,6	-1,3	0,9	3,2	5,5	7,7	10,0	12,3
50	-9,1	-6,8	-4,5	-2,2	0,1	2,4	4,7	7,0	9,3	11,6	13,9
55	-7,9	-5,6	-3,3	-0,9	1,4	3,7	6,1	8,4	10,7	13,0	15,3
60	-6,8	-4,4	-2,1	0,3	2,6	5,0	7,3	9,7	12,0	14,4	16,7
65	-5,8	-3,4	-1,0	1,4	3,7	6,1	8,5	10,9	13,2	15,6	18,0
70	-4,8	-2,4	0,0	2,4	4,8	7,2	9,6	12,0	14,4	16,8	19,1
75	-3,9	-1,5	1,0	3,4	5,8	8,2	10,6	13,0	15,4	17,8	20,3
80	-3,0	-0,6	1,9	4,3	6,7	9,2	11,6	14,0	16,4	19,8	21,3
85	-2,2	0,2	2,7	5,1	7,6	10,1	12,5	15,0	17,4	19,9	22,3
90	-1,4	1,0	3,5	6,0	8,4	10,9	13,4	15,8	18,3	20,8	23,2
95	-0,7	1,8	4,3	6,8	9,2	11,7	14,2	16,7	19,2	21,7	24,1
100	0,0	2,5	5,0	7,5	10,0	12,5	15,0	17,5	20,0	22,5	25,0

 

Диапазон комфорта:

Tочка росы, °C	Восприятие человеком	Относительная влажность (при 32 °C), %
более 26	крайне высокое восприятие, смертельно опасно для больных астмой	65 и выше
24—26	крайне некомфортное состояние	62
21—24	очень влажно и некомфортно	52—60
18—21	неприятно воспринимается большинством людей	44—52
16—18	комфортно для большинства, но ощущается верхний предел влажности	37—46
13—16	комфортно	38—41
10—12	очень комфортно	31—37
менее 10	немного сухо для некоторых	30

 

 

Удельная влажность 

Удельная влажность - масса  водяного пара в граммах на килограмм  увлажнённого воздуха [г/кг], то есть отношение  масс водяного пара и увлажнённого воздуха;

 

 

Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ВДТ и ВЭВМ.

Период года       Холодный     Теплый

Категория работ     ЛЕГКАЯ-19    ЛЕГКАЯ-16      ЛЕГКАЯ-19    ЛЕГКАЯ-16

Температура воздуха Гр. С     22-24 21-23   23-25 22-24

Относительная влажность  воздуха, %   40-60 40-60   40-60 40-60

Скорость движения воздуха, м/с    0,1 0,1   0,1 0,2

 

Примечание: к категории 19 относятся работы, производимые сидя и не требующие физического напряжения, при которых расход энергии составляет до 120 ккал/ч; категория 16 относятся работы, производимые сидя, стоя, или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением, при котором расход энергии составляет от 120 до 150  ккал/ч.

Так как в течение учебного года студентам приходится больше времени  проводить в учебном заведении, то не маловажную роль играет состояние  влажности в учебных кабинетах.

Оптимальные и допустимые параметры температуры и относительной влажностью воздуха в помещениях с ВДТ и ПЭВМ во всех учебных и дошкольных учреждениях.

Оптимальные параметры   Температура град. С. Относительная влажность %   19 20 21   62 58 55

Допустимые параметры   Температура град. С. Относительная влажность %   18 22 _   39 31 _

 

Примечание: скорость движения воздуха – не более 0,1 м/с.

 

Определение влажности  воздуха.

Для определения влажности  воздуха используют такие приборы, как гигрометры (конденсационный  и волосной) и психрометры.

 

 Психрометр Августа состоит из двух термометров - сухого и влажного. Влажный термометр показывает температуру ниже, чем сухой, т.к. его резервуар обмотан тканью, смоченной в воде, которая, испаряясь, охлаждает его. Интенсивность испарения зависит от относительной влажности воздуха. По показаниям сухого и влажного термометров находят относительную влажность воздуха по психрометрическим таблицам. В последнее время стали широко применяться интегральные датчики влажности (как правило, с выходом по напряжению), основанные на свойстве некоторых полимеров изменять свои электрические характеристики (такие, как диэлектрическая проницаемость среды) под действием содержащихся в воздухе паров воды. Для поверки приборов для измерения влажностей применяют специальные установки - гигростаты.

Измеренные психрометром значения температур можно перевести  в значение относительной влажности  воздуха по специальной таблице:

термометр, °C Разность показаний термометров, °С
1 2  3  4  5  6        7                                           8        9
Относительная влажность, %
10 88 76 65 54 44 34 24 14 5
12 89 78 68 57 48 38 29 20 11
14 89 79 70 60 51 42 34 25 17
16 90 81 71 62 54 45 37 30 22
18 91 82 73 65 56 49 41 34 27
20 91 83 74 66 59 51 44 37 30
22 92 83 76 68 61 54 47 40 34
24 92 84 77 69 62 56 49 43 37
26 92 85 78 71 64 58 51 46 40
28 92 85 78 71 64 58 51 46 40
28 93 85 78 72 65 59 53 48 42
30 93 86 79 73 67 61 55 50 44

 

Конденсационный гигрометр  представляет собой металлическую  коробку А, передняя стенка К которой  хорошо отполирована (рис. 2) Внутрь коробки  наливают легко испаряющуюся жидкость — эфир — и вставляют термометр. Пропуская через коробку воздух с помощью резиновой груши  Г, вызывают сильное испарение эфира  и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при  которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки К. Давление в области, прилегающей  к стенке, можно считать постоянным, так как эта область сообщается с атмосферой и понижение давления за счет охлаждения компенсируется увеличением  концентрации пара. Появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным. Зная температуру воздуха  и точку росы, можно найти парциальное  давление водяного пара и относительную  влажность.

 

Весовой (абсолютный) гигрометр  состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом  протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после  измерения, а также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

 

Действие волосного гигрометра (рис.3) основано на свойстве обезжиренного  волоса изменять свою длину при изменении  влажности воздуха, что позволяет  измерять относительную влажность  от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую  рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы.

 

 

Плёночный гигрометр имеет  чувствительный элемент из органической плёнки, которая растягивается при  повышении влажности и сжимается  при понижении. Изменение положения  центра плёночной мембраны передаётся стрелке. Волосной и плёночный гигрометр  в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора — психрометра, который также применяется для измерения влажности воздуха.

 

В электролитическом гигрометре пластинку из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают  гигроскопическим слоем электролита  — хлористого лития — со связующим  материалом. При изменении влажности  воздуха меняется концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление; недостаток этого гигрометра — зависимость  показаний от температуры.

Действие керамического  гигрометра основано на зависимости  электрического сопротивления твёрдой  и пористой керамической массы (смесь  глины, кремния, каолина и некоторых  окислов металла) от влажности воздуха.

 

Всё большее распространение  находят электролитические гигрометры с подогревом, действие которых основано на принципе измерения точки росы над насыщенным соляным раствором (обычно хлористым литием), которая  для данной соли находится в известной  зависимости от влажности. Чувствительный элемент состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет чулок из стекловолокна, пропитанный раствором  хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.

Влажность воздуха можно  измерить и без специальных приборов.

Возьмите обычный комнатный  термометр, зафиксируйте его показания  в данном помещении. Затем укутайте носик термометра влажной тканью и оставьте его в этом же помещении  на 5-10 минут. Вычислите относительную  влажность по формуле, выведенной из пропорции. Она будет равна результату деления произведения температуры  второго замера и 100% на температуру  первого замера.