17. Лабораторная работа № 2. Измерение влажности воздуха

Абсолютная и относительная влажность воздуха

Очевидно, вы не раз слышали или говорили «очень сухой воздух» или «очень влажный воздух». В обоих случаях речь идёт о количестве водяного пара, который содержится в воздухе. Если его мало, мы чувствуем сухость. В этом случае рекомендуют использовать специальные приборы, которые так и называются ― увлажнители (рис. 1). Их принцип довольно прост: они испаряют воду, увеличивая количество водяного пара в помещении.

Очень влажный воздух встречается, например, в теплицах или возле больших водоёмов. Но высокая влажность наблюдается и в помещениях ― с плохой гидроизоляцией, отсутствием вентиляции и т. д. Тогда мы сталкиваемся с сыростью и, возможно, даже плесенью. Высокую влажность воздуха можно почувствовать в ванной или душе, а также в бане (рис. 2).

Итак, в воздухе практически всегда содержится водяной пар. Нас интересует его количество (насколько его много), то есть влажность воздуха. Ранее мы уже разобрались с понятием влажности (соответствующий урок вы можете освежить в памяти, он доступен по ссылке). Мы ввели понятия абсолютной влажности и относительной влажности, и чаще всего при оценке свойств и качества воздуха мы говорим именно об относительной влажности. Давайте разберёмся, с чем это связано.

Абсолютная влажность воздуха ― это масса водяного пара, которая содержится в одном кубическом метре воздуха. Фактически это плотность водяного пара.

Допустим, абсолютная влажность воздуха . Как этот воздух будет влиять на тела, которые в него помещены? Это зависит от того, насколько близок водяной пар к насыщенному состоянию. На этот вопрос мы не сможем ответить без дополнительной информации, например о температуре воздуха.

Если температура воздуха равна , в таком воздухе может содержаться максимум водяного пара, пар в воздухе почти насыщенный (рис. 3).

Рис. 3. Плотность насыщенных паров воды при различных температурах

Влажные предметы в таком воздухе будут очень плохо высыхать: испаряться воде почти некуда. Такие условия нам привычно называть сыростью, это плохие условия для хранения книг и хорошие для выращивания грибов. А если температура воздуха равна 25 ℃, в таком воздухе может содержаться 23 г пара в каждом кубометре. И если сейчас там содержатся всё те же 12 г водяного пара, то может быть добавлено ещё почти столько же, пока водяной пар не станет насыщенным. Помещённые в такой воздух влажные предметы будут высыхать намного лучше, чем в предыдущем примере. Получается, абсолютная влажность одинакова, но при разных температурах воздух проявляет свойства как более сухой или более влажный.

В рассмотренных примерах мы не произнесли этого вслух, но практически оперировали понятием относительной влажности воздуха, так как сравнивали фактическую плотность водяного пара в воздухе  с максимально возможной при этой температуре, то есть с плотностью насыщенного водяного пара при данной температуре .

Относительная влажность воздуха ― это и есть отношение этих двух величин:  и , которое для удобства может быть выражено в процентах.

И то, что мы говорили о воздухе в примерах, «очень влажный» и «более сухой», мы теперь можем выразить численно и использовать для сравнения условий пребывания в том или ином помещении.

Проведём расчёты.

Относительная влажность воздуха:

.

.

.

Относительная влажность воздуха в первом примере (при температуре 14 ℃) получается равной около 99 %, а в примере с температурой 25 ℃ ― около 52 %.

Именно эту величину, эти проценты относительной влажности включают в прогноз погоды, указывают в оптимальных условиях хранения продуктов (таких как мука или крупы), включают в санитарно-гигиенические требования к воздуху в квартире и т. д. И часто мы подразумеваем именно относительную влажность, когда говорим просто «влажность воздуха». Иногда для краткости будем так говорить и на этом уроке.

Относительную влажность воздуха мы будем измерять сегодня в рамках лабораторной работы.

Модель эксперимента

Давайте подумаем, каким образом можно измерить относительную влажность воздуха. Существуют различные способы, но к одному из них мы уже приблизились, когда обсуждали, что во влажном воздухе влажные предметы высыхают плохо, а в более сухом ― лучше. Если сформулировать это более строго, мы связали интенсивность испарения воды с относительной влажностью воздуха, в котором эта вода находится.

Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее в нём происходит испарение воды. Значит, зная интенсивность испарения, мы сможем определить влажность воздуха. Но как узнать степень интенсивности испарения? Когда вода испаряется, её температура понижается. Вы это знаете по своему опыту, а более подробно мы об этом говорили на одном из предыдущих уроков (можете просмотреть соответствующий раздел по ссылке и вспомнить, почему это происходит).

Если кратко, это происходит из-за того, что при испарении жидкость покидают молекулы с самой большой энергией. Внутренняя энергия оставшихся молекул (а значит, и температура) в среднем становится меньше. Главное ― по этому уменьшению температуры мы можем судить об интенсивности испарения, следовательно, и о влажности воздуха.

Теперь ясно, что нужно сделать: взять что-то мокрое, например кусочек влажной ткани, и поместить её на резервуар термометра, чтобы измерять температуру этой влажной ткани. Так мы сможем измерить, какую температуру приобретает ткань при испарении с её поверхности воды.

Но нам надо знать, на сколько градусов понизилась температура, поэтому для сравнения нужен второй термометр ― сухой, который измеряет температуру воздуха в комнате (рис. 4).

Остаётся привести в соответствие показания термометров и значение влажности воздуха. Решить такую задачу с помощью модели физических процессов сложно, можно поступить проще: опытным путём найти, какое изменение температуры соответствует тому или иному значению влажности воздуха. Затем эти значения внести в таблицу и пользоваться ею в готовом виде.

Так и поступили при создании психрометрического гигрометра, которым мы будем пользоваться (рис. 5). Он состоит из двух термометров. Один из них сухой, а второй контактирует с кусочком ткани, которая смачивается дистиллированной водой из резервуара. И в комплекте, прямо на корпусе прибора, есть психрометрическая таблица, о которой мы говорили.

Итак, теоретические основы будущего эксперимента обсудили, приступим к измерению влажности воздуха.

О вопросе воспроизводимости эксперимента

Изменение температуры воды при её испарении может зависеть от массы воды. Например, если рука опущена в сосуд с водой и вода из сосуда испаряется, то эффект понижения температуры практически не ощущается (рис. 6 а).

А если рука вся в мелких каплях ― понижение температуры ощутимое (рис. 6 б).

Допускаем, что на изменение температуры могут влиять и свойства ткани, которая смачивается, и состав воды. При использовании психрометра (см. рис. 5) влияние всех этих факторов по возможности минимизируется: вода берётся дистиллированная, кусочек ткани стандартный, он опущен одним концом в воду и смачивается естественным образом, за счёт капиллярных явлений. Подробнее мы изучим этот процесс в старших классах, но сейчас важно, что процесс не зависит от того, сколько воды будет в специальном резервуаре или как мы намочим ткань.

Смачивание, испарение, охлаждение будут определяться свойствами ткани, воды, сосуда, которые стандартны, и влажностью воздуха, которую мы измеряем. Именно поэтому зафиксированному в таблице соответствию показаний термометров и значений влажности воздуха можно доверять с высокой степенью точности.

Выполнение лабораторной работы

Тема лабораторной работы: «Измерение влажности воздуха».

Сформулируем цель работы: научиться определять относительную влажность воздуха с помощью психрометрического гигрометра.

Для проведения лабораторной работы нам понадобятся психрометрический гигрометр и дистиллированная вода (рис. 7), которая нужна для его работы. Записываем их в графу «Приборы и материалы».

Подготовим наш гигрометр к работе. Как мы помним, один из термометров должен контактировать с влажной тканью. Пока оба термометра сухие, они показывают одинаковую температуру, что неудивительно.

Чтобы ткань стала влажной, зальём в специальный резервуар дистиллированную воду, она у нас заготовлена, и её температура равна комнатной. Отметим, что это не нужно делать перед каждым измерением, вода из резервуара испаряется несколько дней (точнее сказать нельзя, так как скорость испарения как раз зависит от влажности и температуры воздуха).

Приступим к измерениям. Мы фиксируем показания двух термометров, а в психрометрической таблице будем использовать разность этих показаний. Создадим таблицу, в которую будем всё это вносить.

Рис. 8. Таблица

Чтобы определить показания термометров, нужно знать цену деления их шкал. Это мы давно умеем делать: возьмём соседние подписанные отметки, например 22 ℃ и 24 ℃, и подсчитаем деления между ними. Их оказалось 10 (рис. 9). Разницу между значениями 2 ℃ делим на количество делений 10, получаем цену деления 0,2 ℃.

Теперь мы можем определить значения температур. Начнём с сухого термометра, здесь ближайшая подписанная отметка 22 ℃, и ещё сверху одно деление, которое соответствует 0,2 ℃ (рис. 10).

То есть показания сухого термометра: .

Влажный термометр, как мы и ожидали, показывает меньшее значение температуры: видим столбик ровно напротив отметки 14 (см. рис. 10).

Вычислим разность температур:

.

Вносим полученные данные в нашу таблицу с результатами.

Рис.11 Запишем результат в таблицу

Теперь у нас есть всё, чтобы воспользоваться психрометрической таблицей и найти относительную влажность воздуха. Сначала находим нужное значение среди показаний сухого термометра, вот этот столбец. Как видим, в нём только целые значения температур, поэтому округлим наше значение до целых, это 22 ℃, посмотрите на выделенную строку на рис. 12. Теперь среди значений влажности в этой строке находим то, которое соответствует разности температур, которую мы получили. Как видим, значения идут с шагом полградуса, значит, нам нужно округлить не до целых значений градуса, а до 0,5 ℃, в нашем случае мы будем использовать значение 8 ℃.

В верхней строке мы не видим такого значения. Но обратите внимание, у этой таблицы есть продолжение. Там как раз указаны значения разности температур в 6 и более градусов (рис. 13).

Ищем в ней строку с нужной температурой сухого термометра, столбец с нужной разностью температур. На пересечении видим число 33. Значит, относительная влажность воздуха составляет 33 %.

Запишем результат в таблицу.

Рис. 14 Запишем результат в таблицу.

Итак, основная часть лабораторной работы окончена, можем перейти к выводам: в ходе лабораторной работы мы научились пользоваться психрометрическим гигрометром и измерять с его помощью влажность воздуха.

Дополнительные расчёты

Итак, мы получили значение относительной влажности 33 %. Оптимальной же считается влажность в 45 %, то есть неплохо бы повысить влажность в этом помещении. Чтобы это сделать, воспользуемся специальным прибором ― увлажнителем (см. рис. 1). Включим его на полчаса и измерим влажность по результатам его работы.

Пока он работает, давайте рассчитаем теоретически, какую влажность мы должны получить.

В характеристиках прибора указано, что при работе на полную мощность расход пара составляет 0,4 л/ч. Это значит, что увлажнитель за каждый час испаряет 0,4 л воды. Полученный пар затем распространяется по всей комнате, поэтому оперировать единицами объёма будет неудобно. А вот масса пара после испарения будет такой же, как и масса испарённой воды.

Масса воды .

Значит, за 1 час в воздух помещения будет добавляться 400 г водяного пара. Мы включили увлажнитель на полчаса, значит, в воздухе будет дополнительно  водяного пара.

Как же изменится абсолютная влажность? Площадь комнаты ― 50 м2, высота ― около 3 м, значит, объём комнаты . Тогда абсолютная влажность увеличится на .

Осталось решить простую задачу: нам известна начальная относительная влажность, известно изменение абсолютной влажности, нужно найти итоговую относительную влажность. Температуру воздуха будем считать неизменной.

Тогда .

Плотность насыщенных паров при температуре  возьмём из таблицы (см. рис. 3):

.

Полное решение задачи и расчёт показаны на рис. 15.

Получается, что после получаса работы увлажнителя мы должны получить относительную влажность в 40 %.

Итак, время прошло, снова измерим влажность воздуха в комнате.

Показания сухого термометра практически не изменились, столбик оказался напротив отметки 22 ℃ (рис. 16).

Смотрим на влажный термометр: он показывает 14 ℃ и ещё 7 отметок сверху по 0,2 ℃.

То есть показания влажного термометра равны: .

Вычисляем разность температур: .

Как мы уже знаем, показания сухого термометра нужно округлять до целых, они у нас уже и так целые, . Разность температур округляем с точностью до , то есть до .

Внесём данные в таблицу.

Рис. 17. Таблица

По психрометрической таблице (рис. 18) этим значениям соответствует выделенная строка и столбец. То есть относительная влажность стала равной 44 %.

Теперь наша таблица будет выглядеть следующим образом:

Рис. 19 Таблица

Как мы и ожидали, влажность увеличилась вследствие работы увлажнителя воздуха. Значение относительной влажности получилось немного больше расчётного. Это может быть связано с тем, что пар не успел равномерно распределиться по всей комнате.

Список рекомендованной литературы

1. Физика: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская. — Москва: Просвещение/Дрофа, 2021.

2. Физика: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Л. Э. Генденштейн, А. Б. Кайдалов, В. Б. Кожевников; под ред. В. А. Орлова, И. И. Ройзена. — Москва: Мнемозина, 2012.

3. Физика: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / А. А. Фадеева, А. В. Засов, Д. Ф. Киселёв. — Москва: Просвещение, 2002.

4. Физика: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / А. В. Пёрышкин. — М.: Дрофа, 2013.

5. Физика: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / В. В. Белага, И. А. Ломаченков, Ю. А. Панебратцев. — Москва: Просвещение, 2017.

6. Рабочая тетрадь по физике для 8 кл. к учебнику А. В. Пёрышкина / А. В. Пёрышкин. — Москва: Экзамен, 2021.

Дополнительные рекомендованные ссылки на интернет-ресурсы

1. Видеоурок «Лабораторная работа № 3. Определение относительной влажности воздуха»

2. Видеоурок «Лабораторная работа № 3. Измерение влажности воздуха»

3. Видеоурок «Измерение влажности воздуха термометром»

Список использованных источников:

1. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

2. Моушн-дизайнер Лопатин М. С.