Порядок проведения измерений

1. Взвесить на аналитических весах сухой стеклянный сосуд (m₁).

2. Установить равномерное капание воды из бюретки в любой другой сосуд.

3. Отсчитать не менее n =100 капель в первый сосуд и взвесить его с водой (m₂).

4. Рассчитать массу одной капли, как .

5. Измерить диаметр пипетки (или взять значение у преподавателя).

6. Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения по формуле (6).

7. Опыт повторить не менее 4 раз.

8. Результаты прямых и косвенных измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

9. Среднее значение величины σ как измеренное определяется: .

10. Среднее значение величины Δσ как измеренное определяется: .

11. Сравнить величину <σ>_изм с табличным значением σ_табл.

12. Относительную ошибку E_σ находят по формулам: или .

13. Окончательный результат представить в виде: σ_изм=(<σ>±<Δσ>) .

Контрольные вопросы

1. Объясните характер теплового движения молекул жидкости.

2. Каковы причины возникновения особых свойств поверхностного слоя жидкости?

3. Что такое молекулярное действие и каковы его характеристики?

4. Как возникает молекулярное давление и его связь с поверхностным натяжением?

5. Какие явления объясняет поверхностное натяжение?

6. Назовите способы определения коэффициента поверхностного натяжения.

Литература

1. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т.1.- М.: ГИФМЛ, 1962г.-466с.

2. Савельев И.В. Курс физики. Т.1.- М.: Наука, 1989г.-352с.

3. Физический практикум / Под ред. проф. Ивероновой В.И.- М.: 1967г.-352с..

4. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Под ред. д. ф.-м.н. Гольдина Л.Л.- М.: Наука 1964г.-580с.

Лабораторная работа № 6

Определение абсолютной и относительной влажности воздуха
с помощью аспирационного психрометра

Цель работы: Ознакомиться с работой аспирационного психрометра, научиться определять влажность с помощью аспирационного психрометра.

Приборы и принадлежности: аспирационный психрометр, барометр-анероид, стаканчик с водой и пипетка, таблица зависимости упругости насыщенного пара от температуры, психрометрический график

Краткая теория:

Атмосферный воздух содержит некоторое количество водяных паров. Количество этих паров может меняться как по абсолютной величине, так и по степени насыщения, что характеризуется абсолютной и относительной влажностями. В данной лабораторной работе необходимо определить эти величины.

Абсолютная влажность ρ определяется количеством водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха при данной температуре, выраженным в граммах. Плотность сухого воздуха ρ₀ при 0 ^оС и при давлении 760 мм рт. ст. равна 1293г/м³. На основании уравнения Менделеева-Клапейрона плотность воздуха при температуре t ^оС и при давлении p мм рт. ст. будет равна

г/м³

(α=1/273 – коэффициент объемного расширения воздуха). Плотность водяного пара по отношению к плотности воздуха равна 0,622. Применяя и к водяному пару уравнение Менделеева-Клапейрона (что справедливо лишь для паров, далеких от состояния насыщения) получим для плотности водяного пара

, (1)

где ρ – плотность водяного пара при температуре t ^оС.

Пользуясь этим выражением, можно определить абсолютную влажность воздуха, если известна упругость (парциальное давление) паров воды.

Из формулы (1) видно, что при малых значениях t величина абсолютной влажности ρ численно мало отличается от величины упругости водяного пара p, поэтому принято абсолютной влажностью называть упругость водяного пара и выражать ее в мм рт. ст. или в кПа.

Относительной влажностью φ называется величина, равная отношению абсолютной влажности паров при температуре t к влажности паров, насыщающих пространство при той же температуре t:

, (2)

где ρ_н и p_н – плотность и давление насыщенных паров. Относительная влажность характеризует, таким образом, степень насыщения воздуха водяным паром. В закрытом сосуде наблюдается равновесие между жидкой и газообразной фазами вещества. Газ, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Давление p_н, при котором осуществляется равновесие при данной температуре, называется давлением насыщенного пара. Это давление растет с температурой (рис.1).

Пар принято называть ненасыщенным, если он не находится в термодинамическом равновесии со своей жидкостью, т.е. его плотность меньше плотности насыщенного пара при одной и той же температуре.

Точкой росы называется температура, при которой водяной пар, имеющийся в воздухе, становится насыщенным, т.е. начинает конденсироваться на охлажденной поверхности.

Определение влажности воздуха производится обычно (с использованием табличных данных) или методом определения точки росы или психрометрически.

Метод психрометра

Метод психрометра – наиболее распространенный метод измерения влажности воздуха. Сущность его состоит в следующем: пусть два одинаковых термометра находятся в одинаковых потоках воздуха. Показания этих термометров, естественно, должны быть одинаковы. Если же баллончик одного из термометров будет все время смочен, например, обернут мокрым батистом, то показания термометров окажутся различными. Благодаря испарению воды с батиста так называемый «мокрый» термометр показывает температуру t₁ более низкую, чем сухой термометр t. Чем меньше влажность окружающего воздуха, тем интенсивнее будет испарение и тем ниже показания мокрого термометра. Отсчеты по двум термометрам дадут разность температур, которая и будет характеризовать влажность воздуха. При установившемся режиме испарения, когда температура мокрого термометра тоже установится, приток теплоты Q₁ извне равен расходу теплоты Q₂ на испарение воды с поверхности термометра.

По закону Ньютона за единицу времени имеем

Q₁=α (t - t₁) S₁, (3)

где (t - t₁) – наибольшая разность температур, S₁ – поверхность баллончика мокрого термометра, α – коэффициент пропорциональности.

По закону Дальтона испарение в единицу времени определяется выражением

,

где m – масса испарившейся воды, S₂ – площадь испаряющей поверхности, H – давление воздуха, p_нм – давление(упругость) насыщающего водяного пара при температуре испаряющейся жидкости, т.е. температуре t_{1 ,} p – давление (упругость) водяного пара, находящегося в воздухе, С – коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости потока воздуха.

Количество теплоты Q₂ может быть записано в виде

, (4)

где r- удельная теплота испарения воды.

При Q₁=Q₂ и S₁=S₂ получаем

, откуда

p=p_нм- A (t - t₁) H, (5)

где - (6)

постоянная применяемого прибора. Величина этой постоянной определяется в основном скоростью потока и находится экспериментально.

Аспирационный психрометр

Психрометр аспирационный (рис.2) предназначен для измерения влажности и температуры воздуха в стационарных и походных условиях.

Прибор состоит из двух одинаковых термометров 1 и 6, закрепленных в специальной оправе. Прибор имеет заводной механизм и вентилятор, составляющие аспирационную головку 5 и закрытые колпаком 3. Пружина заводного механизма заводится ключом 2. Резервуары термометров помещены в двойную трубчатую защиту 9 с воздушным зазором между трубками. Такая защита предохраняет резервуары термометров от нагревания солнцем, для этого наружная поверхность трубок тщательно полируется и никелируется. Сами трубки соединены с пластмассовым тройником воздухопроводной трубки 8, на верхнем конце которой укреплена аспирационная головка 5.

Трубки между собой изолированы изоляционными кольцами. От механических повреждений термометры с боков защищены металлическими планками 7.

Резервуар правого термометра обернут одним слоем батиста, который перед работой смачивается дистиллированной, дождевой или снеговой водой с помощью резиновой груши с пипеткой 11. К прибору придается щиток 10 для защиты вентилятора от сильного ветра.

Для подвешивания прибора имеется стержень 12, один конец которого имеет нарезку, а другой - крючок. Стержень горизонтально ввинчивают в деревянный предмет (столб, забор и т.п.) и на крючок навешивают прибор. Под действием вентилятора воздух, обтекая резервуары термометров, всасывается по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези 4. Сухой термометр показывает температуру воздуха в потоке. Влажный термометр всегда показывает более низкую температуру (если воздух не насыщен водяными парами), так как он охлаждается вследствие испарения воды с поверхности батиста, облегающего его резервуар.

Аспирационный психрометр имеет следующие технические данные: цена деления термометров — 0,2 °С; диапазон измерения— от 10 до 100 % при температуре окружающей среды от —10 до +40 °С; скорость воздушного потока у резервуаров термометров, создаваемая вентилятором аспирационной головки,— не менее 2 м/с на четвертой минуте и не менее 1,7 м/с на шестой минуте работы вентилятора; время действия завода механизма—8—10 мин. Погрешность определения относительной влажности (при измерении температуры с точностью до 0,1 °С и при температуре воздуха 20 °С) не должна превышать:

Измерения и вычисления:

1. Ознакомиться с устройством и техническими данными аспирационного психрометра.

2. Смочить батист на резервуаре правого термометра за несколько минут до наблюдения.

3. Завести вентилятор при помощи ключа почти до отказа, но осторожно, чтобы не сорвать пружину. Если аспирационный психрометр электрический, то работать с ним согласно прилагаемой к нему инструкции.

4. После установления процесса испарения, записать температуру обоих термометров (t, t₁) на четвертой минуте работы вентилятора.

5. Определить относительную влажность φ по психрометрическому графику (рис.3) в следующем порядке: по вертикальным линиям отмечают показания сухого термометра, а по наклонным – показания смоченного. На пересечении этих линий отмечают значения относительной влажности, выраженной в процентах. Работа с таблицей 2 аналогична: показания сухого термометра соответствуют горизонтальным линиям, а показания влажного – вертикальным. Точка пересечения этих линий указывает численное значение относительной влажности в процентах.

6. Упругость паров (давление) p_нс и p_нм, насыщающих воздух при температуре сухого и влажного термометров, берут из таблиц 3, 4, 5.

7. Вычислить давление p водяных паров в воздухе (абсолютную влажность), зная относительную влажность φ и упругость насыщения паров p_нс при температуре сухого термометра t по формуле (2) , отсюда .

8. По барометру – анероиду определить барометрическое давление (среднее из пяти показаний, снятых в процессе данной работы).

9. По формуле (6) вычислить постоянную психрометра А.

10. Все измерения и расчеты провести 5раз, результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. Таблица 1

11. Вычислить погрешность измерений относительной влажности: , где <Δφ> - средняя абсолютная погрешность, | Δφ_i | - абсолютные значения отклонений относительной влажности φ_i от среднего арифметического её значения; - относительная погрешность относительной влажности, где - среднее значение относительной влажности.

12. Для постоянной психрометра А относительную и абсолютную погрешность рассчитать дифференциальным методом: . Значения абсолютных погрешностей измеряемых величин H, t, t₁, p_нм и p взять в соответствии с ценой деления используемых приборов и точностью табличных данных.

13. Окончательный результат записать в виде:

φ = (<φ> ± <Δφ>) %

E_φ=

A= (<A> ± <ΔA>) град^-1

E_A=

Таблица 2

Относительная влажность по аспирационному психрометру, %

Рис. 3

Таблица 3

Упругость насыщенных паров воды, мм рт. ст.

Таблица 4

Психрометрическая таблица относительной влажности воздуха (в %)

Таблица 5

Давление и плотность насыщенного водяного пара при разных
температурах

Продолжение табл. 5

Контрольные вопросы

1. Объяснить процессы испарения и кипения жидкости.

2. Дать определение ненасыщенного пара, точки росы, насыщенного пара.

3. Что называется абсолютной, максимальной и относительной влажностями?

4. Назовите известные вам гигрометры и психрометры.

5. Устройство психрометра Августа и аспирационного психрометра и методика работы с ними.

6. Как работать с психрометрическим графиком и психрометрической таблицей?

7. Объяснить смысл постоянной аспирационного психрометра и расчет абсолютной влажности с ее помощью.

Литература

1. Физический энциклопедический словарь. -М.: СЭ, 1983.-928с.

2. Флиш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т.1.-М.: ГИФМЛ, 1962.-466 с.

3. Савельев И.В. Курс физики. Т.1. -М.: Наука, 1989. – 352с.

4. Физический практикум / под ред. проф. В.И. Ивероновой. -М.:Наука, 1967.-352с.

5. Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.Н. Лабораторный практикум по физике. –М.: ВШ, 1982.- 335с.

Поиск по сайту: