Lekce o vlhkosti vzduchu

Pokusme se formulovat, co se ve fyzice rozumí vlhkostí vzduchu. Za prvé, jaká voda je ve vzduchu? Vždyť taková je například mlha, déšť, mraky a další atmosférické jevy, ke kterým dochází za účasti vody v tom či onom stavu agregace. Pokud jsou všechny tyto jevy zohledněny při popisu vlhkosti, jak pak provádět měření? I z takto jednoduché úvahy je zřejmé, že intuitivní definice zde nestačí. Ve skutečnosti mluvíme především o vodní páře, která je obsažena v naší atmosféře.

Atmosférický vzduch – je to směs plynů, z nichž jedním je vodní pára. Přispívá k atmosférickému tlaku, tento příspěvek se nazývá parciální tlak (stejně jako pružnost) vodní páry.

Dílčí tlak p vodní pára je jedním z ukazatelů vlhkosti vzduchu, která se měří v pascalech nebo milimetrech rtuti.

2. Daltonův zákon

Hlavní zákony, které jsme získali v rámci studia molekulární kinetické teorie, se týkají tzv. čistých plynů, tedy plynů skládajících se z atomů nebo molekul stejného typu. Velmi často se však musíte vypořádat se směsí plynů. Nejjednodušším a nejběžnějším příkladem takové směsi je atmosférický vzduch, který nás obklopuje. Jak víme, skládá se ze 78 % z dusíku, z více než 21 % z kyslíku a zbylé procento zabírá vodní pára a další plyny (obr. 1).

Rýže. 1. Složení atmosférického vzduchu

Každý z plynů, který je součástí vzduchu nebo jakékoli jiné směsi plynů, se jistě podílí na celkovém tlaku této směsi plynů. Příspěvek každé jednotlivé takové složky se nazývá parciální tlak plynu, tj. tlak, který by tento plyn vyvinul v nepřítomnosti jiných složek směsi.
Anglický chemik John Dalton experimentálně zjistil, že pro směsi zředěných plynů je celkový tlak prostým součtem parciálních tlaků všech složek směsi:

Tento vztah se nazývá Daltonův zákon.

3. Definice

Pojďme se seznámit s řadou pojmů, které jsou s pojmem vlhkost vzduchu nerozlučně spjaty:

Tlak vodní páry závisí na koncentraci jeho molekul ve vzduchu, stejně jako na absolutní teplotě vzduchu. Častěji se jako charakteristika vlhkosti bere hustota ρ vodní páry obsažené ve vzduchu; absolutní vlhkost.

Absolutní vlhkost ukazuje, kolik gramů vodní páry je obsaženo v 1 m3 vzduchu. V souladu s tím je jednotka měření absolutní vlhkosti 1G/m3.

Oba zmíněné indikátory vlhkosti souvisí s Mendělejevovou–Clapeyronovou rovnicí.

М – molární hmotnost vodní páry;
Т – jeho absolutní teplota.

To znamená, že když známe jeden z ukazatelů, například hustotu, můžeme snadno určit další, tedy tlak.

4. Vliv intenzity vypařování a kondenzace vody na živé organismy.

Vy i já víme, že vodní pára může být buď nenasycená, nebo nasycená. Obecně platí, že vodní pára v atmosféře je i přes přítomnost velkého množství vodních ploch (oceány, moře, řeky, jezera atd.) nenasycená, protože naše atmosféra není uzavřená nádoba. Pohyb vzdušných mas (vítrů, hurikánů atd.) však vede k tomu, že na různých místech Země je v každém časovém okamžiku jiný poměr mezi rychlostí kondenzace a odpařování vody. z nichž na některých místech může pára dosáhnout nasycení. K čemu to vede? Navíc v takové oblasti začne pára kondenzovat, protože si pamatujeme, že sytá pára je vždy v kontaktu se svou kapalinou. V důsledku toho se může tvořit mlha nebo mraky a může padat rosa.
Teplota, při které se pára nasytí, se nazývá rosný bod.

5. Hodnota vlhkosti

Lidé jsou citliví na hodnotu relativní vlhkosti, závisí na ní intenzita odpařování vlhkosti z povrchu kůže. Při vysoké vlhkosti, zejména v horkém dni, se toto odpařování snižuje, v důsledku čehož je narušena běžná výměna tepla mezi tělem a okolím. V suchém vzduchu se naopak vlhkost z povrchu kůže rychle odpařuje a způsobuje například vysychání sliznic dýchacích cest. Pro člověka je nejpříznivější relativní vlhkost vzduchu v rozmezí 40–60 %.
Důležitá je také role vodní páry při tvorbě povětrnostních podmínek. Kondenzací vodní páry dochází ke vzniku oblačnosti a následným srážkám, což je samozřejmě důležité pro všechny aspekty našeho života i pro národní hospodářství. Mnoho výrobních procesů udržuje podmínky umělé vlhkosti. Příklady takových procesů jsou tkaní, cukrářství, lékárny a mnoho dalších. V knihovnách a muzeích je pro uchování knih a exponátů také důležité udržovat určitou hodnotu relativní vlhkosti, proto v takových institucích musí psychrometr viset na stěně ve všech místnostech.

Pro charakterizaci vzdálenosti mezi stavem páry a nasycením se používá speciální veličina tzv relativní vlhkost.
Relativní vlhkost vzduch se nazývá tlakový poměr vyjádřený v procentech P vodní páry obsažené ve vzduchu na tlak P sytá pára o stejné teplotě:

Nyní je jasné, že čím nižší je relativní vlhkost, tím dále je konkrétní pára od nasycení. Pokud je tedy například hodnota relativní vlhkosti 0, pak ve vzduchu ve skutečnosti není žádná vodní pára. To znamená, že kondenzace je u nás nemožná a při relativní vlhkosti 100% je veškerá vodní pára, která je ve vzduchu, nasycená, jelikož její tlak se rovná tlaku nasycené vodní páry při dané teplotě. Můžeme tak nyní přesně určit, co je vlhkost, jejíž hodnota se nám pokaždé hlásí v předpovědích počasí.
Pomocí Mendělejevovy-Clapeyronovy rovnice můžeme získat alternativní vzorec pro relativní vlhkost, který nyní zahrnuje hustotu vodní páry obsažené ve vzduchu a hustotu nasycené páry při stejné teplotě.

– hustota vodní páry obsažené ve vzduchu;
– hustota nasycených par při stejné teplotě.

Pro výpočet relativní vlhkosti, jak jsme právě viděli, potřebujeme znát hodnotu tlaku nebo hustoty nasycených par při dané teplotě.

8. Závislost vlhkosti na teplotě

Nyní zvažte změnu relativní vlhkosti s teplotou. Čím vyšší teplota, tím nižší relativní vlhkost. Proč a jak – podívejme se na příklad úlohy.
V určité nádobě se pára nasytí při 0 o C. Jaká bude její relativní vlhkost při 10 o C, 20 o C, 50 o C?
Na položenou otázku je snadné odpovědět, pokud uvážíme, že mluvíme o páře v nádobě, pak objem páry zůstává při změně teploty nezměněn. Dále potřebujeme tabulku závislosti tlaku a hustoty nasycených par na teplotě, která je uvedena na Obr. 2.

Rýže. 2. Závislost tlaku a hustoty syté páry na teplotě

rozhodnutí
Z textu otázky je zřejmé, že při t = 0 o C, = 100 o C, protože právě při této hodnotě se pára sytí, tedy z definice relativní vlhkosti máme:

Hustota par bude stejná při všech ostatních teplotách. Z výpočtu vlhkosti nám tedy bude stačit znát hodnotu hustoty nasycených par při všech daných teplotách a můžeme hned získat odpovědi. Hodnotu hustoty syté páry vezmeme z tabulky.
Dosazením těchto hodnot jednu po druhé do vzorce pro vlhkost získáme následující odpovědi.

Nyní si povíme nejen o tom, co je vlhkost, ale také o tom, jak lze právě tuto vlhkost měřit. Nejběžnějším přístrojem pro taková měření je tzv. hygrometrický psychrometr, který je znázorněn na Obr. 3.

Rýže. 3. Hygrometrický psychrometr

Ke stojanu jsou připevněny dva teploměry se stejnými stupnicemi. Zásobník rtuti jednoho z nich je zabalen do vlhkého hadříku (obr. 4).

Rýže. 4. Hygrometrické psychrometrové teploměry

Voda z tohoto hadříku se odpaří, díky čemuž se teploměr sám ochladí, teploměry se nazývají suché a mokré (obr. 5).

Rýže. 5. Suchý a vlhký teploměr hygrometrický psychrometr

Čím vyšší je relativní vlhkost okolního vzduchu, tím méně intenzivní a slabší je odpařování vody z vlhkého hadříku, tím menší je rozdíl v údajích suchých a vlhkých teploměrů. To znamená, že při = 100% se voda nevypaří, protože veškerá vodní pára je nasycená a údaje obou teploměrů se budou shodovat. Při = 0 % bude rozdíl hodnot teploměru maximální. Na základě rozdílu odečtů teploměru se tedy pomocí speciálních psychometrických tabulek (nejčastěji se taková tabulka ihned umístí na tělo samotného zařízení) určí hodnota relativní vlhkosti.

10. Výsledky

Jak víme, většinu povrchu naší planety pokrývají oceány, takže voda a všechny procesy, které s ní probíhají, zejména vypařování a kondenzace, hrají zásadní roli ve všech procesech našeho života. Uvedli jsme přesnou definici pojmů „absolutní vlhkost“ a „relativní vlhkost“. Ve skutečnosti je to fyzikální veličina, která ukazuje, jak moc se atmosférická pára liší od nasycené páry.

11. Příklad řešení typického problému stanovení relativní vlhkosti

V uzavřené nádobě o objemu V = 1 m 3 je voda o hmotnosti m = 12 g a sytá pára; hustota a tlak par při dané teplotě jsou stejné, l = 8 * 10 –3 kg/m 3 a p = 1,1 kPa. Jaký tlak vznikne, když se objem zvětší o k = 5krát? Předpokládejme, že teplota se s rostoucím objemem nemění.

rozhodnutí: nádoba zpočátku obsahovala nasycenou páru o hmotnosti m₁ = lV = 8 * 10 –3 kg (objem zabraný vodou lze zanedbat).
Hmotnost vody a páry byla rovna m + m₁ = 2 * 10 –2 kg. K nasycení objemu rovného kV je zapotřebí pára o hmotnosti m₂ = lkV = 4 * 10 –2 kg. Od m + m₁ < m₂, pak se po zvýšení objemu páry stane nenasycenou. Jeho hustota je l₁= m + m₁/kV Tlak par při dané teplotě je přímo úměrný hustotě. Proto ₁ = *l₁ / l = (m + m₁)/ lkV = 550 Pa.

12. Test

Otázka 1:

Určete, jaká byla relativní vlhkost vzduchu v 10litrovém válci při teplotě 20 o C, pokud se do něj pro vysušení vzduchu ve válci zavedl kousek chloridu draselného, ​​který absorboval 0,13 g vody:

Možnosti odpovědi:

Otázka 2:

Uveďte vztah, který popisuje Daltonův zákon

Možnosti odpovědi:

Otázka 3:

Utěsněná nádoba o objemu 1000 litrů obsahuje 10 g nenasycené vodní páry. Uveďte tlak, při kterém se pára nasytí:

Možnosti odpovědi:

l = m/v = 10g / 1m3 (1000l = 1m3) = 10g/m3 dle tabulky

Otázka 4:

Určete objem místnosti, je-li při relativní vlhkosti 50 % a teplotě 11 o C hmotnost vodní páry v této místnosti 400 g:

Možnosti odpovědi:

Otázka 5:

Venku mrholí studený podzimní déšť a v kuchyni se pověsí prádlo, aby uschlo. Uschne toto prádlo rychleji a uschne vůbec, když otevřete okno?

Možnosti odpovědi:

• Nic se nezmění;
• pomalejší;
• Nevyschne úplně;
• Rychleji.

Z této videolekce se děti dozvědí, jak se nazývá absolutní a relativní vlhkost vzduchu a na čem závisí. Učí se tomu, čemu se říká rosný bod. Seznámí se také s konstrukcí a principem činnosti některých zařízení pro měření vlhkosti vzduchu.

Přehrávač: YouTube VKontakte

V tuto chvíli nemůžete sledovat ani distribuovat videolekci studentům

Chcete-li získat přístup k tomuto a dalším výukovým videím sady, musíte ji přidat do svého účtu.

Získejte neuvěřitelné příležitosti

1. Otevřete přístup ke všem videolekcím v sadě.

2. Distribuujte video lekce na osobní účty studentů.

3. Podívejte se na statistiky toho, jak studenti prohlížejí videolekce.
Získat přístup

Plán lekce “Vlhkost vzduchu”

V minulé lekci jsme studovali procesy odpařování a varu. Připomeňme, že var je proces odpařování, který probíhá v celém objemu kapaliny. Za těchto podmínek se kapaliny vaří při přesně definovaných teplotách.

Na rozdíl od varu je odpařování procesem odpařování, ke kterému dochází pouze z volného povrchu kapaliny. Může nastat při jakékoli teplotě. To vede k tomu, že vodní pára je vždy přítomna v atmosféře naší planety.

A navzdory obrovským plochám oceánů, moří, jezer a řek není vodní pára ve vzduchu vždy nasycená. Pohyb vzdušných hmot vede k tomu, že na některých místech naší planety v danou chvíli převažuje výpar vody nad kondenzací, jinde naopak převládá kondenzace. Ale téměř vždy je ve vzduchu nějaké množství vodní páry.

Vzduch obsahující vodní páru se nazývá vlhký vzduch.

Hlavními kvantitativními charakteristikami takového vzduchu jsou jeho absolutní a relativní vlhkost a také elasticita vodní páry.

Tlak vodní páry je parciální tlak vodní páry obsažené ve vzduchu.

Tlak vodní páry je brán jako jeden z ukazatelů vlhkosti vzduchu. Vyjadřuje se v jednotkách tlaku – pascalech nebo milimetrech rtuti.

Absolutní vlhkost vzduchu je fyzikální veličina, která se rovná hmotnosti vodní páry obsažené v jednom krychlovém metru vzduchu (tedy hustotě vodní páry ve vzduchu za daných podmínek).

Z definice vyplývá, že jednotkou absolutní vlhkosti vzduchu v SI je kilogram dělený metrem krychlovým:

Pokud například řeknou, že vlhkost vzduchu je 0,009 g/m3, znamená to, že jeden metr krychlový vzduchu obsahuje vodní páru o hmotnosti 9 gramů.

Při znalosti absolutní vlhkosti vzduchu a parciálního tlaku vodní páry však nelze soudit, jak blízko je vodní pára za daných podmínek nasycení (tedy nelze říci, zda je vzduch suchý nebo vlhký). Pro posouzení stupně vlhkosti vzduchu se zavádí hodnota nazývaná relativní vlhkost.

Relativní vlhkost je hodnota rovna poměru hustoty vodní páry obsažené ve vzduchu k hustotě nasycené vodní páry při dané teplotě (nebo poměru elasticity vodní páry k tlaku nasycené páry při dané teplotě):

Čím nižší je relativní vlhkost, tím dále je pára od nasycení a tím intenzivnější je odpařování.

Hodnoty hustoty nasycené vodní páry při různých teplotách jsou uvedeny v tabulce.

Pomocí ní určíme relativní vlhkost vzduchu při -10 o C, je-li absolutní vlhkost vzduchu při této teplotě 1,81 g/m 3 .

Když se parciální tlak vodní páry ve vzduchu rovná tlaku nasycené páry při stejné teplotě, říká se, že vzduch je nasycený vodní párou.

Teplota, při které se vodní pára obsažená ve vzduchu nasytí, se nazývá rosný bod.

Při poklesu teploty pod rosný bod dochází ke kondenzaci vodní páry. Tento proces je základem pro vznik mlhy, rosy, oblačnosti a deště.

Pro stanovení vlhkosti vzduchu a rosného bodu se používají speciální přístroje: vlhkoměry a psychrometry.

Vlhkoměr údajně vynalezl švýcarský geolog Horace de Saussure v roce 1783.

Jeho hlavním prvkem byly odtučněné lidské vlasy. Jeden jeho konec byl připevněn k rámu a druhý byl ovinut kolem válce a připojen k nákladu. Váha udržovala vlasy napnuté. Nárůst vzdušné vlhkosti způsobil, že se vlasy prodloužily a váleček se začal otáčet. Tím se šipka nástroje dala do pohybu. Stupnice takového vlhkoměru je zkalibrována tak, aby relativní vlhkost vzduchu mohla být určena polohou šipky.

První psychrometr vytvořil v roce 1828 německý fyzik Ernst August.

Augustův psychrometr se skládá ze dvou stejných teploměrů. Nádrž jednoho z nich zůstává suchá a ukazuje teplotu okolního vzduchu. Druhý teploměr se nazývá mokrý teploměr, protože jeho zásobník je obklopen látkou, jejíž konec je spuštěn do vody. Čím nižší je vlhkost vzduchu, tím intenzivnější je odpařování z povrchu vlhkého teploměru, v důsledku čehož se jeho teplota snižuje. Rozdíl v údajích teploměru slouží jako míra relativní vlhkosti, která se zjišťuje pomocí speciálních psychrometrických tabulek.

V blízkosti zemského povrchu se relativní vlhkost pohybuje od téměř 100 % v tropických deštných pralesích po 0,00002 % v Antarktidě.

Lidé se cítí nejpohodlněji při vlhkosti 40-60%. Pokud je vlhkost vzduchu pod 40 %, považuje se za suchý. A mokré, pokud jeho relativní vlhkost přesahuje 80 %.

Kontrola vlhkosti vzduchu je důležitá pro uchování uměleckých děl. Ve sklenících a pařeništích – pro udržení požadovaných podmínek pro rostliny. Kontrola vlhkosti je důležitá také při navrhování konstrukcí, strojů a různých mechanismů, elektronických obvodů a zařízení a v nanotechnologiích.

Pro konsolidaci materiálu s vámi vyřešíme několik problémů. Večer při teplotě 22°C byla relativní vlhkost vzduchu 60%. Bude se rosit, když teplota v noci klesne na 12 o C?

3 výzva. Namíchali jeden kubický metr vzduchu s 30% vlhkostí a dva kubické metry se 45% vlhkostí, obojí o stejné teplotě. Směs zaujímala objem 3,0 m3. Určete jeho relativní vlhkost.