Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Бар’яхтар

§ 32. Вологість повітря. Точка роси

Відомо, що людина приблизно на 70 % складається з води, при цьому не всі здогадуються, що значну роль у житті людини відіграє рівень вологості атмосфери. Однак ми інтуїтивно відчуваємо, що зазвичай вологе повітря корисне для здоров'я, тому прагнемо відпочивати на березі моря, річки, озера. З'ясуємо, від яких чинників залежить вологість повітря і як її можна змінити.

1. Що таке вологість повітря

Повітря завжди містить певну кількість водяної пари. Уміст водяної пари в повітрі характеризується абсолютною і відносною вологістю.

Абсолютна вологість ρа — фізична величина, яка характеризує вміст водяної пари в повітрі та чисельно дорівнює масі водяної пари, що міститься в 1 м3 повітря:

Одиниця абсолютної вологості в СІкілограм на метр кубічний: [ρа] = 1 кг/м3 (kg/m3).

Зазвичай абсолютну вологість подають у г/м3. В екваторіальних широтах вона може сягати 30 г/м3, до полюсів Землі знижується до 0,1 г/м3.

Відносна вологість φ — фізична величина, яка показує, наскільки водяна пара близька до насичення, і дорівнює поданому у відсотках відношенню абсолютної вологості до густини насиченої водяної пари за даної температури:

Густина насиченої водяної пари (ρн.п) за даної температури — величина незмінна, тому її заносять до таблиць (табл. 1) або подають у вигляді графіків (рис. 32.1). Зверніть увагу на два моменти.

Таблиця 1

Тиск і густина насиченої водяної пари

t, °С

pн.п, кПа

ρн.п, г/м3

0

0,61

4,8

2

0,71

5,6

4

0,81

6,4

6

0,93

7,3

8

1,07

8,3

10

1,23

9,4

12

1,40

10,7

14

1,60

12,1

16

1,81

13,6

18

2,07

15,4

20

2,33

17,3

22

2,64

19,4

24

2,99

21,8

26

3,36

24,4

28

3,79

27,2

30

4,24

30,3

2. Точка роси

Аналіз графіка на рис. 32.1, а показує, що відносну вологість повітря можна збільшити, збільшивши абсолютну вологість повітря, тобто збільшивши масу водяної пари в повітрі. Якщо на кухні довго кип’ятити воду, то відносна вологість повітря може сягнути 100 % (точка С графіка), а кахлі вкриються вологою.

Рис. 32.1. Графіки залежності ρн.п (t) — густини насиченої водяної пари від температури; ρа — абсолютна вологість

Відносна вологість у кухні збільшиться, якщо зменшити температуру повітря (рис. 32.1, б). За температури tp (у точці Б) пара стає насиченою (відносна вологість повітря дорівнює 100 %). Надалі навіть незначне зменшення температури приведе до того, що надлишкова водяна пара буде конденсуватись і випадати у вигляді роси або туману. Так під ранок, коли температура повітря різко меншає, на траві випадає роса, а над поверхнею водойм з’являється туман.

Температуру, за якої водяна пара, що міститься в повітрі, стає насиченою, називають точкою роси tp.

Знаючи точку роси, можна визначити абсолютну і відносну вологості повітря. Наприклад, температура в кімнаті t = 24 °С, а стінки металевої посудини з водою, яка розташована в цій кімнаті, почали вкриватися вологою за температури води t = 16 °С, тобто за цієї температури пара стала насиченою (t = tp). Це означає, що ρа = ρн.π (16 °C) = 13,6 г/м3 (див. табл. 1).

3. Як виміряти вологість повітря

Прилади для прямого вимірювання вологості повітря називають гігрометрами. Існує декілька видів гігрометрів, однак найуживаніші — волосяний і психрометричний. Принцип дії волосяного гігрометра (рис. 32.2) базується на властивості знежиреної волосини збільшувати свою довжину зі збільшенням вологості повітря. Узимку волосяний гігрометр є основним приладом для вимірювання вологості повітря поза приміщенням.

Рис. 32.2. Будова волосяного гігрометра: волосину 1 натягують на металеву рамку 2; зміна довжини волосини передається стрілці 3, яка переміщується вздовж шкали 4

Найчастіше використовують гігрометр психрометричний — психрометр. Дія цього приладу базується на двох фактах: 1) швидкість випаровування рідини тим вища, чим нижча відносна вологість повітря; 2) рідина під час випаровування охолоджується. Психрометр складається з двох термометрів — сухого, який вимірює температуру довкілля, і вологого — його колба обгорнута тканиною, кінчик якої опущений у посудину з водою (рис. 32.3). Вода з тканини випаровується, і вологий термометр показує нижчу температуру, ніж сухий. Чим нижча відносна вологість повітря, тим швидше випаровується рідина і тим більша різниця показів сухого та вологого термометрів.

Рис. 32.3. Гігрометр психрометричний: а — вигляд; б — будова

Відносну вологість визначають за допомогою психрометричної таблиці (табл. 2). Наприклад, сухий термометр показує 15 °С, а вологий 10 °С; різниця температур Δt = 15 °С - 10 °С = 5 °С. Із табл. 2 бачимо, що φ = 52 % .

• Якою є відносна вологість, якщо обидва термометри психрометра показують однакову температуру?

Таблиця 2

Психрометрична таблиця

Показ сухого термометра t, °С

Різниця показів сухого і вологого термометрів Δt, °С

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Відносна вологість φ, %

13

100

89

79

69

59

49

40

31

23

14

6

14

100

89

79

70

60

51

42

34

25

17

9

15

100

90

80

71

61

52

44

36

27

20

12

16

100

90

81

71

62

54

46

37

30

22

15

17

100

90

81

72

64

55

47

39

32

24

17

18

100

91

82

73

65

56

49

41

34

27

20

19

100

91

82

74

65

58

50

43

35

29

22

20

100

91

83

74

66

59

51

44

37

30

24

21

100

91

83

75

67

60

52

46

39

32

26

22

100

92

83

76

68

61

54

47

40

34

28

23

100

92

84

76

69

61

55

48

42

36

30

24

100

92

84

77

69

62

56

49

43

37

31

25

100

92

84

77

70

63

57

50

44

38

33

4. Чому потрібно стежити за вологістю повітря

Людина почувається добре за відносної вологості 50-65 %. Для її здоров’я шкідливе як надмірно сухе, так і дуже вологе повітря. Надлишкова вологість сприяє розмноженню різних хвороботворних грибків; у сухому повітрі людина швидко стомлюється, у неї дере в горлі, пересихають губи, стає сухою шкіра тощо. Якщо повітря занадто сухе, то пил, не зв’язаний вологою, літає по всьому приміщенню, і це особливо небезпечно для людей, які потерпають від алергії. Недостатня вологість призводить до загибелі чутливих до рівня вологості домашніх рослин; тріщини на предметах із дерева, розладнані музичні інструменти — теж результат недостатньої вологості повітря.

Вологість повітря важливо враховувати у ткацькому, кондитерському та інших виробництвах; під час зберігання книжок і картин; у лікуванні багатьох хвороб тощо.

Підбиваємо підсумки

• Прилади для вимірювання вологості називають гігрометрами.

• Температуру, за якої відносна вологість повітря сягає 100 %, тобто водяна пара в повітрі стає насиченою, називають точкою роси.

Контрольні запитання

1. Наведіть характеристики абсолютної та відносної вологостей повітря як фізичних величин. 2. Як можна збільшити відносну вологість? 3. Які прилади для визначення вологості повітря ви знаєте? Опишіть будову і принцип дії кожного з них. 4. Що називають точкою роси? Як, знаючи точку роси, визначити абсолютну вологість? відносну вологість?

Вправа № 32

1. Чому на холодній водопровідній трубі утворюються краплі води?

2. Чому людина легше переносить спеку, якщо повітря сухе?

3. Чому взимку, коли працює опалення, повітря в кімнаті досить сухе? Що потрібно робити, щоб підтримувати оптимальну вологість повітря?

4. На стіні приміщення, внутрішній об’єм якого 100 м3, висить психрометр (див. рис. 32.3). Визначте відносну й абсолютну вологості повітря в приміщенні. Якою є маса водяної пари в повітрі приміщення? Яку масу води потрібно випарувати, щоб збільшити вологість до 50 %?

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, коли і чому слід збільшувати (зменшувати) вологість повітря.

Експериментальне завдання

«Гігрометр». Скориставшись металевою банкою з водою, спиртовим термометром і дрібними грудочками льоду, визначте вологість повітря у вашій кімнаті.

1. Виміряйте температуру в кімнаті.

2. Занурте термометр у воду і поступово охолоджуйте її, додаючи грудочки льоду. Стежте за поверхнею банки: щойно вона помутніє (з’являться дуже маленькі крапельки води, тобто температура поверхні банки досягне точки роси), виміряйте температуру води (tроси).