Akademia Techniczno-Humanistyczna

W Bielsku-Białej

Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku

Semestr II, Ochrona Środowiska

Ćwiczenie 36

Wyznaczanie wilgotności powietrza i stałej psychrometru Assmana

Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku

Semestr II, Ochrona Środowiska

nr. grupy: 101

Bondarczuk Kinga

Chrobok Natalia

Skawska Patrycja

Parowanie - proces przechodzenia fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy, ale nasila się w wysokiej temperaturze. Proces parowania jest szybszy również, gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne oraz gdy mamy do czynienia z przepływem gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary. Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas oraz proces parowania - zwany wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy. Proces parowania z bezpośrednim przejściem pomiędzy fazą stała a parą nazywamy sublimacją. Przemiany fazowe związane z parowaniem i sublimacją opisuje równanie Clapeyrona.

Skraplanie lub kondesacja to zjawisko przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienie i temperatura, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Kondesacja wiąże się ze zmniejszeniem odległości miedzy cząsteczkami substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej. Siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Przy tym zachodzi wydzielanie energii w postaci ciepła. Cząsteczki tworzą zwartą masę, jednak nie powstają między nimi trwałe wiązania charakterystyczne dla ciał stałych. Proces skraplania zachodzi inaczej, gdy w gazie znajdują się zanieczyszczenia. Mogą one być zarodkami rodzących się kropel lub utrudniać powstawanie cieczy. Zależności fizyczne opisujące kondesację mają bardzo skomplikowane rozwiązania. Jeżeli jakieś zjawisko jest bardzo zależne od procesu skraplania, to niesamowicie trudno jest symulować jego przebieg. Problem ten utrudnia budowanie wiarygodnych prognoz pogody, w której procesy skraplania wody i tworzenia chmur odgrywają zasadniczą rolę.

Temperatura krytyczna to temperatura, powyżej której dana substancja może znajdować się tylko w stanie gazowym, czyli nie da się gazu skroplić pomimo wzrostu ciśnienia. Temperaturze krytycznej odpowiada ciśnienie krytyczne.

Wilgotność względna, stosunek stężenia pary wodnej zawartej w powietrzu do stężenia, które w danej temperaturze nasyciłoby powietrze; jest on wyrażony w procentach. 100% wilgotność względna oznacza maksymalne nasycenie powietrza parą wodną (a nie stan ciekły wody). Dalszy wzrost nasycenia nie jest możliwy, ponieważ para wodna zaczyna się skraplać.

Wilgotność bezwzględna - zawartość pary wodnej w powietrzu, w jednostce objętości równej 1m³, wyrażona w gramach [g/m³]. Wilgotność bezwzględna:
stosunek masy pary wodnej w danej objętości do tejże objętości zawierającej mieszaninę pary wodnej i powietrza suchego

Równanie Clapeyrona opisuje nachylenie linii równowagi i stosuje się do każdej przemiany fazowej dowolnej substancji czystej: Uwaga, to nie jest równanie Clapeyrona, czyli równanie stanu gazu idealnego!

gdzie:

• p_s - ciśnienie pary nasyconej

• Δ_pfS - zmiana molowej entropii w trakcie przemiany fazowej

• Δ_pfV - zmiana molowej objętości w trakcie przemiany fazowej

• T - temperatura

Równanie van der Waalsa

Równanie wiążące parametry stanu gazu ( ciśnienie p, objętość V i temperaturę T). Wyprowadzone przez van der Waalsa w roku 1873 jako rozszerzenie równania stanu gazu idealnego (równanie Clapeyrona), van der Waals wprowadził poprawkę uwzględniającą objętość cząsteczek gazu (b) oraz oddziaływanie wzajemne cząsteczek gazu.

Gdzie:

a - stała charakterystyczna dla danego gazu, uwzględniająca oddziaływanie między cząsteczkami gazu (cząsteczki gazu przyciągają się, w wyniku czego rzeczywiste ciśnienie gazu na ścianki naczynia jest mniejsze niż w przypadku, gdyby tego oddziaływania nie było) b - stała charakterystyczna dla danego gazu, uwzględniająca skończone rozmiary cząsteczek (cząsteczki zajmują jakąś objętość) n - liczba moli danego gazu p - ciśnienie, V - objętość, T - temperatura (bezwględna), R - uniwersalna stała gazowa

Równanie van der Waalsa stanowi na ogół bardzo dobre przybliżenie równania stanu gazów rzeczywistych, szczególnie dla dużych ciśnień i w temperaturach i ciśnieniu zbliżonych do parametrów skralpania gazu. Jeśli można zaniedbać oddziaływanie między cząsteczkami (a=0) i rozmiary samych cząsteczek (b=0) czyli traktować gaz jako gaz doskonały, to równanie van der Waalsa przechodzi w równanie Clapeyrona. Bardziej ogólnym równaniem opisujacym gazy rzeczywiste jest wirialne równanie stanu gazu.

Izoterma to dowolna zależność właściwości układu fizycznego otrzymana przy stałej temperaturze, przykładem izotermy jest Izoterma adsorpcji.

Etap I :Pomiar wilgotności względnej

Celem pierwszego ćwiczenia było wyznaczenie wilgotności względnej powietrza.

W tym celu niezbędny był Higrometr Lambrechta(budowa i opis przedstawione zostały w części teoretycznej), eter etylowy(ok.1cm³)

Pierwszą czynnością było odczytanie temperatury T otoczenia z termometru higro- metru, wynik został zapisany w tab.1., następnie wyznaczony został bezwzględny błąd
T, jako połowa wartości podstawowej jedności temperatury:
T= 0,5 [K]

Następnie do zbiorniczka higrometru za pomocą strzykawki został wlany 1cm³ eteru.

Zbiorniczek przedmuchiwaliśmy za pomocą pompki, do uzyskania rosy na powierzchnia pierścienia ( 3/4 powierzchni pierścienia) i odczytaliśmy temperaturę T^'_r. Po zaprzestaniu przedmuchiwania zbiorniczka, rosa zaczęła zanikać i gdy osiągnęła ¼ powierzchni zbiorniczka odczytaliśmy temperaturę T^''_r.

Po uzyskaniu odpowiednich danych, wyznaczyliśmy temperaturę punktu rosy jako:

T_r =
[K]

T_r =
[K]

I oszacowaliśmy maksymalny błąd bezwzględny temperatury rosy jako:

T_r =
[K]

T_r =
[K]

Tr

T_r=282
4 [K]

Wyniki zapisane zostały do tabeli.1.

Pomiary temperatur wykonywane były w t [^oC] , dlatego konieczna była zamiana na T[K]

T= 273+ t [K]

Postępując według wskazówek zamieszczonych w instrukcji odczytaliśmy prężność nasyconej pary wodnej dla temperatur T i T_r, zapisując wyniki w tabeli.1.

Po uzyskaniu odpowiednich danych możliwe było obliczenie maksymalnych błędów prężności
p i
p_s , na podstawie zmian prężności przy zmianie temperatury T o wartość

T i temperatury T_r o wartość

T_r.

_{p = (}T_{r +}
T_{r. )=282+4=286=1147,9}

_{p = (}T_{r -}
T_{r. )=282-4=278=871,9}

p=1147,9-871.9= 276[N/m²]

p_s =(T=
T)=2809,1

p_s =( T=
T)=2643,8

p_s = 2809,1- 2643,8=165,3 [N/m²]

Kolejna czynnością było wyznaczenie wilgotności względnej ze wzoru

W=
W=
=0,43

W * 100% W=43%

I wyznaczenie błędu bezwzględnego
W ze wzoru:

W=W
+

W=0,39
+

W=0,12

Wynik końcowy: W = W_obl

W W = 0,43
0,12

W * 100% = 43%
12%

Tabela.1.

T [K]	T [K]	T^'r [K]	T^''r [K]	Tr [K]	p [N/m^2]	p [N/m^2]	ps [N/m^2]	ps [N/m^2]
295	0,1	278	286	282	1147,9	276	2643,8	165.3

Etap II : Wyznaczenie stałej psychomertu Assmana

Drugie ćwiczenie miało za zadanie wyznaczyć stałą psychrometru Assmana. Postępując według zamieszczonej instrukcji, w pierwszej kolejności zwilżyliśmy gazę, którą owinięty był jeden z termometrów psychrometru i uruchomiliśmy my mechanizm ,który zapewniał stały przepływ powietrza wokół termometrów. Po ustabilizowaniu się temperatury na termometrach odczytaliśmy jej wartości T i T_m, a wyniki zapisane zostały do tabeli.2.

Po uzyskaniu wymaganych danych możliwe stało się obliczenie stałej psychrometru za wzoru:

A=
[s²/m²K]

A=
= ………..[s²/m²K]

A=…………. [s²/m²K]

- gęstość nasyconej pary wodnej w temperaturze T_m [kg/m³]

-gęstość pary zawartej aktualnie w powietrzu [kg/m³]

T - temperatura termometru suchego [K]

T_m - temperatura termometru mokrego [K]

p_o - ciśnienie atmosferyczne [Pa]

Tabela.2.

Tm [K]	T [K]	p0 [N/m^2]	[kg/m^3]	m [kg/m^3]	A [s^2/m^2K]
298	290		8.8*10^-3	1014,5*10^-3

Wnioski:

Ćwiczenie to miało na celu wyznaczenie wilgotności względnej powietrza i stałej Assamana.

Wilgotność , która wyszła w doświadczeniu może świadczyć o jej prawidłowości, gdyż wynosi ona 43%, więc mieści się w możliwych wartościach , natomiast współczynnika Assamana nie jesteśmy w stanie porównać ani z innymi poświadczeniami, ani nie udało nam się znaleźć w żadnych tablicach fizycznych.

---