C9. Wyznaczanie wilgotnoś ci powietrza za pomocą psychrometru 1/3
Nr pary
Imię i nazwisko studenta
Wydział
grupa
data
Imię i nazwisko prowadzącego
Zaliczenie
C9. Pomiar wilgotności powietrza za pomocą psychrometru
Celem ć wiczenia jest poznanie poję cia wilgotnoś ci bezwzglę dnej i wzglę dnej, właś ciwoś ci pary nasyconej i nienasyconej oraz doś wiadczalny pomiar wilgotnoś ci powietrza przy uż yciu psychrometru Augusta.
W powietrzu atmosferycznym znajduje się zawsze pewna ilość pary wodnej, świadcząca o jego wilgotności. Stan wilgotności powietrza definiują dwa pojęcia:
1/ Wilgotność bezwzglę dna Wb, równa gęstości pary wodnej w danej temperaturze, wyraża stosunek masy pary wodnej m, zawartej w pewnej objętości V, do tej objętości:
m
W =
(1).
b
V
2/ Wilgotność wzglę dna Ww, która określa stopień nasycenia powietrza parą wodną, może być obliczana dwojako:
- jako stosunek gęstości ρ pary wodnej zawartej w powietrzu do gęstości ρo pary ρ
nasyconej* o tej samej temperaturze: W =
(2),
w
ρ o
- jako stosunek prężności p pary wodnej zawartej w powietrzu do prężności po pary p
nasyconej* o tej samej temperaturze: W =
(3).
w
po
* Para nasycona – to para, będąca w stanie równowagi termodynamicznej z cieczą, z której powstała. Jej prężność zależy od temperatury, a nie zależy od objętości.
W danej temperaturze ma ona maksymalną gęstość i prężność.
Gdy obniżamy temperaturę pary nienasyconej, po pewnym czasie osiąga ona stan nasycenia, a następnie ulega skropleniu. Temperaturę, w której para nasyca się i zaczyna się skraplać, nazywamy punktem rosy.
Do wyznaczania wilgotności powietrza stosuje się na ogół dwie metody:
metodę punktu rosy i metodę psychrometru.
W niniejszym ć wiczeniu posłużymy się psychrometrem Augusta, który składa się z dwóch termometrów umieszczonych na wspólnym statywie. Metoda sprowadza się do porównania wskazań obu termometrów, jednego tzw. „suchego” i drugiego „mokrego”, którego zbiorniczek z rtęcią owinięty jest mokrą gazą. Woda z gazy wyparowuje, pobierając ciepło z najbliższego otoczenia, przez co tzw. mokry termometr pokazuje coraz niższą temperaturę. Obniża się ona tak długo, aż ustali się stan równowagi termodynamicznej między otoczeniem a gazą, czyli gdy ciepło dopływające z otoczenia Q1
zrówna się z ciepłem pobranym przez parującą wodę z gazy Q2.
Ilość dopływają cego ciepła Q1 jest tym większa, im większa jest różnica temperatur pomiędzy termometrem mokrym t1 a otoczeniem t, co można zapisać jako:
Q1 = C(t – t1) (4), gdzie C jest pewną stałą.
Ilość ciepła pobranego przez parują cą wodę Q2 zależy z kolei, od tzw. szybkoś ci parowania, która jest wprost proporcjonalna do różnicy prężności pary nasyconej w temperaturze termometru mokrego p1
i rzeczywistej prężności pary w temperaturze termometru suchego p, a odwrotnie proporcjonalna do
C9. Wyznaczanie wilgotnoś ci powietrza za pomocą psychrometru 2/3
p − p
ciśnienia atmosferycznego p
1
atm.:
Q2
=
A
(5)
( A
-
wielkość
stała).
patm.
Skoro w stanie równowagi Q1 = Q2, przyrównujemy prawe strony równań (4) i (5) i wyznaczamy: p = p1 – B patm. (t - t1) (6),
gdzie B = C/A jest stałą empiryczną. Wstawiając następnie równanie (6) do wzoru (3) otrzymujemy p − B ⋅ p
t − t
1
atm. (
)
wyrażenie: W
1
=
(7),
w
po
które umożliwia wyznaczenie wilgotności względnej powietrza na podstawie tabelarycznych wartości prężności p1 pary nasyconej w temperaturze t1 termometru mokrego i prężności po pary nasyconej w temperaturze t termometru suchego.
Ponadto, znając różnicę temperatur obu termometrów (t-t1), można bezpośrednio odczytać z tzw. tabel psychrometrycznych wilgotność względną powietrza.
Wykonanie ćwiczenia
Przyrządy: psychrometr Augusta, barometr, termometr
1. Na termometrze „suchym” odczytujemy temperaturę otoczenia ( t).
2. Zwilżamy wodą tkaninę otulającą zbiorniczek termometru „mokrego”.
3. Wprawiamy w ruch wiatraczek, aby przyspieszyć parowanie wody z wilgotnego materiału, co powoduje spadek temperatury na termometrze „mokrym”. Odczytujemy najniższą ustaloną wartość temperatury ( t1).
4. Czynności wyszczególnione w punktach 1- 3 powtarzamy kilkakrotnie.
5. Na barometrze odczytujemy wartość ciśnienia atmosferycznego ( patm. ).
Opracowanie wyników
1. Dla każdej serii pomiarów odczytujemy z tablic wartości prężności ( po) pary nasyconej w temperaturze termometru suchego i prężności ( p 1) pary nasyconej w temperaturze termometru mokrego, po czym – podstawiając odczytane wartości do wzoru (7) - obliczamy wilgotność względną powietrza, przyjmując, że B = 66⋅10-5 [°C-1]. Ciśnienie atmosferyczne ( patm.)odczytane w mm Hg przeliczamy na N/m2, korzystając ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne ( p = h⋅ρ⋅ g), przyjmując gęstość rtęci ρ = 13 550 kg/m3.
2. Obliczamy wartość średnią wilgotności względnej powietrza W a następnie - błąd bezwzględny w
W
∆
jako trzykrotną wartość odchylenia standardowego SD:
w
n
∑( Ww − Wwi )2
∆ W
.
w = 3 ⋅ SD = 3
i 1
=
n( n − )
1
3. Z tablic psychrometrycznych odczytujemy wartości wilgotności względnej powietrza ( tabW ), jakie w
odpowiadają różnicom temperatur ( t-t1), czyli tzw. różnicom psychrometrycznym, zmierzonym w trakcie kolejnych eksperymentów powtarzanych za pomocą psychrometru.
C9. Wyznaczanie wilgotnoś ci powietrza za pomocą psychrometru 3/3
Tabela
temperatura
temperatura
różnica
prężność pary
prężność pary
ciśnienie
wilgotność
wilgotność
termometru
termometru
psychro-
nasyconej
nasyconej
atmosfe-
względna
względna
Lp.
suchego
mokrego
metryczna
w temperaturze t
w temperaturze t
ryczne
obliczona
z tablic
1
t [°C]
t
tab
1 [°C]
t- t1 [°C]
p o [N m-2]
p 1 [ N m-2]
patm. [N m-2]
Ww [%]
Ww [%]