WYZNACZANIE WILGOTNOŚCI WZGLĘDNEJ POWIETRZA

1. Podstawowe pojęcia:

Higrometr - przyrząd do pomiaru wilgotności, wykorzystujące zmiany własności pewnych substancji w wyniku zmiany wilgotności badanego ośrodka.

Rodzaje higrometrów i zasady och działania:

• Higrometr włosowy

Zasada działania:

Wykorzystywane jest tu zjawisko wydłużania się włosów ludzkich (lub nici syntetycznych) ewentualnie także kurczeniu się pasemek bawełnianych pod wpływem wzrostu wilgotności. Ta zmiana wywołuje przesunięcie wskazówki. Z podziałki odczytujemy wilgotność względną. Uwagi: Podstawową zaletą tego czujnika jest prostota obsługi. Dokładność pomiaru wynosi od 3% do 5%.

• Higrometr Daniela

Opis budowy:

Urządzenie to składa się z rurki szklanej (1) na końcach której znajdują się dwie kule (2,3). Jeden termometr (6) umieszczony jest wewnątrz jednej z kul, która pokryta jest paskiem polerowanego złota. Natomiast drugi (5) umocowany jest na stojaku. Kula (2) obwinięta jest tkanina higroskopijną (pochłaniającą wodę). W kuli (3) znajduje się płynny eter, jego opary wypełniają rurkę (1).

Zasada działania:

Po zwilżeniu eterem tkaniny higroskopijnej, nastąpi ochładzanie się par eteru wewnątrz kuli (2). Wzrośnie parowanie eteru wewnątrz kuli (3). Obniży się temperatura płynnego eteru. Na pasku złota pojawią się kropelki rosy. W tym momencie odczytujemy wskazania obu termometrów. Wilgotność powietrza obliczamy ze wzoru:

gdzie P₂ ciśnienie nasycenia pary w temperaturze t₂, a P₁ ciśnienie nasycenia pary w temperaturze t₁.Obie wartości odczytujemy z tablic. Uwagi: Pomiary przy pomocy higrometru Daniella są bardzo dokładne, ale są dosyć uciążliwe. Stosuje się je raczej w laboratoriach.

• Higrometry absorpcyjne

Budowa:

Składa się z zestawu naczyń przez które przepuszczane jest powietrze. W zestawie pierwszym (składającym się z dwóch naczyń) znajduje się substancja pochłaniająca parę wodną. Ilość pochłoniętej pary określa się przez dokładne zważenie naczyń. Znając ilość badanego powietrza można określić wilgotność bezwzględną. W kolejnym drugim zestawie (cztery naczynia) powietrze jest ponownie nawilżane do określonej wartości. W ostatnim trzecim zestawie (dwa naczynia) ponownie pochłaniana jest para wodna. Stosunek pary pochłoniętej w pierwszym zestawie do pary pochłoniętej w trzecim zestawie jest wilgotnością względną badanego powietrza. Uwagi: Z powodu bardzo uciążliwej obsługi stosuje się je do sprawdzania pomiarów laboratoryjnych.

Punkt rosy - jest to temperatura, w której przy danym składzie gazu lub mieszaniny gazów i ustalonym ciśnieniu może rozpocząć się proces skraplania gazu lub wybranego składnika mieszaniny gazu. Rozpatrywany składnik gazu (np. para wodna) ma w obecnej temperaturze ciśnienie parcjalne równe ciśnieniu pary nasyconej tego składnika w temperaturze punktu rosy. W przypadku pary wodnej w powietrzu jest to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu staje się nasycona (przy zastanym składzie i ciśnieniu powietrza), a poniżej tej temperatury staje się przesycona i skrapla się lub resublimuje.

Zjawisko znalazło zastosowanie do budowy psychrometrów, laboratoryjnych przyrządów do pomiaru wilgotności powietrza. Wypolerowaną płytkę ochładza się, aż do zauważenia na niej kropelek rosy, temperatura płytki określa temperaturę punktu rosy. Na podstawie tabeli określającej ciśnienie pary wodnej nasyconej określa się zawartość pary w powietrzu.

Parowanie - przejście substancji z fazy ciekłej do fazy gazowej. Polega na odrywaniu się

drobin o największej energii od powierzchni cieczy. Zjawisko to zachodzi we wszystkich

temperaturach powyżej temperatury topnienia.

Tempo procesu parowania zależy od: temperatury, wielkości powierzchni parującej, rodzaju cieczy (wielkości drobin i sił spójności), ciśnienia (ruch atmosfery).

Ciepło parowania substancji p C - ilość ciepła Q potrzebnego do odparowania

1kg substancji w danej temperaturze.

Ciepło parowania jest dla każdej temperatury inne, ale wraz ze wzrostem temperatury maleje

osiągając minimalna wartość dla temperatury wrzenia.

Podanie dla danej substancji takich wielkości jak: temperatura wrzenia i ciepło parowania

liczone w temperaturze wrzenia, charakteryzują sposób parowania tej substancji. Obie

wielkości są stabelaryzowane (im wyższa temperatura tym ciepło parowania jest mniejsze).

Para nasycona - para, która jest w równowadze dynamicznej z cieczą z której powstała. Obecność obcych gazów zupełnie nie wpływa na własności pary wodnej. Obecność tych gazów ma jednak znaczny wpływ na szybkość parowania, poza tym na szybkość tę wpływa także od tego, jakie ciśnienie pary danej cieczy panuje nad jej powierzchnią. Ponadto, jeżeli rośnie temperatura to rośnie gęstość i ciśnienie pary nasyconej. Ciśnienie pary nasyconej zależy od temperatury (nie od objętości!).

Para nienasycona (para przegrzana) - para sucha mająca temperaturę wyższą niż temperatura wrzenia cieczy przy danym ciśnieniu. Otrzymywana przez przegrzanie pary nasyconej w przegrzewaczu. Zastąpienie pary mokrej parą przegrzaną podniosło sprawność maszyn parowych i turbin.

Prężność pary wodnej - ciśnienie cząstkowe wywierane przez parę wodną zawartą w powietrzu, określane w jednostkach ciśnienia - milimetrach słupa rtęci (mm Hg) lub hektopaskalach (hPa).

Rodzaje prężności pary wodnej:

• aktualna (
  ) - prężność obserwowana w danym miejscu oraz w danej chwili,

• maksymalna (nasycająca,
  ) - najwyższa wartość ciśnienia, jaka może wystąpić w danej temperaturze, odpowiada ciśnieniu pary nasyconej w tej temperaturze. Osiągnięcie ciśnienia nasycającego jest warunkiem rozpoczęcia się proces kondensacji.

Wilgotność względna - stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do ciśnienia nasycenia, określającego maksymalne ciśnienie cząstkowe pary wodnej w danej temperaturze. Ciśnienie cząstkowe jest (zgodnie z prawem Daltona) ciśnieniem, jakie miałby gaz, gdyby zajmował całą dostępną objętość. Wilgotność względna jest niemianowana i zawiera się w przedziale od 0 do 1, często wyrażana w procentach (100%=1). Wilgotność względna równa 0 oznacza powietrze suche, zaś równa 1 oznacza powietrze całkowicie nasycone parą wodną. Przy wilgotności względnej równej 1 oziębienie powietrza daje początek skraplaniu pary wodnej. Wilgotność względna jest zatem wyrażona wzorem:

gdzie:

w - wilgotność względna,

W₁ - wilgotność bezwzględna w danej temperaturze τ,

W - wilgotność, która nasyciłaby powietrze w tej samej temperaturze.

p_τ - prężność pary wodnej w temperaturze τ,

p_{τ nas} - prężność pary nasyconej w temperaturze τ.

Wilgotność bezwzględna - zawartość pary wodnej w powietrzu, w jednostce objętości równej 1m³, wyrażona w gramach [g/m³]. Wilgotność bezwzględna pary wodnej nazywana jest także gęstością bezwzględną pary wodnej.

2. Psychometr Assmanna.

Na początku XIX wieku skonstruowano przyrząd do pomiaru wilgotności powietrza na podstawie dwóch termometrów (psychrometr Augusta). Dwa identyczne termometry są zawieszone obok siebie - jeden jest „suchy”, natomiast zbiorniczek rtęciowy drugiego z nich owinięty jest stale zwilżoną szmatką bawełnianą. Ruch powietrza powoduje odparowywanie wody ze szmatki i oziębianie bańki termometru „mokrego”. Różnica wskazań obu termometrów jest miarą wilgotności - wilgotność względną powietrza odczytuje się z wykresu lub z tablic psychrometrycznych. Aby ruch powietrza oziębiającego bańkę był stały - zamontowano dodatkowo wentylator promieniowy (psychrometr Assmanna). Stała prędkość przepływu powietrza zapewnia dużą dokładność.

Budowa psychrometru Assmanna:

1. Termometr „suchy”

2. Termometr „wilgotny”

3. Tkanina zwilżająca

4. Przepływ powietrza

5. Wentylator promieniowy

6. Napęd wentylatora - mechaniczny (sprężyna) lub elektryczny (silniczek)

3. Wyprowadzenie wzoru:

Zwilżona wodą gaza otaczająca bańkę termometru paruje pobierając ciepło z otoczenia. Odczytywana na termometrze temperatura obniża się od temperatury początkowej τ do temperatury τ_w. Podczas parowania odbywa się ciągła wymiana ciepła między wilgotnym termometrem i otoczeniem. Dopływ ciepła do wilgotnego termometru jest w przybliżeniu proporcjonalny do różnicy temperatur (τ- τ_w), wynosi on

a(τ- τ_w)

gdzie a jest pewną stałą (zależną między innymi od pola powierzchni parowania). Odpływ zaś ciepła z wilgotnego termometru jest proporcjonalny do szybkości parowania. Jeżeli w pewnej osiągniętej przez termometr temperaturze τ_w odpływ ciepła równy jest dopływowi, osiągnięty zostaje stan równowagi (w którym ciepło tracone przez termometr w pewnym czasie równa się ciepłu pobranemu w tym samym czasie z otoczenia).

Aby opisać ten stan równowagi, powinniśmy znać wartość ciepła traconego przez termometr. Wartość ta, jest proporcjonalna do szybkości parowania. Szybkość parowania zaś z kolei jest proporcjonalna do różnicy (p_{w nas} - p_τ) prężności (p_{w nas}) pary nasyconej w temperaturze τ_w i rzeczywistej prężności (p_τ) pary w temperaturze τ suchego termometru oraz odwrotnie

proporcjonalna do ciśnienia atmosferycznego b. szybkość parowania jest więc równa

gdzie B jest pewną stałą (zależną miedzy innymi od ciepła parowania danej cieczy i również od pola powierzchni parowania).

Stan równowagi scharakteryzowany jest więc równością:

, czyli:

Literatura:

• A. Zawadzki, H. Hofnokl, „Laboratorium fizyczne”, PWN, 1968

• Sz. Szczeniowski, „Fizyka doświadczalna”, PWN, 1964

• www.wikipedia.pl

• http://elektro.w.interia.pl/dokument/czujniki/index.html

• http://wlodzimierzo.w.interia.pl/higromet.html

---