Лабораторна робота №4 вологість повітря

Мета роботи: проаналізувати основні характеристики вологості повітря, навчитися розв’язувати задачі.

Матеріали та обладнання: олівці, лінійка, психрометричні таб­лиці.

Рекомендована література: [1], [8], [10], [13], [15], [16], [44], [17].

Загальні відомості з теми

Вода потрапляє в повітря шляхом випаровування з поверхні водних басейнів і грунту, транспірації рослин. Випаровування за­лежить від температури повітря, наявності води, швидкості вітру тощо. Випаровуваність — потенційно можливе випаровування в даній місцевості, не обмежене запасами води. Над водою випаро­вування і випаровуваність майже однакові, а над сушею випарову­вання може бути значно меншим. Ці величини виражають у мілі­метрах шару води, що випаровувалась.

Повітря, в якому міститься максимально можлива кількість во­дяної пари при даній температурі, називають насиченим.

Характеристиками (елементами) вологості повітря є:

Абсолютна вологість (q кг/м³) — густина (вміст) водяної пари в 1 м³ повітря; абсолютна вологість насичення (максимальна) — максимальний вміст вологи в повітрі при даній температурі (0 кг/м³).

Пружність водяної пари — тиск водяної пари в повітрі, вираже­ний у міліметрах ртутного стовпа, або в гектопаскалях (е мм рт. ст., або гПа).

Між абсолютною вологістю і пружністю водяної пари існує залежність

q = 220·е/Т (12)

де Т — абсолютна температура повітря, °К. При температурі 16,4 °С q і е кількісно збігаються.

Пружність насичення (максимальна) — максимально можлива пружність водяної пари при даній температурі повітря (Е мм рт. ст., або гПа).

Пружність водяної пари вимірюють психрометром за різни­цею показів сухого і змоченого термометрів з урахуванням атмосферного тиску і швидкості вітру (психрометричний метод):

е = Е' - ВР(t - t'), (13)

де t — покази сухого термометра (повітря); t' — покази змоченого термометра; Е' — пружність насичення при Р — атмосферний тиск; В — коефіцієнт, що залежить від швидкості вітру (для стан­ційного психрометра при Ū=0,8 м/с В=0,000795, а для аспіраційного психрометра при Ū=2 м/с В=0,000662).

Відносна вологість (r %) — процентне відношення фактичної пружності водяної пари в повітрі до пружності насичення, або абсо­лютної вологості до вологості насичення при даній температурі:

r =е/Е·100%, або r = q/Q·100% (14)

Недостача (дефіцит) вологості (d гПа) — різниця між пружні­стю насичення і фактичною пружністю при даній температурі:

d = Е— е (15)

Питома вологість — кількість водяної пари в 1 кг вологого по­вітря (S кг/кг).

В усіх формулах величини е і Р слід позначати в однакових оди­ницях (міліметрах ртутного стовпа, або гектопаскалях).

Точка роси — температура, при якій повітря досягає стану на­сичення при даній пружності водяної пари і атмосферному тиску (τ °С).

Рівень конденсації — висота в атмосфері, на яку повітря має адіабатично піднятися, щоб водяна пара в ньому досягла стану на­сичення (Н_к). Наближено рівень конденсації визначають за фор­мулою

Н_к =122·(t-τ), (16)

де t — температура повітря, °С; τ — точка роси, °С на висоті 2 м. Ця висота (Н_к) відповідає нижній межі хмар.

Рівень сублімації (зледеніння) — висота в атмосфері, на якій з’являються льодяні кристали поряд з переохолодженими крапли­нами води. Звичайно це буває при температурі — 10° і нижчій.

За формулами (13—15) побудовано «Психрометричні таблиці», за якими визначають елементи вологості повітря: пружність водя­ної пари, відносну вологість, недостачу насичення, пружність наси­чення і точку роси. Таблиці розраховані на атмосферний тиск 1000 гПа для станційного психрометра. Для всіх інших значень тис­ку, а також для аспіраційного психрометра в покази змоченого тер­мометра потрібно вносити поправки. Відносну вологість вимірюють також волосяним гігрометром (гігрометричний метод) [9].

Приклад 1. Температура за сухим термометром дорівнює 24,3°С, за змо­ченим 17,2°С, атмосферний тиск 1023 гПа. Визначити пружність водяної пари, відносну вологість, недостачу насичення, максимальну пружність і точку роси для станційного психрометра, використавши для цього «Психрометричні табли­ці» [16].

Розв'язання. Спочатку в табл. 1 (с. 114 [16]) знаходимо температуру за сухим термометром ( t=24,3°). Для неї в рядку «Температура змоченого термо­метра» t'=17,2°, шукаємо n=14 — поправочне число на атмосферний тиск.

Потім у табл. 1 а (с. 243) знаходимо поправку Δ t' до змоченого термомет­ра. При Р=1020 гПа (заокругленого до цілих десятків) і п=14 Δt'=0,1° (для станційного психрометра). Цю поправку з відповідним знаком + (угорі таблиці) додаємо до показів змоченого термометра: t'=17,2+0,1 = 17,3°. У табл. 1 (с. 114) для t =24,3° t'=17,3° знаходимо елементи вологості е=14,2 гПа, r = 47% і d = 16,2 гПа.

Пружність насичення E=30,4 гПа знаходимо в додатку ([16], с. 248) за температурою повітря t=24,3°. Точку роси τ шукаємо в додатку 2а за даними е =14,2 гПа. Вона дорівнює 12°. Можна знайти τ і в додатку 1: е=14,2 гПа шукаємо в полі таблиці, а величину τ=12,2° — у графі «Температура повіт­ря» (t).

Аналогічно визначаємо елементи вологості для аспіраційного психрометра.

Приклад 2. Повітря з температурою 15° і відносною вологістю 70% під­німається по гірському схилу і перевалює через хребет висотою 2000 м. Визна­чити рівень конденсації (Н_к) водяної пари та температуру повітря на вершині хребта і за хребтом.

Розв’язання. У «Психрометричних таблицях» [16] знаходимо пружність на­сичення Е=17,1 гПа. За формулою (14) обчислюємо пружність водяної пари [(17,1-70) : 100=11,97 гПа]. Величину е можна знайти також у табл. 1 [16] за відомими значеннями t і r. У додатку 1 [16] за е= 11,97 гПа знаходимо точку роси τ = 9,6°.

До рівня конденсації, де τ = t = 9,6°, повітря піднімається за сухоадіабатичним законом (γ_а=1°/100 м). При цьому різниця між температурою поверхні Зем­лі і рівнем конденсації Δ t =15—9,6=5,4°. Складаємо рівняння

1°- 100 м	х= 5,4° ·100 = 540 м 1
5,4° — х

Ця висота і буде рівнем конденсації.

Щоб визначити температуру на вершині хребта, знаходимо різницю висот (ΔН): 2000 м — 540 м=1460 м. На цю висоту повітря підніматиметься вже за вологоадіабатичним градієнтом (Δ t=0,5°/100 м). За рівнянням

0,5°-100 м	визначаємо х= 0,5° ·1460 = 7,3° 100
х — 1460 м

Отже, при підійманні від рівня конденсації до вершини хребта температура знизиться на 7,3°. Тому на вершині

t°_В= 9,6° — 7,3° = 2,3°.

За хребтом повітря опускається за сухоадіабатичним градієнтом:

1°-100 м	х= 1·2000 = 20° 100
х — 2000 м

Біля підніжжя гори

t°₀ = 2,3 + 20 = 22,3° (псевдоадіабатичний процес).

Завдання

1. Проаналізуйте карти випаровування і випаровуваності [13]: а) виявіть закономірності в розподілі цих показників залежно від географічної широти; б) порівняйте випаровування і випаровува­ність у полярних і екваторіальних широтах; в) порівняйте випаро­вування і випаровуваність у пустинях і океанах тропічних широт.

2. Побудуйте графік залежності пружності насичення від тем­ператури повітря (додаток 1 [16]). На горизонтальній осі відкла­діть температуру (1см=5°С), а на вертикальній — пружність на­сичення (1см=2гПа). На одному графіку проведіть різними ко­льорами дві криві пружності насичення: над водою і над льодом.

3. Користуючись графіком (завдання 2), визначте максимальну пружність водяної пари: а) над водою при температурі повітря —13°, 18°, 21°, 12°, —2°; б) над водою і льодом при температурі по­вітря —4°, —17°, —23°, 28°, 0°. Порівняйте максимальну пружність над водою і льодом при однакових температурах повітря; в) ви­значте точку роси за пружністю насичення 6; 16; 23; 40; 31 гПа.

4. Користуючись таблицями [16], визначте пружність водяної пари, відносну вологість, дефіцит вологості, максимальну пруж­ність і точку роси для станційного і аспіраційного психрометрів за такими даними: а) t=1,7°, t'=1,2°, Р=1000 гПа (над водою); б) t = 18,7°, t' = 17,0°, Р = 1013гПа; в) t = —3,3°, t' = —5,7°, Р = 1002 гПа (над льодом); г) t = 36,8°, t'= 25,6, Р = 1004 гПа.

5. Визначте висоту рівнів конденсації і сублімації, якщо біля поверхні Землі: а) t=18°, е=10 гПа; б) t=14°, е=4,8 гПа; в) t= —12,1°, е=1,3 гПа; г) t=20°, r=60%; д) t=4°, r= 90%; е) t= 15,3°, r= 72%.

6. Біля підніжжя хребта температура повітря дорівнює 8,9°, пружність водяної пари 6,7 гПа. Визначте висоту рівнів конденса­ції і сублімації повітря, температуру й відносну вологість на вер­шині хребта висотою: а) 300 м; б) 680 м і за хребтом.

7. Повітря з температурою 22°С і відносною вологістю 60% піднімається по гірському схилу. На вершині хребта температура зни­зилася до 8,5°. Яка висота хребта? На якій висоті лежить рівень конденсації? Яка температура і відносна вологість за хребтом?

Контрольні запитання. 1. Яка різниця між випаровуванням і випаровуваністю? 2. Коли більше випаровування над полярними районами — влітку чи взимку? 3. Чому в пустинях випаровуваність більша, ніж випаровування, а над океанами вони майже однакові? 4. Який добовий і річний хід абсолютної і відносної З вологості повітря на різних широтах?