Реферати

Реферат: Відносна вогкість повітря

Що привело папашу Горио до загибелі (По романі О. Бальзака "Батько Горио"). У 1834 році Бальзак зробив перший начерк плану майбутньої серії романів, що він назве потім \"Людською комедією\". Починає цю серію роман \"Батько Горио\", написаний у грудні того ж, 1834 року.

Діловий етикет у Японії. Правила ділового етикету покликані зблизити сфери інтересів бізнесменів, тому що прибуток був, є і буде вище розходжень віросповідання, соціального чи стану ж національного характеру.

Про природу фундаментальних констант. В останні роки питання про існування меж застосовності сучасних фізичних теорій стає дуже актуальним, особливо в зв'язку з формуванням нових представлень про ранньої, щільної і гарячий, стадії еволюції Всесвіт.

"Богоматір Донська" . Інтерпретація теми "Богоматері Елеуси". "Богоматір Донська" . Інтерпретація теми "Богоматері Елеуси". До добрих геніїв Росії, її великим возродителям і збудникам повинний бути віднесений і знаменитий художник Феофан Грек, що прибув у Росію в третій чверті ХІ століття і, що склав в історії російського живопису целую епоху

Винахід мови: концепції виникнення мови від Демокрита до А. Смита. ВИНАХІД МОВИ: КОНЦЕПЦІЇ ВИНИКНЕННЯ МОВИ ВІД ДЕМОКРИТА ДО А. СМИТА Зміст Поняття мови. Первісні форми його вираження Демокрит і епікурейці

Л. А. Логинов, центр освіти № 109, м. Москва

Це одна з найбільш складних тим. Часто її не люблять ні вчителя ні учні. Перші - внаслідок складності пояснення, другі - внаслідок складності сприйняття. Але якщо її зрозуміють і полюблять обидві сторони, то виграш в учбовому процесі буде очевидним, оскільки стане зрозумілою суть численних явищ, що зустрічаються буквально кожний день: запітнівати холодного скла, сушка білизни на відкритому повітрі, сирість в підвалах будинків і т. д. і т. п. Розкажу про те, як даний розділ вивчаємо ми.

Починаємо з понять ненасиченої і насиченої пар, динамічної рівноваги рідини і пари. Оскільки властивості насиченої пари демонструвати в класі за допомогою лабораторного обладнання складно, довго і надто хлопотно, дивимося відповідний кинофрагмент. Фільм старий, але ключові моменти в ньому викладені дуже дохідливо. Більш того якщо зазделегідь дати учнем опорні питання, то після перегляду вони самі легко на них відповідають.

Від чого залежить тиск насиченої пари і від чого не залежить? (Залежить від температури і не залежить від об'єму.)

Як залежить тиск насиченої пари від температури? (Крива показана нижче, на мал. 1.)

Як співвідноситься тиск насиченої і ненасиченої пар? [Тиск насиченої пари при даній температурі завжди більше. - Ред.]

Що станеться при стисненні насиченої пари? (Частина його сконденсируется в рідину, в частині, що залишилася збережеться колишній тиск - тиск насиченої пари.)

Що станеться при додаванні рідини через кран в герметично закриту судину? [Рівень рідини підвищиться за рахунок доданої частини і конденсації частини насиченої пари, об'єм пари поменшає, а його тиск, що не залежить від об'єму, залишиться постійним. - Ред.]

Відповіді як опорний конспект заносимо в робочі зошити. Не забуваємо про згаданий вище графік, він нам ще пригодиться. Вводимо поняття абсолютної вогкості повітря, ототожнюємо його з поняттям парциальной густини пар рідини, т. е. маси рідини, що міститься в одиниці об'єму повітря. Говоримо, що набагато більше практичне значення для людини має відносна вогкість повітря. Вводимо і це поняття. Причому як чисто фізично (відношення парциального тиску ненасичених пар до тиску насичених пар рідини при тій же температурі), так і чисте філософськи: величина, що показує, наскільки ненасичена пара близька до насичення:

(1)

Далі пояснюється, як і чому від формули для відносної вогкості через відношення тиску можна перейти до формули для відносної вогкості через відношення густини:  =  ненас / нас

Зазначаємо, що на практиці зручно користуватися не відносними одиницями при вимірюванні відносної вогкості, а відсотками. Як перейти до відсотків, учні повинні здогадатися самі. Ці формули засвоюються легко, як і принцип роботи з ними в простих задачах (типу № 623, 624 із збірника А. П. Римкевича, 1988 р.), оскільки там потрібно фактично тільки уміння працювати з довідковою таблицею залежності крижаних пар від температури.

Введення ж поняття точки роси і перехід до формули для відносної вогкості з використанням точки роси може вже викликати проблеми. Щоб їх було поменше, починаємо з розгляду графіка залежності тиску насиченої пари від температури (мал. 1): визначаємо, де область ненасиченої пари, а де - область рідини. Тоді відразу зрозуміло, що крива - це межа між парою і рідиною. Різні стану ненасиченої пари відповідають точкам нижче за криву, наприклад точці е. кривий BC. Простіше усього - шляхами АВ або АС. Але що це означає? АВ - ізотермічне стиснення пари, АС - його изобарическое охолоджування, причому по мірі протікання обох процесів насичення збільшується. Ознака того, що пара наситилася, - поява перших капіж сконденсировавшейся рідини, роси. У природі насичення пари досягається частіше за все саме другим способом, т. е. изобарическим або майже изобарическим охолоджуванням. Отже, температура, при якій колишня ненасичена пара стає насиченою, називається точкою роси.

Життєвих прикладів насичення при охолоджуванні дуже багато. Це і випадання роси під ранок, і запітнівати холодного скла, якщо на нього подохнути, це і освіта капіж води на водопровідній трубі з холодною водою у ванній кімнаті, і сирість в підвалах будинків, яка викликана звичайно зовсім не протіканням труб, а саме охолоджуванням повітря.

Розглянемо формулу (1): рненас - тиск даної ненасиченої пари, наприклад в стані А, а рнас - значення тиску насиченої пари при тій же температурі. Але якщо ми подивимося на графік, то побачимо, що тиск ненасиченої пари в стані А чисельно дорівнює тиску насиченої пари рнас. р при більш низькій температурі (точка З) - в точці роси. Величина тиску насиченої пари при даній температурі рнас. данн відповідає насиченню в точці В. Ето дозволяє перейти до формули:

Для класів різного профілю, зрозуміло, підбираємо задачі різних рівнів складності. У гуманітарному і не дуже сильному загальноосвітньому класі обмежуємося простими задачами на застосування основних (трьох розглянутих) формул і основних формул з використанням рівняння Клапейрона-Менделеева або газових законів, не складніше, ніж, наприклад, така: «У кімнаті об'ємом 15 м3 з абсолютно сухим повітрям випарувалося з склянки 200 г води. Якою стала відносна вогкість повітря?» У медико-біологічних класах задачі беремо поскладніше, типу такої: «У закритій кімнаті з площею підлоги 6 м2 і висотою стелі 3 м відносна вогкість повітря становила 20 %. Яку масу води треба додатково випарувати в цій кімнаті, щоб вогкість досягла 70 %? Яка максимальна маса води, яка може додатково випаруватися в кімнаті?»

Вивчаючи вогкість повітря, ми маємо на увазі вміст в повітрі тільки водяних пар. Адже в повітрі можуть бути і інші пари. Більш того вони також можуть бути і ненасиченими, і насиченими, і при певних умовах можуть конденсуватися. Наприклад, має право на існування поняття відносна спиртова вогкість.

Пам'ятаю, якось раз, 3 травня, т. е. в третій день травневих свят, їхав я в гості до свого інститутського приятеля на тролейбусі. Пасажирів було трохи (але всі сидячі місця були зайняті), бажаючих входити і виходити не було, і тролейбус довгий час їхав мимо зупинок, лише трохи притормаживая. На вулиці було прохолодно, всі кватирки і люки в салоні були закриті. Народ мірно, але з великою амплітудою, погойдувався на сидіннях. Здавалося, що всі дивляться кудись «в нескінченність». Поступово шибки запітнівати. І коли тролейбус різко повернув, мене сильно коливнуло до вікна і... Про боже! Від запітнілого скла обійшов стійкий, але... приємний аромат спирту...

Природно, я не преминул розказати про побаченого, вірніше, про «унюханном», своїм знайомим і учням. А потім цей сюжет знайшов відображення і в задачі для десятиклассников, яка увійшла в наш задачник, складений для медико-біологічних класів:

«У святковий вечір в повітрі, що видихається людьми, містяться пари спирту. У такий вечір в тролейбусі, на великому перегоні між зупинками, маса пар спирту в повітрі досягла 800 р. Температура повітря в салоні тролейбуса 20 °З, а шибок - всього 5 °С. Об'ем повітря в салоні 22 м3. Чи Буде конденсуватися спирт на склі? Яка відносна спиртова вогкість повітря в салоні тролейбуса? Тиск насичених пар спирту при 20 °З становить 5,90 кПа, при 5 °З - 2,30 кПа».

Задача не тільки весела, але і комплексна, т. до. має на увазі знання і основної формули для визначення відносної вогкості, і рівняння Клапейрона-Менделеева, і поняття точки роси, т. е. насичення пари внаслідок охолоджування, тому розглянемо її рішення.

Відразу уясняти, що тиск повітря в салоні тролейбуса у всіх точках однаковий. Причому не тільки всього повітря, але і його становлячих (парциальное тиск кисня, азоту, пар спирту і т. д.). І це незважаючи на те, що повітря в салоні може мати різну температуру: поблизу шибок він холодний (будемо вважати, що 5 °З), а вдалині від них - теплий (20 °З).

Розрахуємо парциальное тиск пар спирту в салоні, використовуючи рівняння Клапейрона-Менделеева. Для цього, правда, доведеться прийняти, що всі пари і гази ідеальні, отже,

де Т - абсолютна температура. Якщо температура 293 До, т. е. 20 °З, то під m потрібно розуміти масу тієї частини пар спирту, яка має саме вказану температуру. Але оскільки маса холодних пар, т. е. що знаходяться в безпосередній близькості від скла, дуже мала, то під m будемо розуміти масу (0,8 кг) всіх пар спирту. З цієї ж причини об'єм повітря будемо вважати рівним 22 м3, т. е. це весь вільний об'єм салону тролейбуса. Знаючи, що молярна маса етилового спирту (С2Н5ОН) рівна 0,046 кг/моль, а універсальна газова постійна R = 8,31 Дж/(КЧ моль), зробимо розрахунок:

Розрахуємо відносну спиртову вогкість теплого повітря в тролейбусі. Як тиск насичених пар візьмемо значення при 20 °З, яке становить 5,90  103 Па. Отже:

Розрахуємо відносну спиртову вогкість холодного повітря біля шибок. Як тиск насичених пар візьмемо значення тиску при 5 °З, яке становить 2,30  103 Па.

Отже: т. е. 83 %. Оскільки це значення менше 100 %, то видно, що навіть холодні пари спирту, біля скла, ще не є насиченими, і спирт конденсуватися не буде. Але треба помітити, що якби парциальное тиск р пар спирту був би побільше, то конденсація могла б і початися. А для збільшення цього тиску необхідне збільшення маси пар спирту в повітрі.

До речі, ця задача непогано сприймається і гуманитариями, оскільки по своїй складності не вийде за рамки дозволеного. Про позитивні емоції учнів, думаю, говорити не стоїть. Ну а для «продовження задоволення» можна учням дати для домашнього рішення задачу, аналогічну приведеної, але з іншим питанням: «При якій масі пар спирту в тролейбусі спирт все-таки буде конденсуватися на склі?» Як бачимо, ця задача - зворотна попередньої: по заданій вогкості (100 %) і отже, парциальному тиску пар спирту розрахувати їх масу.

З учнями фізико-математичних класів і в загальноосвітньому сильному класі можна розглянути задачі на аналіз можливості простого пониження тиску ненасичених пар при пониженні температури типу: «У герметично закритій судині, вмісній тільки повітря і водяні пари при температурі 25 °З, вогкість повітря становить 80 %. Яким буде парциальное тиск водяних пар після охолоджування судини і його вмісту до 5 °З? Тиск насичених водяних пар при 25 °З становить 3,10 кПа, а при 5 °З - 0,88 кПа».

Розглянемо рішення і цієї задачі. Отже, для першого стану водяних пар Т1 = 298 До, 1 - відносна вогкість повітря при цій температурі, pнас1 = 3,10  103 Па, p1 - парциальное тиск ненасиченої водяної пари, який треба буде виразити через pнас1. Відповідно для другого стану: Т2 = 278 ДО, pнас2 = 0,88  103 Па, p2 - парциальное тиск водяної пари.

Оскільки

те

і, згідно із законом Шарля:

Звідси:

Підставимо числа і отримаємо:

Теоретично розраховане p2 виявилося більше pнас2, чого насправді бути не може. Отже, частина пар при охолоджуванні сконденсируется, а частина, що залишилася буде мати тиск pнас2, максимально допустимий при даній температурі. Отже, тиск водяних пар при 5 °З становить 0,88 кПа, т. е. ці пари насичені.

Можна ще розглянути механізм явища, описаного в задачі, за допомогою графіків, що відображають закон Шарля, - изохор, вихідних з початку координат (мал. 2). Изохорное охолоджування - це рух по изохоре з стану 1 в стан 2.

Але якщо зіставити це з графіком залежності тиску насиченої пари від температури (мал. 3), то виявиться, що стан 2 знаходиться за межами «дозволеного», в області рідини. Тому охолоджування ненасиченої пари буде йти з стану 1 тільки до перетину з

кривою тиску насиченої

пари (точка В на графіку), а далі - по самої кривій, внаслідок чого пара виявиться в стані 2' при тиску рнас2.

Важливе також питання про визначення відносної вогкості на практиці за допомогою приладів - гігрометрів. Частіше за все зустрічається, звичайно ж, гігрометр психрометрический - психрометр. Назва ця грецького походження, адже  [психрос] означає холодний. До речі, гуманитариев добре б і самих спитати про походження слова. У основі роботи психрометра лежить явище аспирації. Нехай учні самі здогадаються, що означає слово аспирация, за однокоренним словами. Назва ліків «аспірин» всім відмінно відомо, а його основне призначення - зняття жару, т. е. відведення тепла при випаровуванні. Адже недаремно людина з підвищеною температурою тіла, аспірин, що прийняв, спочатку рясно потіє, після чого йому стає легше. (Як бачте, цим лінгвістичним моментом ми полестимо і майбутнім гуманитариям, і майбутнім медикам. З відведенням тепла при випаровуванні можна привести і ще один приклад: перед ін'єкцією ліків відповідне місце протирають спиртом, після чого місце відчуває холод - спирт, що випаровується віднімає тепло. Проте, можна обійтися і без укола: просто налити небагато спирту або ефіру на долоню і почекати.)

Швидкість аспирації залежить від відносної вогкості повітря. Але як? Нехай учні це також вирішать самостійно, тільки їм треба для цього привести простий життєвий приклад: білизна, що сохне на вірьовці в суху і в дощову погоду. Діти вже по досвіду знають, що швидкість висихання білизни визначається не стільки температурою повітря, скільки його вогкістю. У холодний осінній час білизна може висохти і швидше, ніж влітку, якщо повітря сухе (вогкість 30-40 %), а влітку - дуже вологий (80-90 %). Отже, чим менше вогкість повітря, тим легше волозі випаровуватися.

У психрометре є два термометри. Один - звичайний, його називають сухим. Він вимірює температуру навколишнього повітря. На спиртову колбу іншого термометра одним своїм кінцем надітий тряпочний трубчастий гніт. Щоб гніт постійно був вологим, його другий кінець опущений в колбочку з водою. Таким чином, інший термометр показує температуру не повітря, а вологого гньоту, звідси і назва зволожений термометр. Чим менше вогкість повітря, тим інтенсивніше випаровується волога з гньоту, тим більша кількість теплоти в одиницю часу відводиться від спиртової колби зволоженого термометра, тим менше його свідчення, отже, тим більше різниця свідчень сухого і зволоженого термометрів.

Знаючи свідчення сухого і визначивши різницю з свідченнями зволоженого термометра, по спеціальній таблиці (до речі, що є на лицьовій стороні психрометра), на перетині відповідних рядка і стовпця, знаходять значення відносної вогкості. Для наглядності спочатку вчитель весь процес визначення вогкості показує сам, а потім дає три психрометра на кожний ряд для самостійної роботи. Як показує досвід, принцип роботи з психрометром хлоп'ята запам'ятовують добре, принаймні до випускних екзаменів в 11-м класі.

У медико-біологічних класах треба зупинитися ще на впливі вогкості повітря на самопочуття людини і на стан його окремих органів. Людина відчуває себе комфортно при вогкості від 40 до 60 %, причому максимальне допустиме значення, при якому людина відчуває себе ще нормально, меншає із зростанням температури (див. таблицю).

Видно, що високу температуру легше перенести при сухому повітрі. Тому 40 °З в сухій пустелі можуть не так сильно виснажувати, як 30 °З в місті після зливи, коли вогкість доходить до 70 %. Це і зрозуміле. Щоб не перегрітися, організму в жару треба б інтенсивно потіти, але при високій вогкості піт не буде устигати висихати, а буде, як говорять, лити струмком, що не дасть рятівного охолоджування тіла.

Низька вогкість повітря в жарких країнах використовується і в медичних цілях. Зокрема, для лікування бруньок, коли потрібно ослабити навантаження на них. При високій температурі повітря і низькій вогкості чоловік, сильно потіючи, виводить вологу з організму переважно не через бруньки, а через шкіру. Так що після такої процедури залишається тільки прийняти душ.