Влажность воздуха

Цели:

• обеспечить усвоение понятия влажность воздуха;
• развивать самостоятельность учащихся; мышление; умение делать выводы; развитие практических навыков при работе с физическим оборудованием;
• показать практическое применение и важность данной физической величины.

Тип урока: урок изучения нового материала.

• для фронтальной работы: стакан с водой, термометр, кусок марли; нитки, психрометрическая таблица.
• для демонстраций: психрометр, волосяной и конденсационный гигрометры, груша, спирт.

I. Повторение и проверка домашнего задания

1. Сформулируйте определение процессов парообразования и конденсации.

2. Какие виды парообразования вы знаете? Чем они отличаются друг от друга?

3. При каких условиях происходит испарение жидкости?

4. От каких факторов зависит скорость испарения?

5. Что такое удельная теплота парообразования?

6. На что расходуется подводимое количество теплоты при парообразовании?

7. Почему при ветре жара переносится легче?

8. Одинакова ли внутренняя энергия 1 кг воды и пара при температуре 100^оС

9. Почему вода в бутылке, плотно закрытой пробкой, не испаряется?

II. Изучение нового материала

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности рек, озер, океанов не является насыщенным, атмосфера открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других наоборот.

Содержание водяного пара в воздухе - его влажность характеризуется рядом величин.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.

За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара , содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью [г/м³].

Знания парциального давления водяного пара или абсолютной влажности ничего не говорят, насколько водяной пар далек от насыщения.

Для этого вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению - относительная влажность.

Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности воздуха к плотности ₀ насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.

Р - парциальное давление при данной температуре;

Р₀ - давление насыщенного пара при той же температуре;

- абсолютная влажность;

₀ - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами.

При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара.

Температура t, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности, воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.

Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха равной точке росы, есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка росы также характеризует влажность воздуха.

Влажность воздуха можно определить специальными приборами.

1. Конденсационный гигрометр

С его помощью определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной влажности.

2. Волосяной гигрометр

Его действие основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности.

Применяется в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.

3. Психрометр

Обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.

Значение влажности воздуха для живых организмов

При температуре 20-25°С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40% до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое потоотделение является значительной нагрузкой для человека.

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмов, что ведет к его обезвоживанию. Особенно низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20%. При низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими увлажнителями являются растения.

Если относительная влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый. Высокая влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100% испарение вообще не может происходить - при таких условиях мокрая одежда или влажная кожа никогда не высохнут.

Из курса биологии вы знаете о разнообразных приспособлениях растений в засушливых местностях. Но растения приспособлены и к высокой влажности воздуха. Так, родина Монстеры - влажный экваториальный лес Монстера при относительной влажности, близкой к 100%, "плачет", она удаляет избытки влаги через отверстия в листьях - гидатоды. В современных зданиях производится кондиционирование воздуха создание и поддержание в закрытых помещениях воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей. При этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.

Исключительное значение для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может стать насыщенным и начнет выпадать роса. Но при конденсации водяных паров выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к 0 °С, равна 2490 кДж/кг), поэтому воздух у поверхности почвы при образовании росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения температуры и,

Во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать одно из этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.

Вопросы на повторение:

1. Что понимается под влажностью воздуха?
2. Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В каких единицах ее выражают?
3. Что такое упругость водяного пара?
4. Что называют относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?
5. Относительная влажность воздуха 70%, что это значит?
6. Что называют точкой росы?

С помощью каких приборов определяют влажность воздуха? Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком? Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров и психрометра.

Лабораторная работа №4 "Измерение относительной влажности воздуха"

Цель:научиться определять относительную влажность воздуха, развить практические навыи при работе с физическим оборудованием.

Оборудование: термометр, марлевый бинт, вода, психометрическая таблица

Ход урока

Перед выполнением работы необходимо обратить внимание учащихся не только на содержание и ход выполнения работы, но и на правила обращения с термометрами и стеклянными сосудами. Нужно напомнить, что все время, пока термометр не используется для измерений, он должен находиться в футляре. При измерении температуры термометр следует держать за верхний край. Это позволит определить температуру с наибольшей точностью.

Первые измерения температуры следует провести сухим термометром Эта температура в аудитории во время работы не изменится.

Для измерения температуры влажным термометром лучше в качестве ткани взять кусочек марли. Марля очень хорошо впитывает и перемещает воду от влажного края к сухому.

Используя психрометрическую таблицу, легко определить значение относительной влажности.

Пусть t_c = h = 22 °С, t_m = t₂ = 19 °С. Тогда t = t_c - 1_Ш = 3 °С.

По таблице находим относительную влажность. В данном случае она равна 76%.

Для сравнения можно измерить относительную влажность воздуха на улице. Для этого группу из двух-трех учеников, успешно справившихся с основной частью работы, можно попросить провести аналогичные измерения на улице. Это должно занять не более 5 минут. Полученное значение влажности можно сравнить с влажностью в классе.

Итоги работы подводят в выводах. В них следует отметить не только формальные значения итоговых результатов, но и указать причины, которые приводят к погрешностям.

III. Решение задач

Так как данная лабораторная работа достаточно проста по содержанию и невелика по объему, оставшуюся часть урока можно посвятить решению задач по изучаемой теме. Для решения задач не обязательно, чтобы все ученики стали решать их одновременно. По мере выполнения работы они могут получать задания индивидуально.

Можно предложить следующие простые задачи:

Задача 1

На улице идет холодный осенний дождь. В каком случае быстрее высохнет белье, развешенное на кухне: когда форточка открыта, или когда закрыта? Почему?

Задача 2

Влажность воздуха равна 78%, а показание сухого термометра равно 12 °С. Какую температуру показывает влажный термометр? (Ответ: 10 °С.)

Задача 3

Разность в показаниях сухого и влажного термометров равна 4 °С. Относительная влажность воздуха 60%. Чему равны показания сухого и влажного термометра? (Ответ: t_c-l9 °С, t_m = 10 °С.)

Домашнее задание

• Повторить параграф 17 учебника.
• Задание № 3. с. 43.

Для нормального существования растительной клетки необходимо ее насыщение водой. Для водорослей оно является естественным следствием условий их существования, у растений суши достигается в результате двух противоположных процессов: поглощения воды корнями и испарения. Для успешного фотосинтеза хло-!рофиллоносные клетки наземных растений должны поддерживать самое тесное соприкосновение с окружающей атмосферой, снабжающей их необходимым для них углекислым газом; однако это тесное соприкосновение неизбежно приводит к тому, что насыщающая клетки вода непрерывно испаряется в окружающее пространство, и та же солнечная энергия, которая доставляет растению необходимую для фотосинтеза энергию, поглощаясь хлорофиллом, способствует нагреванию листа, а тем самым и усилению процесса Испарения.

Очень немногие, и притом низкоорганизованные, растения, нииример мхи и лишайники, могут выдерживать длительные перерывы в водоснабжении и переносить это время в состоянии полного иыеыхания. Из высших растений к этому способны лишь некоторые представители скальной и пустынной флоры, например осока, распространенная в песках Каракумов. Для громадного большинства ш.кших растений такое высыхание было бы смертельно, а потому │сход воды у них примерно равен ее приходу.

Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведем такой пример: за один вегетационный период одно Цветение подсолнечника или кукурузы испаряет до 200 кг и более воды, т. е. солидных размеров бочку! При таком энергичном расходе требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого (Мужит корневая система, размеры которой огромны счеты числа корней и корневых волосков для озимой ржи дали следующие удивительные цифры: корней оказалось почти четырпл дцать миллионов, общая длина всех корней 600 км, а их общая по верхность около 225 м². На этих корнях было около 15 миллиардом корневых волосков общей площадью в 400 м².

Количество воды, расходуемое растением в течение своем жизни, в большой степени зависит от климата. В жарком сухом климате растения потребляют не меньше, а иногда даже больше во ды, чем в климате более влажном, у этих растений более развита корневая система и меньшее развитие имеет листовая поверхносп. Меньше всего расходуют воду растения сырых, тенистых тропиче ских лесов, берегов водоемов: у них тонкие широкие листья, слабые корневая и проводящая системы. У растений засушливых местно стей, где воды в почве очень мало, а воздух горяч и сух, наблюда ются разнообразные приемы приспособления к этим суровым условиям. Интересны растения пустынь. Это, например, кактусы растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превра тились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, мало проницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными, почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало воды.

У других растений зоны пустынь (верблюжьей колючки, степной люцерны, полыни) тонкие листья с широко открытыми устьицами, которые энергично ассимилируют и испаряют, за счет чего значительно снижается температура листьев. Часто листья бывают покрыты густым слоем серых или белых волосков, представляющих как бы полупрозрачный экран, защищающий растения от перегревания и снижающий интенсивность испарения.

Многие растения пустынь (ковыль, перекати-поле, вереск) имеют жесткие, кожистые листья. Такие растения способны переносить длительное завядание. В это время их листья скручиваются в трубку, причем устьица находятся внутри нее.

Условия испарения зимой резко меняются. Из мерзлой почвы корни не могут всасывать воду. Поэтому за счет листопада уменьшается испарение влаги растением. Кроме того, при отсутствии листьев меньше снега задерживается на кроне, что предохраняет растения от механических повреждений.

Роль процессов испарения для животных организмов

Испарение - это наиболее легко регулируемый способ меньшения внутренней энергии. Всякие условия, затрудняющие спарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, ожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет егулировку температуры тела.

Для терморегуляции организма важную роль играет потоот-еление, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека ли животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя нергия, благодаря этому организм охлаждается.

Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если еще при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится еще тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию.

Очень интересны с точки зрения терморегуляции и роли процессов испарения некоторые живые существа. Известно, например, что верблюд может две недели не пить. Объясняется это тем, что он очень экономно расходует воду. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой и плотной шерстью - шерсть спасает от перегрева (на спине верблюда в знойный полдень она нагрета до восьмидесяти градусов, а кожа под ней -лишь до сорока!). Шерсть препятствует и испарению влаги из организма (у стриженого верблюда потоотделение возрастает на 50%). Верблюд никогда, даже самый сильный зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если открыть широко рот, испаряете много воды! Частота дыхания верблюда очень низка -8 раз минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. В жару, однако, частота дыхания его увеличивается до 16 раз в минуту. (Сравните: бык при этих же условиях дышит 250, а собака - 300-400 раз в минуту.) Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34°, а днем, в жару, повышается до 40-41°. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется так же очень любопытное приспособление для сохранения воды впрок Известно, что из жира, когда он "сгорает" в организме, получается много воды - 107 г из 100 г жира. Таким образом, из своих горбои верблюд при необходимости может извлечь до полцентнера воды.

С точки зрения экономии в расходовании воды еще более удивительны американские тушканчиковые прыгуны (кенгуровые крысы). Они вообще никогда не пьют. Кенгуровые крысы живут и пустыне Аризона и грызут семена и сухие травы. Почти вся вода, которая имеется в их теле, эндогенная, т.е. получается в клетках при переваривании пищи. Опыты показали, что из 100 г перловой кру пы, которой кормили кенгуровых крыс, они получали, переварив и окислив ее, 54 г воды!

В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с внутренней поверхности воздушных меш ков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. II связи с этим птица в жаркую погоду открывает клюв. (Кац //./> Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1974).

п. Самостоятельная работа

Какое количество теплоты выделится мри полном сгорании 20 кг каменного угля? (Ответ: 418 МДж)

Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 50 л метана? Плотность метана примите равной 0,7 кг/м³. (Ответ: -1,7 МДж)

На стаканчике с йогуртом написано: энергетическая ценность 72 ккал. Выразите энергетическую ценность продукта в Дж.

Теплота сгорания суточного рациона питания для школьников вашего возраста составляет около 1,2 МДж.

1) Достаточно ли для вас потребление в течение для 100 г жирного творога, 50 г пшеничного хлеба, 50 г говядины и 200 г картофеля. Необходимые дополнительные данные:

Удельная теплота сгорания q x 10³, Дж/кг:

• творог жирный 9755;
• хлеб пшеничный 9261;
• говядина 7524;
• картофель 3776.

2) Достаточно ли для вас потребление в течение дня 100 г окуня, 50 г свежих огурцов, 200 г винограда, 100 г ржаного хлеба, 20 г подсолнечного масла и 150 г сливочного мороженого.

Удельная теплота сгорания q x 10³, Дж/кг:

• окунь 3520;
• огурцы свежие 572;
• виноград 2400;
• хлеб ржаной 8884;
• масло подсолнечное 38900;
• мороженое сливочное 7498. ,

(Ответ: 1) Потреблено примерно 2,2 МДж - достаточно; 2) Потреблено к 3,7 МДж - достаточно.)

При подготовке к урокам в течение двух часов вы тратите около 800 кДж энергии. Восстановите ли вы запас энергии, если выпьете 200 мл обезжиренного молока и съедите 50 г пшеничного хлеба? Плотность обезжиренного молока равна 1036 кг/м³. (Ответ: Потреблено примерно 1 МДж - достаточно.)

Воду из мензурки перелили в сосуд, нагреваемый пламенем спиртовки, и испарили. Рассчитайте массу сгоревшего спирта. Нагреванием сосуда и потерями на нагревание воздуха можно пренебречь. (Ответ: 1,26 г.)

• Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 т антрацита? (Ответ: 26,8 . 109 Дж.)
• Какую массу биогаза надо сжечь, чтобы выделилось 50 МДж теплоты? (Ответ: 2 кг.)
• Какое количество теплоты выделится при сгорании 5 л мазута. Плотность мазута примите равной 890 кг/м³. (Ответ: примерно 173 МДж.)

На коробке конфет написано: калорийность 100 г 580 ккал. Выразите нилорийность продукта в Дж.

Изучите этикетки разных пищевых продуктов. Запишите энергети-I, с кую ценность (калорийность) продуктов, выразив ее в джоулях или ка-Юриях (килокалориях).

При езде на велосипеде за 1 час вы тратите примерно 2 260 000 Дж щергии. Восстановите ли вы запас энергии, если съедите 200 г вишни?

• Приложение 1
• Приложение 2
• Приложение 3
• Приложение 4