Вологість повітря. Методи вимірювання вологості повітря

Тема уроку. Вологість повітря. Методи вимірювання вологості повітря

Мета уроку: дати поняття про абсолютну та відносну вологість повітря, точку роси, парціальний тиск, ознайомити учнів із будовою та принципами дії приладів для вимірювання відносної вологості повітря, з методами вимірювання вологості повітря за допомогою конденсаційного гігрометра, психрометра, точки роси; показати практичну значущість вивчених понять та явищ; розвивати логічне мислення, спостережливість; виховувати ділове спілкування.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань, формування умінь, навичок, компетентностей.

План уроку:

1.     Засвоїти основні фізичні характеристики вологості повітря.
2.     Розглянути основні методи вимірювання вологості.
3.     З’ясувати практичне застосування знань про вологість повітря.
4.     Розкрити значення вологості повітря для здоров’я та самопочуття людини.
5.     Навчити застосовувати нові знання для розв’язання практичних завдань.

Засоби навчання: комп’ютер, мультимедійний проектор, екран, презентація «Вологість повітря», психрометр, роздаткові матеріали, картки з опорним конспектом, таблицями, завданнями, підручник.

Методологічні підходи: системний, інтегративний, компетентнісний, діяльнісний.

Хід уроку

І. Організаційний момент. Привітання.

ІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів. Оголошення теми, мети уроку.

Відомо, що людина приблизно на 70% складається з води, при цьому не всі здогадуються, що значну роль у житті людини відіграє рівень вологості атмосфери. Однак ми інтуїтивно відчуваємо, що зазвичай вологе повітря корисне для здоров’я, тому прагнемо відпочити на березі моря, річки, озера. З’ясуємо, від яких чинників залежить вологість повітря і як її можна змінити.

Для кращого сприймання теми сьогоднішнього уроку, давайте пригадаємо основні фізичні терміни та їх характеристики, які нам будуть потрібні.

IІІ. Актуалізація опорних знань.

Метод фронтального опитування учнів (метод «мікрофон»). Завдання «продовжити фразу».

1.       Як називається процес перетворення рідини в пару? (Пароутворення).
2.       Які ви знаєте способи пароутворення ? (Пароутворення і кипіння).
3.       Пароутворення, яке відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури називається … (випаровування).
4.       Обернений процес до випаровування, тобто процес переходу пари в рідину називають … (конденсацією)
5.       Від чого залежить швидкість випаровування рідини? (Випаровування залежить від: а) виду рідини; б) температури; в) площі поверхні рідини; г) наявності вітру; д)наявності плівки).
6.       Як змінюється температура рідини під час випаровування? (Знижується).
7.       Яку пару називають насиченою? (Пара, яка знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною називається насиченою).
8.       Пара, яка не перебуває у динамічній рівновазі зі своєю рідиною, тобто не досягла насичення називається … (ненасиченою).
9.       Поясніть, що таке динамічна рівновага? (Це такий стан, за якого кількість молекул, що вилітає з рідини під час випаровування, дорівнює кількості молекул, що повертається в неї за той самий час.)
10. Як залежить тиск насиченої пари від температури ? (Із збільшенням температури  тиск насиченої пари збільшується).

Слайд 1

Темою сьогоднішнього уроку є «Вологість повітря. Методи вимірювання вологості повітря».  На уроці ви дізнаєтесь:

•  що таке вологість повітря і точка роси?
• як виміряти вологість повітря?
• чому потрібно стежити за вологістю повітря ?

Після вивчення цієї теми ми з вами повинні встановити, яка відносна вологість повітря в кабінеті та чи відповідає вона оптимальним санітарним нормам  і якщо ні, то запропонувати способи її зміни.

ІV. Вивчення нового матеріалу.

1.                   Поняття вологості повітря.

Слайд 2

Повітря завжди містить певну кількість водяної пари. Уміст водяної пари в повітрі характеризується абсолютною і відносною вологістю.

Абсолютна вологість ρ_а – фізична величина, яка характеризує вміст водяної пари в повітрі та чисельно дорівнює масі водяної пари, що міститься в 1 м³ повітря:

ρ_{а =}

Одиницею абсолютної вологості в СІ – кілограм на метр кубічний: [ρ_а ] =1 кг/м³ (kg/m³).

Зазвичай абсолютну вологість подають у г/м³.  В екваторіальних широтах вона може сягати 30 г/м³, до полюсів Землі знижується до 0,1 г/м³.

На скільки повітря сухе, а наскільки вологе, показує відносна вологість (досить часто кажуть: «Сьогодні прохолодно і сиро» або «стоїть така засуха, мабуть буде неврожай»).

Слайд 4

Відносна вологість φ – фізична величина, яка показує, наскільки водяна пара близька до насичення, і дорівнює поданому у відсотках відношенню абсолютної вологості до густини насиченої пари за даної температури:

φ = ∙ 100%

Густина насиченої водяної пари (ρ_н.п.) за даної температури – величина незмінна, тому її заносять до таблиці (табл.1 – тиск і густина насиченої водяної пари)

 

 

Слайд 3

Таблиця 1

Тиск і густина насиченої водяної пари

! Зверніть увагу на два моменти.

1. За температурою і відносною вологістю легко визначити абсолютну вологість і масу водяної пари в повітрі: ρ_а = ρ_н.п. ∙ φ; m_Н2О = ρ_a ∙ V.

Наприклад, вимірювання показали, що в класній кімнаті об’ємом 180 м³ відносна вологість за температури  22 °С дорівнює 50%. Із табл.1 знаходимо: ρ_н.п (22 °С) = 19,4 г/м³. Тоді ρ_а = ρ_н.п. ∙ φ = 19,4 г/м³ ∙ 0,5 = 9,7 г/м³ ;

m _H2O = ρ_a ∙ V = 9,7 г/м³ ∙ 180 м³ = 1746 г ≈ 1,7 кг.

2. Густина водяної пари прямо пропорційна її парціальному тиску Р _парц. (ρ_{a  =} ), тому відносну вологість можна знайти з співвідношення:

φ = ∙ 100 %

Парціальний тиск – це тиск, який би чинила водяна пара, коли б не було інших газів.

Позначення –  Р_парц., одиниці виміру – Па.

Відносна вологість з підвищенням температури зменшується; вона менша влітку та більша взимку.

Слайд 5

3. Точка роси

! Зверніть увагу: як правило, водяна пара в повітрі є ненасиченою. Ненасичену пару можна перевести в стан насичення, збільшивши відносну вологість. Відносну вологість повітря можна збільшити  двома шляхами:

– збільшивши масу водяної пари в повітрі, тобто збільшивши абсолютну вологість (наприклад, якщо на кухні довго кип’ятити воду, то відносна вологість повітря може сягнути 100%);

– якщо зменшити температуру повітря (надлишкова водяна пара буде конденсуватись і випадати у вигляді роси або туман.);

Наприклад, якщо в теплу кімнату внести холодні предмети, вони  вкриваються конденсатом. Під ранок, коли температура повітря різко меншає, на траві випадає роса, а над поверхнею водойм з’являється туман.

Температуру, за якої водяна пара, що міститься в повітрі, стає насиченою, називають точкою роси t_p. Відносна вологість при цьому стає 100%. Абсолютна вологість при цьому не змінюється.

Наведіть життєві приклади спостереження точки роси (вікна течуть, плачуть; посуд, який вийняли з холодильника, вкривається росою)

Слайд 6 (відео)

Знаючи точку роси, можна визначити абсолютну і відносну вологості повітря. Наприклад, температура в кімнаті t=24 °С, а стінки металевої посудини з водою, яка розташована в цій кімнаті, почали вкриватися вологою за температури води t=16 °С, тобто за цієї температури пара стала насиченою (t = t_р). Це означає, що ρ_а = ρ_н.п. (16 °С) = 13,6 г/м³ (див. табл.1).

Оскільки φ = · 100%, ρ_н.п (24 °С) = 21,8 г/м³ , то φ = ·100% = 62,4 %.

Слайд 7, 8

4. Методи вимірювання вологості повітря

Прилади для прямого вимірювання вологості повітря називають гігрометрами. Існує декілька видів гігрометрів, однак найуживаніші – волосяний і психрометричний.

Психрометр     Волосяний гігрометр

Принцип дії волосяного гігрометра базується на властивості знежиреної волосини збільшувати свою довжину зі збільшенням вологості повітря. Узимку волосяний гігрометр є основним приладом для вимірювання вологості повітря поза приміщенням.

Будова: металева рама, волосина, шків, стрілка, шкала, регулюючий гвинт. Волосина закріплена на стояку і нижнім кінцем закріплена з механізмом стрілки, яка показує на градуйованій шкалі відносну вологість повітря у відсотках.

Найчастіше використовують гігрометр психрометричний – психрометр. Дія цього приладу базується на двох факторах: 1) швидкість випаровування рідини тим вища, чим нижча відносна вологість повітря; 2) рідина під час випаровування охолоджується. Психрометр складається з двох термометрів – сухого, який вимірює температуру довкілля, і вологого – його колба обгорнута тканиною, кінчик якої опущений у посудину з водою. Вода з тканини випаровується, і вологий термометр показує нижчу температуру, ніж сухий. Чим нижча відносна вологість повітря, тим швидше випаровується рідина і тим більша різниця показів сухого та вологого термометрів.

Відносну вологість визначають за допомогою психрометричної таблиці (табл.2). Наприклад, сухий термометр показує 15 °С, а вологий 10 °С; різниця температур Δt = 15 ° - 10 °С = 5 °C. Із табл.2 бачимо, що φ = 52%.

Слайди 9, 10

? За допомогою психрометричної таблиці дайте відповіді на питання:

• Якою є відносна вологість, якщо обидва термометри психрометра показують однакову температуру?
• Як змінюється відносна вологість повітря із збільшенням різниці показів сухого та вологого термометрів ?
• Заповніть таблицю:

Температура сухого термометра, tc   °С	Температура зволоженого термометра, tв °С	Різниця температур, Δt, °С	Відносна вологість, φ  %
18	15
20			44
		5	61

 

Розв’язуємо разом!

Яка відносна вологість повітря в кабінеті, якщо сухий термометр показує   22 °С, а вологий 18 ⁰С?
t= 22 ⁰С               Знаходимо різницю показів:
t=18 ⁰С                 t= t - t= 22 ⁰С  - 18⁰С = 4 ⁰С
-? 

За психометричною таблицею по вертикалі знаходимо  t= 22 ⁰С,  а по горизонталіt = 4 ⁰С, на перетині стовпця та рядка отримаємо відносну вологість повітря 68%

Таблиця 2

Психрометрична таблиця

Показання сухого термометра, ºС	Різниця показань сухого та вологого термометрів, ºС
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Відносна вологість, %
10 11 12 13 14	100 100 100 100 100	88 88 89 89 90	76 77 78 79 80	65 66 68 69 70	54 56 57 59 60	44 46 48 49 51	34 36 38 40 42	24 26 29 31 33	14 17 20 23 25	4 8 11 14 17
15 16 17 18 19	100 100 100 100 100	90 90 90 91 91	80 81 81 82 82	71 71 72 73 74	61 62 64 64 65	52 54 55 56 58	44 45 47 48 50	36 37 39 41 43	27 30 32 34 35	20 22 24 26 29
20 21 22 23 24	100 100 100 100 100	91 91 92 92 92	83 83 83 84 84	74 75 76 76 77	66 67 68 69 69	59 60 61 61 62	51 52 54 55 56	44 46 47 48 49	37 39 40 42 43	30 32 34 36 37
25 26 27 28 29	100 100 100 100 100	92 92 92 93 93	84 85 85 85 86	77 78 78 78 79	70 71 71 72 72	63 64 65 65 66	57 58 59 59 60	50 51 52 53 54	44 45 47 48 49	38 40 41 42 43
30	100	93	86	79	73	67	61	55	50	44

 

Конденсаційний гігрометр.

 

Будова: металевий резервуар, полірована поверхня, поліроване кільце, теплоізольована прокладка, гумова груша.

Принцип дії: у резервуар капають ефір. При прокачуванні повітря він швидко випаровується  на полірованій поверхні випадає роса. Точка роси фіксується термометром, за нею визначається абсолютна вологість повітря.

На конденсаційному методі вимірювання працюють сучасні електронні гігрометри.

У сучасних гігрометрах застосовують електронні датчики для вимірювання вологості. Найпоширеніші датчики вимірюють зміну ємності або опору полімерної мембрани під дією вологи. Наприклад, цифрові термогігрометри, які поєднують у собі годинник, термометр та психрометр.

Вологоміри - незамінні для тих галузей промисловості, де необхідно контролювати вологість речовин. Вони використовуються: при проведенні будівельних та оздоблювальних робіт; на деревообробних заводах, на меблевих фабриках; при просушуванні зерна на елеваторах

Слайди 11-25

5. Чому потрібно стежити за вологістю повітря

Людина почуває добре за відносної вологості 50 - 60%. Для її здоров’я шкідливе як надмірно сухе, так і дуже вологе повітря. Надлишкова вологість сприяє розмноженню різних хвороботворних грибків; у сухому повітрі людина швидко стомлюється у неї дере в горлі, пересихають губи, стає сухою шкіра тощо. Якщо повітря занадто сухе, то пил, не зв’язаний вологою, літає по всьому приміщенню, і це особливо небезпечно для людей, які потерпають від алергії. Недостатня вологість призводить до загибелі чутливих до рівня вологості домашніх рослин; тріщини на предметах із дерева, розладнанні музичні інструменти – теж результат недостатньої вологості повітря.

Вологість повітря важливо враховувати у ткацькому, кондитерському та інших виробництвах; під час збереження книжок і картин; у лікуванні багатьох хвороб тощо.

Слайди 26, 27 (відео ЛПР)

IV. Формування умінь, навичок, компетентностей.

Виконання практичного завдання.

Клас  ділиться на три групи. Кожна група отримує свій QR – код (рис.1), під яким «заховане» завдання: вимірювання вологості повітря за допомогою психрометра, за точкою роси, за допомогою конденсаційного гігрометра. Після виконання роботи, один з представників групи дає коротку характеристику методу за яким вони вимірювали відносну вологість та  називає свій результат вимірювання. В кінці результати вимірювання порівнюємо. (Кожній групі для виконання практичної частини, роздаються інструкційні карти щодо виконання послідовності роботи. Додатки 1 - 3).

Рис. 1

V. Закріплення.

 1.Розв’язати задачу.

Яка маса водяної пари повітря в кабінеті фізики , якщо його розміри а =11 м, в = 5,5 м, h = 2,9 м? Значення  t_с = 20 ⁰С, а t_в = 14 ⁰С.

2. Чому на холодній водопровідній трубі утворюються краплі води?
3. Чому людина легше перенасить спеку, якщо повітря сухе?
4. Чому взимку, коли працює опалення, повітря в кімнаті досить сухе? Що потрібно робити, щоб підтримати оптимальну вологість повітря?
5. Обидва термометра в психрометрі показують однакову температуру. Яка відносна вологість повітря?
6. Як зміниться різниця показань сухого і вологого термометрів в психрометрі при зниженні температури повітря, якщо абсолютна вологість залишається без зміни?
7. Чому ввечері після спекотного дня з’являється роса?

Слайд 28

VІ. Підведення підсумків уроку. Домашнє завдання: опрацювати §32, виконати письмово впр.32 (4,5) на стр. 195.  Фізика (рівень стандарту). Підр. для  10 класу загальноосв. навч. закл./  В. Г. Бар’яхтар – Харків: «Ранок», 2018. 

Експериментальне завдання: провести розшук в Інтернеті  досліду з кедровою шишкою по вимірюванні вологості повітря.

 

Примітка: урок розрахований на дві академічні години. Для успішного проведення уроку запроваджується індивідуальне, випереджаюче навчання.

 

 

 

 

ДОДАТОК 1

Вимірювання відносної вологості повітря за допомогою психрометра

 Мета: навчити учнів експериментально визначати вологість повітря в класній кімнаті за допомогою психрометра.

Обладнання: психрометр, склянка з водою, психрометрична таблиця.

Рекомендації щодо проведення експкриментальної роботи:

На початок уроку наливають воду у резервуар термометра, обгорнутого марлею. Почекавши хвилин 20-25 (поки показання вологого термометра перестануть змінюватися), записуються показання сухого й вологого термометрів до таблиці:

 

tсух,°C	tвол, °C	Δt, °С	φ, %

 

За допомогою психрометричної таблиці визначають відносну вологість повітря.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОДАТОК 2

Вимірювання відносної вологості повітря за допомогою конденсаційного гігрометра

 Мета: ознайомити учнів з методом визначення вологості повітря за допомогою конденсаційного гігрометра і визначати вологість повітря в класній кімнаті за допомогою нього.

Обладнання: конденсаційний (дзеркальний) гігрометр, гумова насос-груша, ефір, термометр.

Рекомендації щодо проведення експкриментальної роботи: у резервуара капають ефір.  При прокачуванні повітря він швидко випаровується на полірованій поверхні випадає роса. Точка роси фіксується термометром, за нею визначається абсолютна вологість повітря.

 Вимірювання потрібно робити обережно, уникаючи відкритих подихів на блискучу поверхню.

Хід роботи.

1. Виміряй кімнатну температуру t₁ = _____ °С.

відповідно їй густина насиченої пари ρ_{1 = _____} 

2. Точка роси t₂ = _____ °С.

відповідно їй густина насиченої пари ρ₂ = _{_____} 

3. Відносна вологість (обчислюйте її у відсотках з точністю до цілих):

φ = ρ₁ : ρ₂ = ______ = _____ %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОДАТОК 3

Вимірювання відносної  вологості  повітря за допомогою реєстрації температури або точки роси.

Метою роботи є вимірювання відносної вологості повітря з допомогою реєстрації температури або точки роси.

Рекомендації щодо проведення експкриментальної роботи: в зв'язку з тим, що поява або зникнення конденсованих парів (роси) на дзеркальній поверхні кулі, носить інертний характер, під час виконання роботи потрібно бути особливо уважним: при виконанні роботи не наближатися до дзеркальної поверхні.

Користуючись таблицею залежності тиску або густини насиченої пари від температури, можна з достовірною точністю визначити відносну вологість повітря у навчальному класі.

Хід роботи

1. Протріть поліровану поверхню отриманої посудини й закріпіть її на штативі.

2. Виміряйте температуру повітря у вашому класі.

3. Налийте наполовину отриманої води у посудину й опустіть до неї термометр, його зануривши в воду, як показано на рисунку.

4. Додавайте у посудині невеликі шматочки льоду чи сніг й стежте за зменшенням температури. В момент появи на бокових стінках посудини роси запишіть показання термометра в зошит.

5. Обережно додаючи у посудину теплу води, в зошит запишіть температуру, за котрої роса зникає повністю.

6. Визначте середнє числове значення температур й вважайте, що саме це і є точка роси.

7. Дослід повторіть ще декілька разів. Всі отримані результати запишіть до таблиці.

8. Із таблиці залежності тиску насиченої водяної пари від температури обчисліть тиск насиченої пари для температури повітря у навчальному класі рнас й точки роси р. За формулою визначте відносну вологість повітря у вашому класі:

9. Всі результати ваших обчислень запишіть до таблиці:

10. За отриманими результатами досліджень зробіть власний висновок.