1.7. Влажность воздуха

Теоретическая справка

При испарении жидкости одновременно происходит и обратный процесс — конденсация. Некоторые молекулы, покинувшие жидкость, в результате теплового движения могут возвращаться обратно в жидкость. Если процесс испарения происходит в закрытом сосуде, то первоначально, число молекул, покинувших жидкость, будет превышать число молекул, вернувшихся обратно. Поэтому постепенно плотность пара над жидкостью увеличивается. Однако при увеличении плотности паров, увеличивается и доля молекул, которые возвращаются обратно. По прошествии некоторого времени, количество молекул, которые возвращаются в жидкость, станет равно количеству молекул, которые покидают ее. Такое состояние жидкости и ее пара называется динамическим равновесием

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Если же пар не находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, то он называется ненасыщеннымПри динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Свойства насыщенного пара:

  1. Давление и плотность насыщенного пара зависит от температуры (чем выше температура, чем больше его давление и плотность);
  2. Давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от объема.

В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара. Содержание водяных паров в воздухе характеризует влажность воздуха (или просто влажность). Абсолютная влажность ($\rho$) показывает сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объёмом 1 м3 при данных условиях (другими словами, абсолютная влажность характеризует плотность водяного пара, содержащегося в воздухе).

Относительная влажность — физическая величина, характеризующая насколько далёк водяной пар, находящийся в воздухе, от состояния насыщения. Относительной влажностью воздуха $\varphi$ равна отношению абсолютной влажности воздуха $\rho$ к плотности $\rho_0$ насыщенного водяного пара при той же температуре

$\varphi = \frac{\rho }{\rho_0} \cdot 100%$.

Охлаждая воздуха, водяной пар, содержащийся в воздухе, можно насыщенным. Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы. При охлаждении влажного воздуха ниже точки росы водяной пар начинает конденсировать, начинает появляться туман, роса, зимой — иней.

Для определения влажности воздуха используют приборы: гигрометры и психрометры. Принцип работы психрометра заключается в определении разности показаний сухого и влажного термометров и определение влажности по специальной таблице.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Если герметично закрытый сосуд, наполовину заполненный водой нагреть, то как изменятся масса воды в сосуде и плотность водяного пара?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Масса воды в сосуде Плотность водяного пара
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

В сосуде будет находиться насыщенный пар, если вода, помещенная в него, находится там уже достаточно длительное время. При повышении температуры плотность динамическое равновесие нарушится. Испарение с поверхности жидкости будет происходить быстрее, чем конденсация. Поэтому плотность пара будет увеличиваться, а масса жидкости — уменьшаться. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока пар снова не станет насыщенным при конкретной температуре.

Ответ: 21

[свернуть]

2. При каких условиях у человека возникает ощущение жары в большей степени:

1) при температуре воздуха 35 °С и относительной влажности 90%;
2) при температуре воздуха 35 °С и относительной влажности 40%?

Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: ощущение жары возникает в большей степени в первом случае

Пояснение. Комфортная влажность для человека — 40-60%. При высокой влажности будет затруднено испарение пота с поверхности кожи. Чем меньше интенсивность испарения, тем хуже происходит охлаждение организма и возникает ощущение жары в большей степени.

[свернуть]

3. В каком климате (влажном или сухом) человек легче переносит жару? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: в сухом.

Пояснение. Человек легче переносит жару в сухом климате. При влажных климатических условиях влажность воздуха больше, чем при сухих. Чем больше влаги содержится в воздухе, тем быстрее передаётся тепло от окружающей среды человеку, тем медленнее идёт испарение воды с поверхности тела человека, то есть человек охлаждается медленнее.

[свернуть]

4. После того как пар, имеющий температуру 120°С, впустили в воду при комнатной температуре, внутренняя энергия

1) и пара, и воды уменьшилась
2) и пара, и воды увеличилась
3) пара уменьшилась, а воды увеличилась
4) пара увеличилась, а воды уменьшилась

Нажмите, чтобы увидеть решение

Пар будет охлаждаться и конденсироваться — его внутренняя энергия уменьшится. Вода будет нагреваться — ее внутренняя энергия увеличивается.

Ответ: 3

[свернуть]

5. Открытый сосуд с водой при температуре 25 ºС размещён в лаборатории, в которой поддерживается определённая температура и влажность. Процесс испарения воды в сосуде будет происходить

1) только при условии, что температура в лаборатории меньше 25 ºС
2) только при условии, что влажность в лаборатории меньше 100%
3) при условии, что температура в лаборатории меньше 25 ºС, а влажность меньше 100%
4) при любой температуре и влажности в лаборатории

Нажмите, чтобы увидеть решение

Процесс испарения с поверхности жидкости будет происходить в любом случае. При влажности 100% испарение жидкости будет происходить, но его скорость будет равна скорости конденсации.

Ответ: 4

[свернуть]


6. Если герметично закрытую бутылку с небольшим количеством воды охладить, то давление пара внутри бутылки

1) уменьшится только за счёт уменьшения плотности пара
2) уменьшится только за счёт уменьшения скорости движения молекул
3) уменьшится за счёт уменьшения плотности водяного пара и уменьшения скорости движения молекул
4)  не изменится

Нажмите, чтобы увидеть решение

При охлаждении герметично закрытой бутылки с водяным паром будет наблюдаться процесс его конденсации на стенках бутылки, то есть часть пара перейдет в жидкость, соответственно, масса оставшегося пара уменьшится. Кроме того, уменьшится и внутренняя энергия водяного пара, во-первых, за счет уменьшения его массы, и, во-вторых, за счет уменьшения скорости движения молекул пара. В результате, уменьшится давление водяного пара на стенки бутылки.

Ответ: 3

[свернуть]

7. Открытый сосуд с водой находится в лаборатории, в которой поддерживается определённая температура и влажность воздуха. Скорость испарения будет равна скорости конденсации воды в сосуде

1) только при условии, что температура в лаборатории больше 25 ºС
2) только при условии, что влажность воздуха в лаборатории равна 100%
3) только при условии, что температура в лаборатории меньше 25 ºС, а влажность воздуха меньше 100%
4) при любой температуре и влажности в лаборатории

Нажмите, чтобы увидеть решение

При влажности 100% процессы испарения и конденсации идут с одинаковой скоростью.

Ответ: 2

[свернуть]

8. В сухой летний день прошел тёплый дождь, причём  температура воздуха не изменилась. Как после дождя изменятся показания сухого и влажного термометров психрометра?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:  

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Показания сухого термометра Показания влажного термометра
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

После того как прошел дождь, влажность воздуха увеличивается. Показания сухого термометра не изменятся, поскольку температура воздуха не изменилась. Чем выше влажность, тем меньше разность показаний сухого и влажного термометров, значит, показания влажного термометра должны увеличиться.

Ответ: 31

[свернуть]

9. Какие утверждения о туманах верны?

А. Городские туманы, по сравнению с туманами в горных районах, отличаются более высокой плотностью.
Б. Туманы наблюдаются при резком возрастании температуры воздуха.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение А — верно. Плотность насыщенного пара (образование тумана связано с тем, что пар, находящийся в воздухе становится насыщенным) зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше плотность насыщенного пара. Как правило, температура в городе превышает температуру в горах (лесах, лугах и т.д.), что означает, в свою очередь, что плотность городских туманов должна быть выше.

Утверждение Б — неверно. Туманы образуются при резком понижении температуры.

Ответ: 1

[свернуть]

10. Установите соответствие между физическими понятиями и примерами этих понятий. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ ПРИМЕРЫ
А) физическая величина

Б) единица физической величины

В) прибор для измерения физической величины

1) испарение воды
2) влажность воздуха
3) атмосфера
4) психрометр 
5) миллиметр

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) физическая величина — влажность воздуха.

Б) единица физической величины — миллиметр.

В) прибор для измерения физической величины — психрометр.

Ответ: 254

[свернуть]

11. Герметично закрытый сосуд, частично заполненный водой, длительное время хранился при комнатной температуре, а затем был переставлен в холодильник. Как изменятся скорость движения молекул водяного пара и относительная влажность воздуха в сосуде? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Скорость движения молекул пара Относительная влажность воздуха

Нажмите, чтобы увидеть решение

Если переставить сосуд в холодильник, то температура в сосуде уменьшится. При уменьшении температуры скорость движения молекул уменьшится. Относительная влажность воздуха не изменится. Так как сосуд длительное время хранился при комнатной температуре, то пар, находящийся в сосуде, должен быть насыщенным. При его охлаждении часть пара конденсируется таким образом, что пар все время продолжит оставаться насыщенным. Насыщенному пару соответствует влажность 100%, т.е. в сосуде все время влажность была неизменной и равна 100%.

Ответ: 23

[свернуть]

12. Определите абсолютную влажность воздуха в кладовке объемом 10 м3, если в нем содержится водяной пар массой 0,12 кг.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Абсолютная влажность — плотность водяного пара выраженная в г/м3, поэтому

$\rho =\frac{m}{V}$,

$\rho =\frac{120}{10}=12$ г/м3.

Ответ: 12 г/м3.

[свернуть]

13. Относительная влажность в комнате 61%, температура 16 °С. До какой температуры надо охладить блестящий металлический предмет, чтобы на его поверхности появилась роса?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Плотность насыщенного пара (согласно справочным сведениям) при 16 °С равна $\rho _H=13,6$ г/м3. Влажность воздуха в долях от единицы — 0,61. Найдем плотность водяных паров, содержащихся в воздухе при указанных условиях

$\rho =\varphi \rho _H$,

$\rho =0,61 \cdot 13,6\approx 8,3$ г/м3.

По таблице плотности насыщенных водяных паров при различной температуре находим, что пар, содержащийся в воздухе при температуре 16 °С и имеющий влажность 61%, станет насыщенным при температуре 8 °С (точка росы). Таким образом, предмет необходимо охладить до температуры 8°С (или ниже).

Ответ: 8°С.

[свернуть]

14. Сухой термометр показывает 20 °С, а смоченный 15 °С. Найти относительную влажность воздуха.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Разность показаний сухого и влажного термометров составляет 20°С — 15°С = 5°С. По психрометрической таблице находим, что влажность воздуха равна 59%.

Ответ: 59%.

[свернуть]

15. Чему равна относительная влажность воздуха в классе, если температура в помещении 20 °С и абсолютная влажность воздуха равна 10 г/м3?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Плотность насыщенного пара (согласно справочным сведениям) при 20 °С равна $\rho _H=17,3$ г/м3. Находим относительную влажность

$\varphi = \frac{\rho }{\rho_0} $%,

$\varphi = \frac{10}{17,3} \cdot 100$% $\approx 58$%.

Ответ: 58%.

[свернуть]

16. Пользуясь психрометрической таблицей, определите, чему равна относительная влажность воздуха, если:

а) сухой термометр показывает 30 °С, а разность показаний сухого и влажного термометров равна 3 °С;

б) влажный термометр показывает 22 °С, а разность показаний сухого и влажного термометров равна 6 °С;

в) сухой термометр показывает 24 °С, а влажный термометр показывает 18 °С;

г) показания сухого и влажного термометров одинаковы?

Нажмите, чтобы увидеть решение

а) По психрометрической таблице находим, что влажность воздуха равна 79%.

б) Показание сухого термометра 22°С + 6°С = 28°С. По психрометрической таблице находим, что влажность воздуха равна 59%.

в) Разность показаний сухого и влажного термометров составляет 24°С — 18°С = 6°С. По психрометрической таблице находим, что влажность воздуха равна 56%.

в) Если разность показаний сухого и влажного термометров равна нулю, то пар насыщенный, а влажность 100%.

Ответ: а) 79%; б) 59%; в) 56%; г) 100%.

[свернуть]

17. На улице целый день моросит холодный осенний дождь. В кухне развесили много выстиранного белья. Быстрее ли высохнет белье, если открыть форточку? 

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: если открыть форточку, то белье высохнет быстрее.

Пояснение. Скорость испарения зависит от плотности водяных паров в воздухе или, иначе говоря, от относительной влажности воздуха. Чем выше плотность пара и, соответственно, влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Если открыть форточку, то влажность воздуха в комнате понизится, значит скорость испарения увеличится и белье высохнет быстрее. Уменьшение влажности связано с тем, что при открывании форточки пар из кухни будет выходить на улицу.

[свернуть]

18. Герметично закрытый сосуд, частично заполненный водой, длительное время хранился при комнатной температуре, а затем был переставлен в холодильник. Как изменятся плотность водяного пара и относительная влажность в сосуде?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Плотность пара

Относительная влажность воздуха
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

Если переставить сосуд в холодильник, то температура в сосуде уменьшится. Так как сосуд длительное время хранился при комнатной температуре, то пар, находящийся в сосуде, должен быть насыщенным. При его охлаждении часть пара конденсируется таким образом, что пар все время продолжит оставаться насыщенным. Насыщенному пару соответствует влажность 100%, т.е. в сосуде все время влажность была неизменной и равна 100%. Однако, плотность насыщенного пара зависит от температуры, чем меньше температура, тем меньше плотность насыщенного пара, поэтому плотность пара уменьшится.

Ответ: 23

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Влажность воздуха (2384 Загрузки )