Влажность воздуха

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №175

Ленинского района г. Н. Новгорода

Научное общество учащихся

Влажность воздуха и способы ее измерения.

Выполнил: Соколов Иван

Ученик 7 «А» класса, школы №175

Научный руководитель:

Киржаева Д. Г.

Нижний Новгород

2015 год

Оглавление

Введение

Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас биосферы, а также большинства материалов, используемых человеком. Содержание влаги в окружающей среде оказывает влияние на характер и интенсивность происходящих в живых объектах биохимических и физико-химических процессов. От влажности зависят физические, химические, механические и технологические свойства значительной части неметаллических материалов. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов.

Влажность воздуха играет огромную роль в мире и повседневной жизни человека. От нее зависит здоровье людей, климат на планете, качество мебели, книг, зданий. Мне очень бы хотелось, чтобы люди как можно больше знали о зависимости здоровья от влажности, как нам беречь свою планету, сохранить старинные книги и музеи.

Цель моего реферата узнать о характеристиках влажности, какие изменения влажности существуют в атмосфере Земли, как влияет влажность воздуха на человека, познакомить с природными и искусственными измерителями влажности, какое разрушающее действие оказывает влажность, привести интересные факты о влажности. Создание прибора по измерению влажности воздуха. Измерение влажности воздуха с помощью прибора, созданного мной.

Задачи, которые я перед собой ставил:

• сбор материала по теме реферата и его обработка;
• выстраивание содержания основной части;
• создание прибора для измерения влажности воздуха;
• измерение влажности воздуха с помощью психрометра;
• выводы о проделанной работе;
• оформление обобщённого материала;
• подготовка презентации;
• презентация реферата на нучно - практической конференции.

Моя работа состоит из 6 глав. Мною были изучены и обработаны следующие материалы: литературные источники, среди которых учебная, научная, периодические издания и интернет сайты. Оформлены приложения, в которых содержатся: таблица изменения влажности в атмосфере земли, таблица гидрологических циклов, прибор волосяного гигрометра, психрометра, пример психрометрической таблицы.

1. Влажность воздуха и вода

1.1 Характеристики влажности

Важной характеристикой состояния атмосферы является влажность воздуха или степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.

Абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара, находящегося в воздухе, или его давлением Пa. Если температура низка, то данное количество водяного пара в воздухе может оказаться близким к насыщению, воздух будет сырым. При более высокой температуре то же количество водяного пара далеко от насыщения, воздух – сухой. Для суждения о степени влажности важно знать близок или далек водяной пар, находящийся в воздухе от состояния насыщения. Для этого вводят понятие относительной влажности – ведь она дает более ясное представление о степени влажности воздуха. Относительная влажность воздуха измеряется числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность от давления водяного пара PН, насыщающего воздух при имеющейся у него температуре.

Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы. При насыщении воздуха водяными парами вода в нем больше не испаряется. При повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при высокой влажности. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии человека.[2]
Абсолютно сухого воздуха практически не бывает. В нем всегда присутствует влага хотя бы в следовых количествах. Оказывается, что ничтожные количества воды иногда могут сильно влиять на химические свойства многих веществ. В 1913 г. английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол начинает кипеть при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт – на 60, бром – на 59, а ртуть – без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашли удовлетворительного объяснения. В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, на много превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях. Из пересыщенного водяными парами воздуха образуется туман. Он состоит из мельчайших капелек воды размером от 0,0001 до 0,1 мм. Капельки воды легче конденсируются на твердых частичках, находящихся в воздухе в виде пыли.
На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода будет закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. Для широкого применения эти соли довольно дороги. Однако град может привести к гораздо большим экономическим потерям. Кроме дождя и града атмосферные осадки также выпадают в виде снега. [1]

2. Влажность воздуха в разных уголках Земного шара

2.1 Изменения влажности в атмосфере Земли

Влажность воздуха земной атмосферы колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2% по объёму в высоких широтах до 2,5% в тропиках. Соответственно упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 Мб (иногда лишь сотые доли Мб) и летом ниже 5 Мб; в тропиках же она возрастает до 30 Мб, а иногда и больше. В субтропических пустынях е понижена до 5-10 Мб (1 Мб = 102-н/м2). Относительная влажность r очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85% и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт - здесь за счёт низкой температуры воздуха. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы (Индия - 75-80%). Низкие значения r наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50% и ниже). С высотой относительная влажность и ускорение свободного падения быстро убывают. На высоте 1,5-2 км упругость пара в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу (нижние слои 10-15 км) приходится 99% водяного пара атмосферы. В среднем над каждым м2 земной поверхности в воздухе содержится около 28,5 кг водяного пара. (Приложение 1) [4]

2.2 Суточные и годовые колебания влажности

Суточный ход упругости пара над морем и в приморских областях параллелен суточному ходу температуры воздуха: влагосодержание растет днём с возрастанием испарения. Таков же суточный ход и в центральных районах материков в холодное время года. Более сложный суточный ход с двумя максимумами - утром и вечером - наблюдается в глубине материков летом. Суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры: днём с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом упругости насыщения Е относительная влажность убывает. Годовой ход упругости пара параллелен годовому ходу температуры воздуха; относительная влажность меняется в годовом ходе обратно температуре. [4]

2.3 Гидрологический цикл

При испарении воды ее молекулы образуют водяной газ, называемый водяным паром. В атмосфере содержится также вода в жидком состоянии в виде облачных капелек и дождевых капель. Ледяные кристаллы, снежинки и градины - это атмосферная вода в замерзшем состоянии. В отличие от большинства других присутствующих в атмосфере газов содержание водяного пара может очень сильно меняться. Оно зависит от температуры воздуха и состояния испаряющей поверхности (вода, почва влажная или сухая, лед). В очень холодном и поэтому сухом воздухе водяной пар может находиться в лишь малом, с трудом измеряемом количестве; в жарком воздухе его содержание может достигать 4 процентов объема воздуха и тогда такой воздух становится влажным.

Когда водяной пар поступает в воздух, он, как и все другие газы, создает определенное давление, называемое парциальным. Оно выражается в единицах давления (гПа). По мере того как молекулы воды переходят в воздух, давление пара в воздухе увеличивается. Когда достигается равновесие между числом молекул, покидающих воду и возвращающихся в неё, пар становится насыщенным, а его давление равновесным. Если температура воздуха продолжает увеличиваться, то для поддержания насыщенного состояния пара число молекул, поступающих в воздух, также должно увеличиваться, если, конечно, жидкость еще имеется. Давление пара служит мерой для другой величины, также выражающей количество пара, содержащегося в воздухе, и называемой абсолютной влажностью. Абсолютная влажность представляет собой массу водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Обычно её выражают в г/м3.

Содержание в воздухе водяного пара часто выражается в единицах относительной влажности, значение которой сообщаются в ежедневных сводках погоды. Она представляет собой отношение количества пара, фактически содержащегося в воздухе, к количеству насыщенного пара при данной температуре и выражается в %. Величину эту легко пояснить с помощью примеров из жизни. Когда воздух насыщен, его относительная влажность составляет 100%; можно сказать, что насыщенный воздух заполнен водяным паром, а если она 10%, то пара в воздухе находится 10% от максимально возможного. Поэтому, если относительная влажность мала, скажем 10%, то мокрое белье на улице высохнет быстро, особенно в жаркий день.[16]

Хорошо известно, что температура +30°С легче переносится человеком в сухом климате, чем во влажном. Когда относительная влажность мала, пот с поверхности тела быстро испаряется, и это приносит ощущение прохлады. Водяной пар попадает в атмосферу в результате испарения воды океанов и озер, с поверхности земли, в результате транспирации (испарения воды растениями). С поверхности океанов ежегодно испаряется 5,05·108 Мт, а с поверхности материков 0,72·108 Мт воды. Водяной пар переносится атмосферными движениями, конденсируется и возвращается на поверхность земли в виде дождя и снега. Большая часть вернувшейся воды вновь испаряется; остальная впитывается в землю, попадает в ручьи и реки и течет к озерам и океанам, а затем испаряется с их поверхности. Этот ход событий называется гидрологическим циклом. Общее количество воды, участвующее в гидрологическом цикле составляет 12-14 тыс. км3, что можно выразить слоем воды толщиной 25 мм, равномерно покрывающим весь земной шар. Как видно из таблицы 2 (приложение 2), осадки и испарение для земли в целом составляют по 1130 мм в год. Осадки над сушей (800 мм) больше испарения (485 мм) и их разность равна годовому стоку рек в океан (315 мм). Над океаном, напротив испаряется воды больше (1400 мм), чем выпадает осадков (1270 мм), и эта разность представляет собой сток водяного пара с океана на сушу. В многолетнем выводе количество воды участвующей во влагообороте, остается постоянным. Таким образом, осадков за год выпадает на Земле в 40 раз больше, чем содержится водяного пара в атмосфере.

В году наблюдается в среднем для Земли 45 гидрологических циклов, а водяной пар в атмосфере обновляется через каждые 8-10 суток. Это время жизни водяного пара значительно короче времени жизни многих других находящихся в атмосфере газов. К примеру, время жизни в атмосфере двуокиси углерода составляет несколько десятков лет, кислорода - около 3000лет.[4]

Несмотря на относительно короткое время жизни, водяной пар переносятся на огромные расстояния от места испарения до места выпадения в виде осадков. Скорость переноса водяного пара воздушными течениями по широте (зональный перенос) составляет в среднем 220 км/сут. При этом среднее число смен водяного пара за один оборот вокруг Земли равно 13,5. За год в виде различных осадков из атмосферы выпадает 577 000 км3 воды. На испарение такого количества воды затрачивается много тепла. Для всей земной поверхности это составляет 1024 Дж/год, т.е. 25% солнечной энергии, поступающей на Землю. При конденсации водяного пара в атмосфере это тепло возвращается в атмосферу, как говорят, в форме скрытого тепла конденсации. В атмосферных процессах водяной пар и продукты его конденсации во многом определяют погодные условия, не только вследствие развития облачности и выпадения осадков, но и участвуя в энергетических процессах. [12]

3. Измерители влажности

3.1 Природные измерители

Недостаток влажности воздуха сильнее всего испытывают комнатные цветы и растения. Поникшая зелень и бутоны, пожелтевшие и сморщенные кончики листьев, «листопад» в неположенное время – все это свидетельствует о пониженной влажности воздуха в помещении.

Сколько воды нужно цветку? Ответить на это сложно. Если для растений открытого грунта правила полива более или менее похожи, то среди комнатных цветов надо различать как минимум четыре группы, резко отличающиеся друг от друга по влаголюбивости: растения пустынь, растения сухих субтропиков, растения влажных субтропиков и растения влажных тропических лесов. Выделение этих групп необходимо не только для правильного подбор режима полива, но и для того, чтобы определить необходимые тепловые и световые режимы и правильно разместить цветы в помещении. Зная особенности естественных для данного вида растений климатических условий, мы должны стремиться воссоздать в комнатах именно их или, если это невозможно, даже отказаться от выращивания некоторых цветов. Климат — явление многофакторное. А что такое микроклимат (в данном, цветоводческом контексте), как не искусственно созданный для растения климат в локальном участке пространства?
Влажность, температура и освещенность — часть единого комплекса климатических факторов. Рассмотрим краткие характеристики климатических зон.

Пустыни:
Только немногие растения могут жить и развиваться в условиях пустыни, зато эти немногие настолько приспособились к тамошнему климату, что ничто другое им не подойдет. Даже обмен веществ у большинства обитателей пустынь построен совсем иначе, чем у всех остальных представителей растительного царства, так что их даже не «переучишь» акклиматизацией. У обычных растений фотосинтез происходит днем, у многих суккулентов, наоборот, углекислота поглощается только ночью, а днем устьица закрыты, чтобы предотвратить испарение влаги из организма.
Самым ярким и характерным признаком пустыни является малая влажность. В естественных условиях там выпадает менее 20 см осадков в год, а бывает и меньше: в пустыне Атакама (побережье Перу и север Чили) их среднегодовое количество редко превышает 2 см! Для сравнения: в умеренном климате их от 75 до 250 см, во влажных тропиках — от 200 до 400 см, в дождевых тропических лесах их и того больше: до 2000 см в год. Следовательно, по сравнению с некоторыми другими комнатными растениями, выходцам из пустыни иногда нужно в двести раз меньше влаги. Помимо необходимого суммарного количества воды нужно помнить и особенность режима ее поступления: в пустынях осадки выпадают неравномерно по сезонам, и потому для травянистых видов характерна резкая сезонная смена вегетационной активности (то есть один или два периода интенсивного роста и соответственно периодов глубокого покоя.

Субтропики:
Сухие и влажные субтропики (годовая сумма осадков в среднем 150 мм) имеют большую атмосферную и почвенную влажность. Она не постоянна и изменяется по сезонам, от ливневых дождей до засухи.
Температура достаточно высокая, суточные колебания ее выражены намного меньше, чем в пустынях. Во влажных субтропиках очень много лесов и наземные растения в большинстве теневыносливы.
Тропики:
Тропики расположены в экваториальных и субэкваториальных широтах. В тропиках много влаги, как почвенной, так и атмосферной, и потому «аборигены» этой зоны, разумеется, влаголюбивы. Несмотря на наличие сезонных колебаний, засухоустойчивых и холодоустойчивых форм среди комнатных растений практически нет. Период покоя у подавляющего большинства тропических видов выражен очень слабо. Рассмотрим особенности поливов комнатных растений. Разделив растения по происхождению из различных климатических зон, мы сразу будем знать приблизительную потребность этих растений в воде, но из этого вовсе не следует, что влаголюбивые цветы можно бесконтрольно заливать огромными количествами воды, а ксерофиты и суккуленты — полностью высушивать, так же, как и растения, пребывающие в периоде покоя.
Нужно знать два ограничения для поливов: земля не должна быть чересчур мокрой (для влаголюбивых видов), а земляной ком ни в коем случае не должен полностью пересыхать (для засухоустойчивых и покоящихся растений). Только кактусы можно поливать тогда, когда земля уже совсем пересохла.[8]

3.2 Искусственные измерители

Для определения влажности используют такие приборы как гидрометр и психрометр. Гидрометры бывают двух видов – конденсационные и волосные.

Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.

Конденсационный  гигрометр (устройство и принцип работы )

С помощью конденсационного гидрометра можно определить влажность воздуха по точке росы. Он представляет собой металлическую коробочку(1). Её передняя сторона хорошо отполирована(2) и окружена также отполированным кольцом(3). Между стенкой и кольцом расположена теплоизолирующая прокладка(4). К коробочке присоединена резиновая груша(5) и вставлен термометр(6).

Если в коробочку налить легко испаряющуюся жидкость (эфир), то, продувая воздух через коробку с помощью груши, можно вызвать сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. На полированной поверхности появляются капельки росы. По термометру замечают температуру, при которой они появляются. Это и есть точка росы, так как появление росы говори о том, что пар стал насыщенным. По таблице плотности насыщенного водяного пара  и определяю абсолютную влажность воздуха

4.3 Волосяной гигрометр

Волосяной гигрометр предназначен для измерения относительной влажности воздуха. Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса менять свою длину в зависимости от изменения относительной влажности окружающего воздуха. Основное назначение волосяного гигрометра – измерять влажность в морозное время, когда по психрометру влажность не определяется. Но так как отсчет по гигрометру требуют поправок, получаемых из сравнения с психрометром, то для вывода этих поправок наблюдения по гигрометру ведут на протяжении всего года. Если при отсчете окажется, что конец стрелки вышел за сотое деление, то нужно оценить на глаз, на каком делении оказалась бы стрелка, если бы шкала была продолжена на 110.

Устройство волосяного гигрометра:

1-обезжиренный волос, 2-регулировочный винт, 3-дужка, 4-рычажок,  5-стрелка,

6-шкала (приложение 3). На факультативе по физике мы с ребятами с удовольствием изготовили этот прибор.[13]

4.4 Психрометр

Прибор состоит из двух одинаковых термометров (приложение 4). Резервуар одного из термометров обернут куском чистого батиста, нижний край которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испаряется на шарике термометра, если водяной пар в воздухе не является насыщенным. Вследствие потери тепла на испарение шарик термометра охлаждается и смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометров тем больше, чем больше отличается давление водяного пара, содержащегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По показаниям сухого и смоченного термометров при помощи особых психрометрических таблиц находят давление водяного пара и относительную влажность воздуха (приложение 5).[3]

4. Разрушающие действие влажности

4.1 Влажность и климат

Погода не только является темой многих праздных разговоров, но она также часто определяет наше поведение. В зависимости от погоды мы решаем, поехать ли на пикник, пойти ли на каток, покататься ли на лодке, пойти ли поплавать или пройтись на лыжах. По климату можно судить, какую одежду носят люди, что они едят и в каких жилищах живут. В зависимости от погоды каникулы могут быть очень приемлемыми или неудачными. Погода действует на здоровье, самочувствие и благополучие всего населения.

Климат Земли меняется не только из-за глобального потепления, но и увеличения влажности воздуха. К такому выводу пришли американские и британские ученые, Менее чем за последние 30 лет уровень влажности воздуха рядом с поверхностью земли вырос на 2,2%, отмечают они. Значительно увеличился этот показатель и над поверхностью Мирового океана. Жара при высоком уровне влажности оказывает еще большее негативное воздействие на людей, - подчеркивают специалисты. Это выражается, прежде всего, в том, что при более высокой влажности существенно ухудшается теплообмен человеческого организма. Ученые установили также, что повышение уровня влажности, так же как и парниковые газы, является результатом жизнедеятельности людей. Причем, согласно утверждениям исследователей, если международное сообщество не предпримет никаких действий, то экологическая ситуация на нашей планете будет только ухудшаться. Так, при общем потеплении климата на 1 градус по Цельсию влажность будет возрастать на 6%. Используя температурные прогнозы Международной комиссии по изменению климата, ученые установили, что к 2100 году влажность на планете вырастет на 24%.[7]

4.2 Влажность и книги

Старейшая библиотека в Симферополе может «умереть». Местные власти отказываются выделять средства не только на закупку новых книг и периодических изданий, но и на ремонт одной из старейших библиотек Крыма, существующей уже 101 год. Вместе с библиотекой гибнут и редкие книги.
Здание библиотеки построено в конце XIX века. Сейчас оно в аварийном состоянии. Ремонт здесь не делали больше 30 лет. Стены отсырели. Штукатурка обваливается. Высокая влажность уничтожает книги, например – издание сочинений Жуковского 1902 г. В этом году библиотеке выделили лишь 5 тыс. грн. на приобретение книг. На остальное – денег нет.
Ежегодно в библиотеку приходят более 3 тыс. читателей, но власти продолжают не замечать проблем вековой библиотеки. Ее работники не без горечи говорят – Симферополь может потерять не только уникальные фонды, но и историческое здание.[9]

4.3 Влажность воздуха и серверы

На данный момент именно влажность является самым недооцененным по важности параметром жизнеобеспечения серверной. Несколько простых фактов: - При влажности ниже 30% поток воздуха, проходящего сквозь сервер, вызывает накопление статического электричества на микросхемах и платах внутри сервера. Иногда накапливается достаточно большое напряжение для возникновения пробоев, например, между ножками соседних микросхем. Это приводит к сбоям, которые традиционно списываются на ту или иную софтверную компанию. Если мы берем воздух с температурой -7.5 градусов Цельсия и относительной влажностью 100% и нагреваем этот воздух до +25 градусов без добавления влаги, то относительная влажность этого воздуха станет... 10%!

Какие можно сделать выводы? 1. В серверной необходимо как минимум постоянно контролировать влажность. Если влажность ниже 35% (т.к. большинство датчиков влажности имеют погрешность +/-5% rH), обязательно использование в серверной заземляющих браслетов. А в идеале нужно поддерживать влажность в серверной на уровне 40-55%. 2. Ни в коем случае нельзя делать в серверной какую-либо приточную вентиляцию. Вытяжная вентиляция должна обеспечивать минимально допустимый для серверных уровень воздухообмена.[14]

Заключение

В своем реферате я попытался рассмотреть, какие изменения влажности происходят в атмосфере Земли, ее характеристики, ее влияние на жизнедеятельность человека, на формирование климата на планете. Я узнал много нового о пониженной влажности, о ее последствиях. Мне было очень интересно познакомиться с приборами, с помощью которых измеряют влажность воздуха.

Работая над рефератом, я открыл для себя много новых и полезных фактов. Например, я узнал, что человек чувствует себя комфортно при влажности 60-70%, а при 30% ему становится плохо, ухудшается самочувствие, развиваются различные заболевания, аллергия. Я стал следить за влажностью в своем доме, чтобы не рисковать здоровьем.

Я прочитал множество литературы по влажности воздуха и выяснил, что она может нанести огромный ущерб нашей планете. Влажность может кардинально поменять климат на Земле, и через некоторое время она возрастет в несколько раз.

Я узнал, что влажность влияет практически на все, что нас окружает. Она оказывает разрушающее действие на книги, здания, серверные, климат.

Мне очень понравилось работать над выбранной темой реферата. Я узнал много нового и интересного о влажности воздуха и считаю, что влажность – это самое главное, что нас окружает.

Список литературы

Приложение 1

Таблица 1

Влажность воздуха в течение года в разных уголках земного шара

Приложение 2

Таблица 2

Гидрологические циклы

Приложение 3

Волосяной гигрометр

Приложение 4

Психрометр

Приложение 5