Страница 71 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Что называют относительной влажностью воздуха?

1. Что называют относительной влажностью воздуха?

Относительная влажность воздуха — это физическая величина, которая показывает, насколько водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к состоянию насыщения. Она является одной из ключевых характеристик влажности и измеряется в процентах (%).

С точки зрения физики, относительную влажность ($φ$) определяют как отношение парциального давления водяного пара ($p$), находящегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного водяного пара ($p_н$) при той же самой температуре.

Формула для расчёта относительной влажности через давление:

$φ = \frac{p}{p_н} \cdot 100\%$

Здесь $p$ — это парциальное давление водяного пара, то есть давление, которое производил бы только водяной пар, если бы он один занимал весь объём воздуха. А $p_н$ — это давление насыщенного пара, то есть максимальное возможное давление пара при данной температуре. Значение $p_н$ зависит от температуры: чем теплее воздух, тем большее количество пара он может в себе удержать, и тем выше давление насыщенного пара.

Также относительную влажность можно выразить через плотность водяного пара. В этом случае она равна отношению абсолютной влажности ($ρ$) к плотности насыщенного водяного пара ($ρ_н$) при той же температуре. Абсолютная влажность — это масса водяного пара в единице объёма воздуха (например, в г/м³).

Формула для расчёта относительной влажности через плотность:

$φ = \frac{ρ}{ρ_н} \cdot 100\%$

Когда относительная влажность равна 100%, это означает, что воздух полностью насыщен водяным паром. Если температура такого воздуха понизится или в него поступит дополнительный пар, избыток влаги начнёт конденсироваться, образуя капли воды (роса, туман, облака).

Ответ: Относительной влажностью воздуха называют физическую величину, равную отношению парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженному в процентах. Она показывает степень насыщенности воздуха водяным паром.

2. Что называют точкой росы?

1. Что называют относительной влажностью воздуха?

Относительной влажностью воздуха называют физическую величину, которая показывает, насколько водяной пар, находящийся в воздухе, далек от состояния насыщения. Она выражается в процентах и является одной из ключевых характеристик влажности воздуха.

Относительная влажность $\varphi$ определяется как отношение парциального давления $p$ водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара $p_{н.п.}$ при той же температуре:

$\varphi = \frac{p}{p_{н.п.}} \cdot 100\%$

Также ее можно определить через отношение абсолютной влажности (плотности водяного пара) $\rho$ к плотности насыщенного водяного пара $\rho_{н.п.}$ при той же температуре:

$\varphi = \frac{\rho}{\rho_{н.п.}} \cdot 100\%$

Если относительная влажность равна 100%, это означает, что воздух полностью насыщен водяным паром и при малейшем понижении температуры начнется конденсация (образование росы, тумана). Если влажность равна 0%, воздух абсолютно сухой, что в природе практически не встречается. Эта величина важна для прогнозирования погоды, оценки комфорта для человека и для многих технологических процессов.

Ответ: Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления (или плотности) водяного пара в воздухе к давлению (или плотности) насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах.

2. Что называют точкой росы?

Точкой росы называют температуру, до которой необходимо охладить воздух при постоянном давлении и неизменном влагосодержании, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу.

Когда температура воздуха опускается до точки росы, его относительная влажность становится равной 100%. Если охлаждение продолжается, избыток водяного пара конденсируется, образуя капли воды (роса), туман или облака. Точка росы, в отличие от относительной влажности, является показателем абсолютного содержания влаги в воздухе: чем выше точка росы, тем больше водяного пара содержится в воздухе. Например, при одинаковой относительной влажности в 50% воздух с температурой +30°C будет содержать гораздо больше влаги (и иметь более высокую точку росы), чем воздух с температурой +10°C.

Ответ: Точка росы — это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

3. С помощью каких приборов измеряют влажность?

Для измерения влажности воздуха используют специальные приборы, основными из которых являются гигрометры и психрометры.

Психрометр состоит из двух термометров — сухого и влажного. Резервуар влажного термометра обернут тканью, смоченной водой. За счет испарения воды влажный термометр охлаждается. Скорость испарения, а следовательно, и разница в показаниях термометров, зависит от относительной влажности воздуха. По этой разнице температур с помощью специальных психрометрических таблиц или диаграмм определяют влажность.

Гигрометры — это приборы, измеряющие влажность напрямую. Они бывают разных типов.

Волосной гигрометр: его действие основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха. Это изменение передается на стрелку, которая указывает значение влажности на шкале.

Конденсационный гигрометр: определяет точку росы. Он состоит из охлаждаемого металлического зеркальца. Температуру, при которой на зеркальце появляются капельки росы, и называют точкой росы. Зная ее и температуру воздуха, можно вычислить относительную влажность.

Электронный гигрометр: современный тип приборов, работа которых основана на изменении электрических параметров (например, емкости или сопротивления) сенсора в зависимости от влажности окружающей среды. Они являются наиболее точными и удобными в использовании.

Ответ: Влажность измеряют с помощью психрометров и гигрометров (волосных, конденсационных, электронных).

3. С помощью каких приборов измеряют влажность воздуха?

1. Что называют относительной влажностью воздуха?

Относительная влажность воздуха — это физическая величина, которая показывает степень насыщенности воздуха водяным паром. Она определяется как отношение парциального давления водяного пара, фактически содержащегося в воздухе ($p$), к давлению насыщенного водяного пара ($p_н$) при той же температуре, и обычно выражается в процентах.

Формула для расчёта относительной влажности: $ \phi = \frac{p}{p_н} \cdot 100\% $

Также относительную влажность можно выразить через отношение абсолютной влажности (плотности водяного пара $\rho$) к плотности насыщенного водяного пара ($\rho_н$) при той же температуре: $ \phi = \frac{\rho}{\rho_н} \cdot 100\% $

Значение $\phi = 100\%$ означает, что воздух полностью насыщен водяным паром, и при любом понижении температуры избыток пара будет конденсироваться (выпадать в виде росы, инея или тумана).

Ответ: Относительная влажность воздуха — это выраженное в процентах отношение фактического содержания водяного пара в воздухе к максимально возможному при данной температуре.

2. Что называют точкой росы?

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух (при постоянном давлении и содержании водяного пара), чтобы пар достиг состояния насыщения. При дальнейшем охлаждении ниже этой температуры избыточный водяной пар начинает конденсироваться, образуя капли воды (росу) на поверхностях или туман в воздухе.

Чем выше относительная влажность, тем точка росы ближе к фактической температуре воздуха. Если относительная влажность составляет 100%, то точка росы равна фактической температуре. Точка росы является важной метеорологической характеристикой, так как она напрямую указывает на абсолютное содержание влаги в воздухе.

Ответ: Точкой росы называют температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным и начинает конденсироваться в жидкость.

3. С помощью каких приборов измеряют влажность воздуха?

Для измерения влажности воздуха применяют приборы, которые называются гигрометрами. Существует несколько их разновидностей, основанных на разных физических принципах:

• Психрометр (психрометрический гигрометр): Состоит из двух термометров — «сухого» и «влажного». Колба влажного термометра обернута тканью, смоченной в воде. За счет испарения воды влажный термометр охлаждается. По разности показаний двух термометров с помощью психрометрической таблицы определяют относительную влажность.
• Волосной гигрометр: Его работа основана на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха. Это изменение длины передается на стрелку-указатель.
• Конденсационный гигрометр: Определяет точку росы путем охлаждения зеркальной поверхности до момента появления на ней конденсата. Это наиболее точный метод измерения влажности.
• Электронные гигрометры: Современные цифровые приборы, использующие сенсоры, которые меняют свои электрические свойства (например, ёмкость или сопротивление) в зависимости от влажности воздуха.

Ответ: Влажность воздуха измеряют с помощью гигрометров, основными типами которых являются психрометр, волосной, конденсационный и электронный гигрометры.

4. Как определить точку росы с помощью конденсационного гигрометра?

Конденсационный гигрометр является прибором для прямого и точного определения точки росы. Процесс измерения состоит из следующих этапов:

1. Основной элемент прибора — небольшое металлическое зеркало — начинают постепенно охлаждать. Охлаждение производится либо за счет испарения легкокипящей жидкости (эфира), либо с помощью термоэлектрического элемента Пельтье.
2. Температура зеркала непрерывно контролируется с помощью точного термометра (например, термопары).
3. Ведется наблюдение за поверхностью зеркала (визуально или с помощью оптического датчика).
4. Температура, при которой на зеркале появляются первые видимые признаки конденсации влаги (роса или иней), фиксируется. Эта зафиксированная температура и является точкой росы.

Для повышения точности измерение повторяют, определяя температуру исчезновения росы при медленном нагреве, и находят среднее значение температур появления и исчезновения конденсата.

Ответ: С помощью конденсационного гигрометра точку росы определяют путем охлаждения специальной зеркальной поверхности и фиксации температуры, при которой на ней начинается конденсация водяного пара из окружающего воздуха.

4. Как определить точку росы с помощью конденсационного гигрометра?

4. Решение:

Конденсационный гигрометр — это прибор, который позволяет напрямую измерить температуру точки росы. Он состоит из металлического зеркальца, которое можно охлаждать, и термометра для измерения температуры этого зеркальца.

Процесс определения точки росы выглядит следующим образом:

1. Поверхность зеркальца гигрометра начинают охлаждать. Охлаждение может производиться, например, за счет испарения легкоиспаряющейся жидкости (эфира) или с помощью термоэлектрического элемента (элемента Пельтье).

2. Одновременно с охлаждением ведется наблюдение за полированной поверхностью зеркальца.

3. В тот момент, когда на зеркальце появляются первые капельки сконденсировавшейся влаги (роса) или кристаллики льда, фиксируют температуру зеркальца с помощью встроенного термометра.

4. Эта температура и является точкой росы. Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух при постоянном давлении, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться.

Таким образом, для определения точки росы необходимо охладить зеркало гигрометра и зафиксировать температуру, при которой на нем начнется конденсация водяного пара из воздуха.

Ответ: Точку росы с помощью конденсационного гигрометра определяют, охлаждая его полированную поверхность (зеркало) и измеряя температуру, при которой на этой поверхности появляются первые признаки конденсации влаги (росы). Эта температура и есть точка росы.

5. Решение:

Психрометр — это прибор для измерения влажности воздуха, состоящий из двух термометров: сухого и влажного (увлажненного). Колба влажного термометра обернута тканью (например, батистом), конец которой опущен в резервуар с водой.

Принцип действия психрометра основан на явлении охлаждения тела при испарении с его поверхности жидкости. Вода с ткани влажного термометра испаряется, отнимая тепло от его колбы, поэтому он показывает более низкую температуру, чем сухой. Интенсивность испарения, а следовательно, и степень охлаждения влажного термометра, зависит от относительной влажности воздуха: чем суше воздух, тем быстрее идет испарение и тем больше разность показаний термометров. Если относительная влажность равна 100%, испарение прекращается, и оба термометра показывают одинаковую температуру.

Чтобы узнать относительную влажность воздуха с помощью психрометра, необходимо выполнить следующие действия:

1. Снять показания сухого термометра ($t_{сух}$) и влажного термометра ($t_{вл}$).

2. Вычислить разность температур: $\Delta t = t_{сух} - t_{вл}$.

3. Воспользоваться специальной психрометрической таблицей. В этой таблице находят строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствующий вычисленной разности температур $\Delta t$.

4. На пересечении найденной строки и столбца находится значение относительной влажности воздуха в процентах.

Ответ: С помощью психрометра измеряют температуру сухого ($t_{сух}$) и влажного ($t_{вл}$) термометров, находят их разность ($\Delta t = t_{сух} - t_{вл}$), а затем по психрометрической таблице на пересечении строки с температурой сухого термометра и столбца с разностью температур определяют относительную влажность воздуха.

5. Как, используя психрометр, можно узнать относительную влажность воздуха?

5. Чтобы узнать относительную влажность воздуха с помощью психрометра, необходимо использовать показания двух его термометров — сухого и влажного — и специальную психрометрическую таблицу.

Психрометр состоит из двух термометров. Сухой термометр измеряет фактическую температуру воздуха ($t_{сух}$). Резервуар второго, влажного, термометра обернут тканью, смоченной водой. За счет испарения воды с поверхности ткани влажный термометр охлаждается и показывает температуру ниже ($t_{вл}$), чем сухой. Интенсивность испарения (и, следовательно, степень охлаждения) зависит от относительной влажности воздуха: чем воздух суше, тем испарение интенсивнее и разница температур больше.

Процедура измерения следующая:

1. Снимают показания сухого ($t_{сух}$) и влажного ($t_{вл}$) термометров.

2. Вычисляют разность показаний: $\Delta t = t_{сух} - t_{вл}$.

3. Пользуются психрометрической таблицей. В левой колонке таблицы находят строку со значением температуры по сухому термометру. В верхней строке таблицы находят столбец со значением вычисленной разности температур $\Delta t$.

4. На пересечении найденной строки и столбца находится искомое значение относительной влажности воздуха, выраженное в процентах.

Ответ: Для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометра необходимо измерить температуру сухим ($t_{сух}$) и влажным ($t_{вл}$) термометрами, вычислить разность их показаний $\Delta t = t_{сух} - t_{вл}$ и затем, используя психрометрическую таблицу, найти значение влажности на пересечении строки, соответствующей показаниям сухого термометра, и столбца, соответствующего разности температур.

1. Один фантазёр утверждал, что он изобрёл жидкость, которая испаряется тем быстрее, чем ниже её температура. Может ли быть такое?

1. Решение

Утверждение фантазёра противоречит фундаментальным законам физики, в частности, молекулярно-кинетической теории.

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, который происходит с поверхности жидкости. Рассмотрим этот процесс с точки зрения движения молекул.

1. Молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Их скорости и кинетические энергии не одинаковы; есть как "медленные", так и "быстрые" молекулы.
2. Чтобы вылететь с поверхности жидкости, молекула должна преодолеть силы притяжения со стороны других молекул. Для этого её кинетическая энергия должна быть больше определённого значения, достаточного для совершения работы против этих сил притяжения.
3. Температура жидкости является мерой средней кинетической энергии её молекул. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия и тем большее число молекул обладает энергией, достаточной для преодоления межмолекулярных сил и перехода в газообразное состояние.

Таким образом, скорость испарения любой известной жидкости всегда увеличивается с повышением температуры и уменьшается с её понижением. Например, лужа на асфальте в жаркий день высохнет гораздо быстрее, чем в прохладный.

Заявление о жидкости, которая испаряется тем быстрее, чем ниже её температура, означает, что при охлаждении (то есть при уменьшении средней кинетической энергии молекул) всё большее их число сможет покинуть жидкость. Это полностью противоречит физическим принципам. Такое вещество не может существовать.

Ответ: Нет, такое невозможно. Скорость испарения напрямую зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость. Это объясняется тем, что при более высокой температуре большее количество молекул обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и покинуть поверхность жидкости.

2*. Можно ли утверждать, что влажный термометр психрометра охлаждается до точки росы? Аргументируйте свой ответ, используя таблицы 6 и 7.

Нет, утверждать, что влажный термометр психрометра охлаждается до точки росы, в общем случае нельзя. Это утверждение справедливо только для одного частного случая — когда относительная влажность воздуха составляет 100%. В остальных случаях температура влажного термометра всегда выше точки росы.

Аргументируем это с помощью анализа физических процессов и примера с использованием табличных данных.

1. Физический смысл температур

Температура влажного термометра ($T_{влаж}$) — это температура, до которой охлаждается смоченная поверхность за счет испарения с нее влаги. Охлаждение прекращается, когда скорость испарения становится такой, что теплота, уносимая с испаряющейся водой, уравновешивается притоком теплоты из окружающего воздуха. Этот процесс зависит как от влажности, так и от температуры воздуха.

Точка росы ($T_{росы}$) — это температура, до которой необходимо охладить воздух (при неизменном давлении и влагосодержании), чтобы содержащийся в нем водяной пар стал насыщенным. Это характеристика самого воздуха, а не процесса испарения.

2. Анализ с помощью таблиц

Проведем мысленный эксперимент, используя типичные значения, которые можно найти в таблицах 6 (психрометрическая) и 7 (плотность/давление насыщенного пара).

Пусть показания психрометра следующие:

• Температура сухого термометра (температура воздуха): $T_{сух} = 22 \text{ °C}$
• Температура влажного термометра: $T_{влаж} = 16 \text{ °C}$

Шаг 1: Определение относительной влажности по психрометрической таблице (условная Таблица 6).

Находим разность показаний термометров:

$\Delta T = T_{сух} - T_{влаж} = 22 \text{ °C} - 16 \text{ °C} = 6 \text{ °C}$

По стандартной психрометрической таблице для $T_{сух} = 22 \text{ °C}$ и $\Delta T = 6 \text{ °C}$ находим относительную влажность $\phi$. Она составляет примерно 54%.

Шаг 2: Определение точки росы с использованием таблицы свойств насыщенного пара (условная Таблица 7).

Сначала по этой таблице находим плотность (или давление) насыщенного водяного пара при температуре воздуха $T_{сух} = 22 \text{ °C}$.

$\rho_{нас}(22 \text{ °C}) \approx 19.4 \text{ г/м}^3$

Теперь, зная относительную влажность $\phi = 54\%$, можем вычислить абсолютную влажность воздуха (фактическую плотность водяного пара в воздухе):

$\rho_{абс} = \rho_{нас} \cdot \frac{\phi}{100\%} = 19.4 \text{ г/м}^3 \cdot \frac{54}{100} \approx 10.5 \text{ г/м}^3$

Точка росы — это температура, при которой эта абсолютная влажность ($\rho_{абс} = 10.5 \text{ г/м}^3$) станет равна плотности насыщенного пара. Снова смотрим в таблицу свойств насыщенного пара и ищем, какой температуре соответствует плотность $10.5 \text{ г/м}^3$.

• $\rho_{нас}(11 \text{ °C}) \approx 10.0 \text{ г/м}^3$
• $\rho_{нас}(12 \text{ °C}) \approx 10.7 \text{ г/м}^3$

Видно, что искомая температура лежит между 11 и 12 °C. Таким образом, точка росы $T_{росы} \approx$ 11.7 °C.

Шаг 3: Сравнение температур.

Сравниваем полученную точку росы с температурой влажного термометра:

$T_{влаж} = 16 \text{ °C}$

$T_{росы} \approx 11.7 \text{ °C}$

Очевидно, что $T_{влаж} > T_{росы}$.

Вывод: Температура влажного термометра ($16 \text{ °C}$) не равна точке росы ($11.7 \text{ °C}$). Она является промежуточным значением между температурой сухого термометра ($22 \text{ °C}$) и точкой росы. Равенство $T_{влаж} = T_{росы}$ наступает только при $\phi = 100\%$, когда испарение прекращается и все три температуры ($T_{сух}$, $T_{влаж}$ и $T_{росы}$) становятся равны друг другу.

Ответ: Нет, утверждать, что влажный термометр психрометра охлаждается до точки росы, нельзя. Это происходит только при 100% относительной влажности. В общем случае (при влажности менее 100%) температура влажного термометра всегда выше точки росы, что подтверждается расчетами на основе психрометрической таблицы и таблицы свойств насыщенного пара.

УПРАЖНЕНИЕ 17

1. Увеличивается или уменьшается относительная влажность, если температура воздуха понижается?

1. Относительная влажность воздуха определяется как отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе в данный момент ($p$), к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре ($p_{н.п.}$). Формула для относительной влажности выглядит так:

$\phi = \frac{p}{p_{н.п.}} \cdot 100\%$

Также ее можно выразить через абсолютную влажность ($\rho$ — плотность водяного пара) и плотность насыщенного пара ($\rho_{н.п.}$):

$\phi = \frac{\rho}{\rho_{н.п.}} \cdot 100\%$

Ключевым моментом является зависимость давления (или плотности) насыщенного пара от температуры. С понижением температуры максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, уменьшается. Это означает, что величина $p_{н.п.}$ (знаменатель в формуле) при понижении температуры становится меньше.

Если мы рассматриваем определенный объем воздуха, в который не поступает и из которого не уходит влага, то при его охлаждении количество водяного пара в нем (а значит, и парциальное давление $p$, и абсолютная влажность $\rho$) остается неизменным. В этом случае в формуле для относительной влажности числитель ($p$ или $\rho$) остается постоянным, а знаменатель ($p_{н.п.}$ или $\rho_{н.п.}$) уменьшается. Математически это приводит к увеличению значения всей дроби.

Таким образом, при понижении температуры воздуха его способность удерживать влагу снижается, и он становится ближе к состоянию насыщения, что и означает увеличение относительной влажности.

Ответ: При понижении температуры воздуха его относительная влажность увеличивается (при условии, что абсолютное содержание водяного пара в воздухе не меняется).