Ćwiczenia 6. Wilgotność powietrza

Ćwiczenia 6. Wilgotność powietrza
Higrometria - dział meteorologii zajmujący się
pomiarami wilgotności powietrza czyli zawartości pary
wodnej w atmosferze.
Para wodna – bezbarwny i bezwonny gaz; (lżejszy od
powietrza suchego) występujący w atmosferze ze
zmienna koncentracją. Wilgotność powietrza wyraża
koncentrację pary wodnej.
Ciśnienie pary wodnej - Jest to parcjalne ciśnienie pary
wodnej w atmosferze tzn. jej ciśnienie cząstkowe w
całkowitym ciśnieniu atmosferycznym. Synonimem jest
„prężność pary wodnej”; spotyka się także użycie mmHg
jako jednostek pomiaru e. Należy odróżnić wielkość e
oznaczającą aktualne ciśnienie pary wodnej w danych
warunkach od E (albo es) – ciśnienia pary nasyconej w
danej temperaturze czyli innymi słowy maksymalnego
możliwego ciśnienia pary w tej temperaturze.
Wielkość E [hPa] można wyznaczyć ze wzoru Magnusa:
E = 6,1 · 10 (7,45·t)/(235+t)
Zwróć uwagę na wykładniczy charakter zależności E od
temperatury.
Wielkość e w atmosferze ziemskiej zmienia się od 0 do
niemal 40 hPa, typowe wielkości w klimacie
równikowym to 30 hPa, w klimatach umiarkowanych ok.
10 a w strefie okołobiegunowej poniżej 5 hPa.
gdzie:
e- ciśnienie pary wodnej;
E’ – ciśnienie pary nasyconej dla tw
A – współczynnik psychrometryczny (dla wody =
0,0007946; dla lodu = 0,0007060);
ts i tw odpowiednio temperatura wskazana przez
termometr suchy i zwilżony;
P – ciśnienie atmosferyczne.
Związki pomiędzy t, es (albo E), e, U, d, td
Ryc. 1. zawiera punkt X reprezentujący próbkę powietrza
o temperaturze t i ciśnieniu pary e. Zmiany ciśnienia pary
nasyconej es w funkcji temperatury pokazuje krzywa SS’.
Temperatura punktu rosy td jest oddana przez temperaturę
w punkcie Z, w którym krzywa SS’ jest przecinana przez
prostą stałego ciśnienia pary od X.
Ciśnienie pary nasyconej w danej temperaturze es(t)
można wyznaczyć przez przecięcie krzywej SS’ w
punkcie Y z linią pionową WXY (jednakowej
temperatury od X), w którym odczytujemy ciśnienie
pary.
Niedosyt wilgotności d=E-e jest równy
YW-XW=YX
natomiast wilgotność względna U=e/E odpowiada
stosunkowi XW/YW.
Ryc. 1.
Wilgotność powietrza - określana w jednostkach
wagowych (wilgotność bezwzględna), ciśnienia (ciśnienie
pary wodnej, niedosyt wilgotności), temperatury
(temperatura punktu rosy), procentach (wilgotność
względna).
Wilgotność względna [%] – stosunek ciśnienia pary
wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu (e) w danej
temperaturze do ciśnienia pary wodnej nasyconej w tej
samej temperaturze (E).
f = e · E-1 · 100%
Niedosyt wilgotności [hPa] - różnica między ciśnieniem
pary wodnej nasyconej w danej temperaturze a
aktualnym ciśnieniem pary wodnej.
d=E-e
Tab. 1. Maksymalna zawartość pary wodnej w powietrzu
w zależności od temperatury
Wilgotność bezwzględna [g·cm-3] – gęstość pary wodnej
zawartej w powietrzu atmosferycznym. Wyrażona jest
liczbą gramów pary wodnej zawartej w 1 m3 powietrza
lub w g·cm-3.
a = 216,7 · e · T-1
Wilgotność właściwa [g·kg-1] – ilość gramów pary
wodnej zawarta w 1 kg powietrza wilgotnego (gdzie: P –
ciśnienie atmosferyczne).
q = 622 · e · (P - 0,378 · e)-1
Temperatura punktu rosy Td - temperatura krytyczna,
w której powietrze w czasie ochładzania przy danym
ciśnieniu pary wodnej staje się nią nasycone; a przy
dalszym ochładzaniu dochodzi do kondensacji pary
wodnej w postaci kropelek wody tworzących chmury lub
różne formy hydrometeorów.
Wzór psychrometryczny (dla psychrometru Augusta)
e = E’ – A· (ts-tw) · P
Ryc. 2. Zależność ciśnienia pary
wodnej nasyconej od temperatury
Ryc. 3. Zależność ciśnienia pary
wodnej nasyconej od temperatury
nad wodą i lodem
PRZYRZĄDY DO POMIARU WILGOTNOŚCI POWIETRZA
Higrometr - przyrząd meteorologiczny do pomiaru
wilgotności względnej powietrza. Najczęściej wykorzystuje
się w higrometrze kurczenie pewnych materiałów (np.
odtłuszczonego pęczka włosów ludzkich lub błony
zwierzęcej) przy obniżającej się wilgotności,
zmiany
wymiarów przenoszone są poprzez system dźwigni na
wskazówkę umieszczoną na tle skali opisanej w procentach.
Higrograf - przyrząd meteorologiczny do rejestracji
wilgotności względnej powietrza. Zasada działania jest
podobna jak w higrometrze przy czym zmiana wymiarów
pęczka odtłuszczonych włosów ludzkich jest przenoszona
poprzez system dźwigni na ramię zakończone piórkiem
napełnionym tuszem, które opiera się o bęben zegarowy z
nałożonym paskiem papieru (higrogram) z nadrukowaną
skalą opisaną w procentach.
Psychrometr - przyrząd meteorologiczny do pomiaru wilgotności
powietrza; złożony z zestawu dwóch jednakowych termometrów,
umieszczonych pionowo obok siebie w klatce meteorologicznej, z
których jeden wskazuje bieżącą temperaturę powietrza (tzw.
termometr suchy) a drugi zaopatrzony jest w batyst czyli łatwo
nasiąkliwy materiał spowijający zbiorniczek termometru (tzw.
termometr zwilżony). Przed pomiarem batyst zwilżany jest wodą.
Występujące parowanie powoduje utratę ciepła przez zbiorniczek
termometru zwilżonego i dlatego temperatura wskazywana przez ten
termometr jest zazwyczaj niższa od temperatury termometru
suchego, różnica ta jest tym większa im niższa jest wilgotność
powietrza. Jedynie w przypadku gdy powietrze jest nasycone parą
wodną (wilgotność względna = 100%) parowanie nie występuje i
obydwa
termometry
wskazują
jednakową
temperaturę.
Wyznaczenie dokładnej wilgotności powietrza następuje poprzez
podstawienie wskazań obydwu termometrów do tzw. wzoru
psychrometrycznego.
Ryc. 4. Higrometr włosowy
Ryc. 6. Psychrometr Assmanna
Ryc. 5. Higrograf włosowy
Zadania
1.
2.
3.
Przy pomocy tablic psychrometrycznych oblicz ile
pary wodnej [g/m3] znajduje się w powietrzu
nasyconym o temperaturze (a) 10°C i (b) –10°C.
Powietrze ma temperaturę 14°C, a wielkość
niedosytu wynosi 0,0 hPa. Jaka jest wilgotność
względna U i temperatura punktu rosy td.
Dane są dwa pomiary psychrometryczne A i B [°C]:
A) ts = -4,4; tw = -4,4W
B) ts = -4,4; tw = -4,4L
4.
5.
Wyznacz w obydwu przypadkach e, U, d, td i porównaj
wyniki. Uzasadnij występujące różnice.
Na podstawie danych A, B i C (patrz tabela 2) wyznacz przy
pomocy tablic psychrometrycznych (lub wzorów) e, U, d, td.
Na jednym układzie współrzędnych XY dla ts = 10oC i
ts = -10oC naszkicuj zależność wilgotności względnej (f) od
ciśnienie pary wodnej (e). Zaznacz ciśnienie pary w stanie
nasycenia (E).
Tab. 2. Dane do zadania 4 [u góry ts, poniżej tw w °C ]
zestaw
8
9
10
11
12
13
14
15
A.
2,7
1,7
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
–2,3w –1,3w –2,2w –2,0w –1,8w –1,6w –-1,4w
1
2
3
4
5
6
7
1,6
–1,2w
1,4
–1,0w
1,2
–0,8w
1,0
–0,8w
0,8
–1,0w
0,6
–1,2w
0,4
–1,4w
0,2
–-1,6w
B.
15,4
8,8
13,0
8,3
13,2
8,4
13,4
8,5
13,6
8,6
13,8
8,7
13,9
8,8
14,0
8,9
14,1
8,0
14,3
8,1
14,5
8,2
14,7
8,3
14,9
8,4
15,1
8,5
15,2
8,6
C.
-8,1
–7,9L
-8,4
–8,2L
-8,7
–8,5L
-9,0
–8,8L
-9,3
–9,1L
-9,6
–9,4L
-9,9
–9,7L
-10,2
-10,5
-10,8
-11,1
-11,4
-11,7
-12,0
-12,3
–10,0L –10,3L –10,6L –10,9L –11,2L –11,5L –11,8L –12,1L
Materiał do opanowania na następne zajęcia:
ciepło utajone przemian fazowych wody
gradient stanu
gradient suchoadiabatyczny
gradient wilgotnoadiabatyczny
konwekcja
poziom kondensacji
prawo Archimedesa
przemiany adiabatyczne
równowaga chwiejna
równowaga obojętna
równowaga stała
ruch wstępujący
ruch zstępujący
siła wyporu
Terminologia:
para wodna
ciśnienie pary wodnej
ciśnienie pary nasyconej
niedosyt wilgotności
stosunek zmieszania
wilgotność bezwzględna
wilgotność względna
temperatura punktu rosy
całkowita zawartość wody w słupie powietrza
(PWC – precipitable water content)
psychrometr Augusta
psychrometr aspiracyjny Assmanna
parowanie (ewaporacja)
ewaporometr Wilda
transpiracja
ewapotranspiracja
różnica psychrometryczna
higrometr
higrograf
termometr suchy
termometr zwilżony
wilgotność właściwa