Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Opisane ćwiczenie laboratoryjne do wykonania
Typologia: Laboratoria
1 / 16
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Instrukcja do ć wiczenia T-
WAT Warszawa 2007
1. Pomiar wilgotno ś ci gazu.
1.1. Powietrze wilgotne - wprowadzenie. Powietrze jest przykładem roztworu gazowego, w którym jednym ze składników jest para wodna. Mianem wilgotności powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Para wodna w powietrzu pochodzi z parowania zachodzącego ze swobodnych powierzchni wodnych i powierzchni lądowych (gruntu, roślinności...). Ze względu na skomplikowany charakter zależności wilgotności powietrza od temperatury powietrza, stosuje się szereg różnych miar, charakteryzujących wilgotność Ilość pary wodnej w powietrzu wilgotnym przy ustalonym ciśnieniu i temperaturze jest zmienna, stąd, aby określić stan powietrza wilgotnego należy podać zawartość wilgoci. Do tego celu służą następujące wielkości: Pr ęż no ś ci ą pary wodnej: określa ciśnienie parcjalne (cząstkowe), wywierane przez parę wodną w powietrzu. Jednostką pomiaru jest hPa. Można to wyobrazić sobie jako różnicę ciśnienia w zamkniętej objętości powietrza i bez zmiany jego temperatury przed i po całkowitym usunięciu z tej objętości znajdującej się pary wodnej. Nie można zmieszać dowolnej ilości pary wodnej z dowolną ilością powietrza (tak, jak to można zrobić na przykład z azotem i tlenem). Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej może "rozpuścić się" w powietrzu. Maksymalną ilość pary wodnej, jaką jest w stanie zawierać powietrze w danej temperaturze określa się mianem pr ęż no ś ci maksymalnej lub pr ęż no ś ci ą pary nasyconej i oznacza zazwyczaj symbolem E. Wartości E w funkcji temperatury powietrza przedstawia tabela poniżej (tab. 1).
Tab.1. Wartości prężności maksymalnej pary wodnej (hPa) w funkcji temperatury powietrza (°C) t (°C) E (hPa) t (°C) E (hPa) 50 123,3 0 6, 45 95,77 -5 4, 40 73,72 -10 2, 35 56,20 -15 1, 30 42,41 -20 1, 25 31,66 -25 0, 20 23,27 -30 0, 15 17,05 -35 0, 10 12,28 -40 0, 5 8,72 -45 0,
Na podstawie tabeli 1 można stwierdzić, że zależność E = f (t) jest silnie nieliniowa. W niskich temperaturach już minimalna ilość pary wodnej nasyca powietrze natomiast w wysokich temperaturach do nasycenia powietrza potrzeba bardzo dużo pary wodnej. Prężność pary wodnej, jaka występuje w danej chwili w powietrzu nazywa się pr ęż no ś ci ą aktualn ą i oznacza zazwyczaj symbolem e. Prężność aktualna w atmosferze zmienia się stosunkowo powoli, aby wzrosła, musi wzrosnąć również zawartość pary w powietrzu. Proces parowania, który dostarcza pary wodnej do powietrza jest procesem energochłonnym, przez to powolnym. Zmniejszenie zawartości pary wodnej w powietrzu jest związane z wystąpieniem procesów kondensacji. Różnicę, między prężnością maksymalną (E) w temperaturze powietrza, w której została zmierzona prężność aktualna a wartością prężności aktualnej (e), wyrażona w hPa:
temperatura punktu rosy tego powietrza spadnie do 0°C, prężność aktualna do 6.1 hPa a wykropleniu uległa taka ilość wody, która odpowiada zmniejszeniu wilgotności powietrza o 6. jednostek prężności. Tak więc, w analizowanym przypadku, z chwilą, gdy powietrze osiągnęło wilgotność względną równą 100%, czyli temperaturę punktu rosy zachodzące procesy kondensacji powodujące zmianę stanu skupienia wody w powietrzu, przy dalszym spadku temperatury powietrza powodują utrzymywanie się wilgotności względnej na poziomie 100% i obniżanie się ilości pary wodnej w powietrzu. Spada przy tym, tak samo jak i temperatura powietrza, temperatura punktu rosy. Przedstawiony przykład oczywiście upraszcza rzeczywistość. W przypadku bardzo szybkiego spadku temperatury powietrza może zaistnieć sytuacja, że wilgotność względna będzie wyższa od 100%, co można wytłumaczyć "nienadążaniem" procesów kondensacji za spadkiem temperatury powietrza. Należy jednocześnie zwrócić uwagę, że bardzo wszechstronną miarą wilgotności powietrza może być para temperatur - temperatura powietrza (tp) i temperatura punktu rosy tego powietrza (td). Należy zauważyć, że temperatura powietrza nie może być niższa od jego temperatury punktu rosy. Jeśli wyobrazimy sobie procesy kształtowania wilgotności powietrza, bez zmian ilości pary wodnej w powietrzu, związane ze zmianami temperatury tego powietrza w ten sposób, że obie te wartości znajdują się na osi liczbowej, to temperatura punktu rosy (td) będzie stała w miejscu na osi (zależy jedynie od e). Wzrost temperatury (tp) spowoduje oddalenie tp od td, spadek temperatury zbliżenie tp do td. W ten sposób różnica temperatury powietrza i temperatury punktu rosy informuje nas o tym, jaka jest wilgotność względna (duża różnica - mała wilgotność, mała różnica - duża wilgotność, czyli powietrze bliskie nasycenia parą wodną). W każdym momencie wiemy, jaki spadek temperatury doprowadzi do początków wystąpienia procesów kondensacji. Jeśli znamy prognozowaną wielkość spadku temperatury, natychmiast możemy ocenić, czy nastąpią procesy kondensacji, czy też nie nastąpią. Wilgotnością względną często natomiast operuje się w celach praktycznych - na przykład w warunkach przewozu szeregu ładunków, pracy mechanizmów i urządzeń, warunków przebywania ludzi, etc. określa się wartości wilgotności względnej (od - do) które muszą być zachowane. Gdybyśmy wrócili do omawianego przykładu i zastanowili się, co się będzie działo w sytuacji, gdy ochłodzone do temperatury 0°C nasze powietrze zacznie się ponownie nagrzewać, to zauważymy, że w powietrzu tym prężność aktualna pary wodnej jest równa 6.1 hPa. W tym przypadku, wzrost tempertury spowoduje wzrost wartości E i jego wilgotność względna zacznie maleć. Temperatura punktu rosy tego powietrza pozostanie równa 0°C tak długo, jak nie zacznie się proces parowania mikrokropel znajdujących się w jego objętości. Proces parowania wymaga jednak dostarczenia do układu bardzo dużych ilości energii (ciepła; patrz "procesy kondensacji"). Bez dostarczenia tej energii, parowanie nie nastąpi i zawartość pary wodnej w powietrzu pozostanie bez zmian. Jak widzimy, procesy te nie są symetryczne (w pełni odwracalne), temperatura punktu rosy może spaść (obniżyć się) w wyniku ochłodzenia temperatury powietrza i występujących procesów kondensacji, ale bez powtórnego wzbogacenia powietrza w parę wodną temperatura punktu rosy nie wzrośnie. Oprócz wymienionych miar wilgotności powietrza stosuje się szereg innych, z których najważniejsze to: wilgotno ść absolutna: informująca ile kg pary wodnej znajduje się w 1 m^3 powietrza (przy czym nie bierze się pod uwagę występujących ewentualnie produktów kondensacji - wody w stanie ciekłym lub stałym). Wilgotność absolutna (a) jest związana z prężnością aktualną (e, hPa) następującą zależnością: a = 0.8 * (e / (1 + m*t)) (3)
gdzie:
m - współczynnik objętościowego rozszerzania gazów równy 1/273, t - temperatura powietrza w °C.
współczynnik zmieszania ( r ), określający stosunek masy pary wodnej do masy powietrza suchego, znajdującego się w danej objętości wilgotnego powietrza (g / kg), obliczany jako funkcja prężności aktualnej (e) i ciśnienia atmosferycznego (p):
r = 622 * (e / (p - e)) (4) gdzie: p - ciśnienie atmosferyczne (hPa).
Temperatura suchego termometru (ts) jest to temperatura mieszaniny parowo-gazowej wyznaczona przez zanurzenie w niej termometru, którego czujnik nie jest zwilżony.
Temperatura mokrego termometru (tm) jest to temperatura równoważna, osiągana przez małą ilość cieczy odparowującej do dużej (masy) nienasyconej mieszaniny powietrza z parą wodną.
Wilgotno ść bezwzgl ę dna masowa (X) (wilgotność absolutna, zawartość wody) oznacza masę pary wodnej przypadającej na 1 g suchego powietrza:
sp
pw m
m X = (5)
gdzie: mpw - masa pary wodnej w kg, msp - masa suchego powietrza w kg.
Wilgotno ść bezwzgl ę dna obj ę to ś ciowa (ρpw) (rzadziej stosowana) jest to masa pary wodnej przypadająca na jednostkę objętości powietrza wilgotnego:
mpw
gdzie: mpw - masa pary wodnej w kg, V - objętość powietrza wilgotnego w m3. Jest to gęstość pary wodnej zawartej w gazie pod jej ciśnieniem cząstkowym ppw i w temperaturze mieszaniny. Maksymalna wilgotność objętościowa równa się gęstości pary nasyconej w danej temperaturze.
Wilgotno ść wzgl ę dna powietrza (ϕ) (inaczej definiowana) jest to stosunek wilgotności bezwzględnej objętościowej rzeczywistej do maksymalnej w tej samej temperaturze:
pwnas T
pw
ρ
ρ ϕ (7)
gdzie: mpw - masa pary wodnej w kg, V - objętość powietrza wilgotnego w m3.
Prawo Daltona Przy wartościach ciśnienia P i temperatury T odległych od warunków krytycznych powietrze suche i para wodna zachowują się jak gazy doskonałe p = psp + p pw (8)
gdzie: ppw - ciśnienia pary wodnej, msp - ciśnienie powietrza suchego,
czujników jest podobna - wskutek pochłaniania wilgoci zmieniają się w pewnym stopniu własności elektryczne tego czujnika. Zmiany tych własności są odpowiednio przetwarzane na sygnał elektryczny. Metody radiometryczne - pomiar wilgotności gazu tą metodą opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania podczerwonego o określonej długości fali przez parę wodną zawartą w gazie. Metody higroskopowe - najbardziej znanym higrometrem jest higrometr włosowy. W higrometrze tym jest wykorzystane zjawisko zmiany długości włosa w zależności od stopnia nasycenia go wilgocią. Przyrost długości włosa w zakresie wilgotność względnej 0 - 100 % jest rzędu ok. 2.5 %. Zakres stosowania higrometrów włosowych ograniczony jest do czynników o temperaturze nie przekraczającej 50°C. Nie ma takiego ograniczenia co do najniższych wartości temperatury w jakich może on być stosowany. Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zwilżenia powietrza higrometrem izochorycznym.
1.3. Sposób pomiarów powietrza wilgotnego
a) Zbiorniczki z rtęcią dwóch szklanych termometrów owinąć gazą (dwa zwoje), a następnie każdy z nich należy zanurzyć w wodzie o temperaturze mniejszej od temperatury otoczenia i większej od temperatury otoczenia. Termometry umieścić w nieruchomym powietrzu i notować ich wskazania w funkcji czasu - co 30 sekundy. Odczyty prowadzić do momentu ustabilizowania się warunków, jednak nie krócej niż 15 minut. b) W czasie doświadczenia należy również mierzyć temperaturę powietrza trzecim termometrem, którego zbiorniczek z rtęcią nie jest owinięty gazą. c) Czynności opisane w punkcie a należy powtórzyć umieszczając tym razem termometr suchy i termometry mokre w strudze powietrza wypływającego z wentylatora. Pomiary wykonać w taki sam sposób jak w punkcie a i b. d) Z barometru znajdującego się w laboratorium odczytać wartość ciśnienia – przed pomiarami oraz po ich zakończeniu
1.4. Opracowanie wyników – wilgotno ść powietrza a) Narysować przebieg zmian temperatury termometru mokrego tm, termometru suchego ts oraz różnicy temperatur t ∆ dla poszczególnych przypadków. b) Określić poszczególne wielkości podane we wzorze do sprawozdania dla Psychometru Augusta oraz psychometru Asmana (o ile badanie było przeprowadzone). c) Porównać i ocenić otrzymane wyniki dla zwilżania wodą ciepłą i zimną. d) Porównać i ocenić otrzymane wyniki dla poszczególnych psychometrów.
2. Ciepło topnienia lodu – przemiany fazowe.
2.1. Ciepło topnienia lodu - wprowadzenie
W czasie topienia ciało stałe pochłania ciepło. Celem doświadczenia jest wyznaczenie ciepła topnienia lodu q , czyli ciepła potrzebnego do stopienia jednego grama lodu. Badane zjawisko sprowadza się do stopienia kostki lodu wrzuconej do podgrzanej wody. Pomiary polegają na wyznaczeniu spadku temperatury podgrzanej wody mw spowodowanego stopieniem kostki lodu o masie ml. W celu wyznaczenia spadku temperatury badamy przebieg zależności temperatury wody w czasie topienia się kostki lodu wrzuconej do tej wody. ∆ t = t max − t min (11)
W czasie topienia woda mw traci ciepło: Q (^) w = mwcw ∆ t = mwcw ( t max − t min) (12)
lód pobiera ciepło na stopienie: Qt = mw q (13)
woda powstała z stopionego lodu pobiera ciepło: Qwl = mlcwt min (14)
gdzie: cw - ciepło właściwe wody, mw - masa wody, ml - masa lodu q - ciepło topnienia lodu.
Ciepło tracone przez wodę musi być równe sumie ciepła pobranego przez lód: Qw = Qt + Q wl (15)
Po podstawieniu mamy: m (^) w cw ( t max − t min)= mlq + mlcwt min (16)
skąd można obliczyć ciepło topnienia lodu q:
l
w l w w m
m m t mt q c max min
Masa lodu jest zazwyczaj mała w stosunku do początkowej masy wody w kalorymetrze dlatego też błąd popełniany z temperaturą lodu jest niewielki.
2.2. Sposób wyznaczania ciepła topnienia lodu.
2.3. Opracowanie wyników – ciepło topnienia lodu
6. Tabele pomiarowe 6.1. Pomiary powietrza wilgotnego Psychometr 1, Po= ..............[ ] Psychometr2, Po= ..............[ ] Nr tm [oC]
tm [oC]
tm [oC]
ts [oC]
tm [oC]
tm [oC]
tm [oC]
ts [oC] 1 2 3 4 5 6 7 8 9
6.2. Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Nr Czas [s]
tw [oC]
Nr Czas [s]
tw [oC] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30
Wielkość Oznaczenie Jednostka Pomiar 1 Pomiar 2
Masa kalorymetru m 1 = [ ] Masa kalorymetru z wodą
m 2 = [ ]
Masa kalorymetru z wodą i lodem
m 3 = [ ]
Początkowa temperatura
tp = [ ]
Końcowa temperatura tk = [ ]
**2. Schematy stanowisk
4. Wzory stosowane do oblicze ń **i przykładowe obliczenia:
Wielkość Oznaczenie Jednostka Pomiar 1 Pomiar 2
Masa wody mw = [ ] Masa lodu ml = [ ] Przyrost temperatury (^) ∆t = [ ] Obliczone ciepło topnienia q = [ ] Odczytane z tablic ciepło topnienia lodu
qt = [ ]
Błąd bezwzględny ciepła topnienia lodu
∆q [^ ]
Błąd względny ciepła topnienia lodu
∆q% [^ ]
6. Wnioski:
