28. Виртуальная лабораторная работа по физике «Наблюдение за охлаждением воды при ее испарении и определение влажности воздуха» - https://efizika.ru/html5/28/indexe.html.

Цель работы: Убедиться на опыте, что при испарении вода охлаждается, и определить влажность воздуха.

Приборы и принадлежности: Два термометра, стакан воды комнатной температуры, кусочек марли, психрометрическая таблица.

28. Virtual laboratory assignments in physics «Investigation of Water Cooling by Evaporation and Determination of Relative Humidity» - https://efizika.ru/html5/28/indexe.html.

Purpose of work: To verify experimentally that water cools during evaporation and to determine air humidity.

Instruments and accessories: two thermometers, a beaker of water at room temperature, a piece of gauze, a psychrometric table.

Виртуальная лабораторная работа по физике

Тема: «Наблюдение за охлаждением воды при ее испарении и определение влажности воздуха»

Цели работы:

1. Наблюдать явление понижения температуры жидкости при её испарении.

2. Экспериментально определить относительную влажность воздуха на основе процесса испарения и охлаждения.

Оборудование (виртуальное):

• Стакан с водой комнатной температуры.

• Термометр электронный или спиртовой.

• Марля или кусок бинта для создания влажного термометра.

• Психрометрическая таблица.

• Штатив для закрепления термометра (опционально).

Часть 1: Наблюдение за охлаждением воды при испарении

Теоретическое обоснование:
Испарение — это процесс, при котором молекулы жидкости, обладающие достаточной кинетической энергией, покидают её поверхность. При этом из жидкости улетают самые быстрые молекулы, из-за чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Это приводит к понижению температуры жидкости. Данное явление лежит в основе работы простейшего гигрометра — психрометра.

Ход работы:

1. Измерение начальной температуры.

   • Запишите температуру воздуха в комнате, то есть начальную температуру воды. Это температура «сухого» термометра.

   • T_сухого = 25.0 °C (значение может быть другим в вашей виртуальной модели)

2. Создание «влажного» термометра.

   • Оберните резервуар термометра (шарик со спиртом) влажной марлей. Следите, чтобы марля была хорошо смочена, но с термометра не капала вода.

3. Наблюдение за процессом охлаждения.

   • Включите виртуальный вентилятор или обеспечьте обдув влажного термометра для усиления испарения.

   • Наблюдайте за показаниями термометра. Температура начнет понижаться.

   • Подождите, пока показания термометра перестанут уменьшаться и установятся на постоянном уровне. Это будет температура «влажного» термометра.

   • Запишите установившуюся температуру.

   • T_влажного = 18.5 °C (значение может быть другим в вашей виртуальной модели)

Вывод по части 1:
В ходе эксперимента мы наблюдали понижение температуры воды с 25.0 °C до 18.5 °C при её интенсивном испарении. Это подтверждает теоретическое положение о том, что испарение жидкости сопровождается её охлаждением, так как поверхность покидают наиболее энергичные молекулы.

Часть 2: Определение относительной влажности воздуха

Теоретическое обоснование:
Относительная влажность воздуха (φ) — это отношение фактической плотности водяного пара в воздухе (ρ) к плотности насыщенного пара при той же температуре (ρ_0), выраженное в процентах.

φ = (ρ / ρ_0) * 100%

На практике ее удобнее находить через парциальные давления:
φ = (p / p_0) * 100%
где p — парциальное давление водяного пара в воздухе, p_0 — давление насыщенного водяного пара при той же температуре.

Разность показаний сухого и влажного термометров (ΔT = T_сухого - T_влажного) называется психрометрической разностью. Чем интенсивнее испарение (и чем ниже влажность), тем больше эта разность. Для нахождения влажности используется психрометрическая таблица.

Ход работы:

1. Рассчитайте психрометрическую разность.

   • ΔT = T_сухого - T_влажного

   • ΔT = 25.0 °C - 18.5 °C = 6.5 °C

2. Определите относительную влажность с помощью психрометрической таблицы.

   • Найдите в таблице строку, соответствующую температуре сухого термометра (25 °C).

   • Найдите столбец, соответствующий психрометрической разности (6.5 °C). Так как точного значения 6.5 может не быть, возьмите ближайшее (например, 6.0) или проведите интерполяцию.

   • На пересечении выбранных строки и столбца найдите значение относительной влажности.

   Пример фрагмента таблицы для T_сухого = 25°C:

    

   ΔT, °C	0	1	2	3	4	5	6	7
   φ, %	100	91	82	74	66	58	50	43

   • Для ΔT = 6 °C влажность составляет 50%.

3. Запишите результат.

   • Относительная влажность воздуха в виртуальной лаборатории составляет approximately 50%.

Расчет влажности по формуле (альтернативный метод):
Для более точного расчета можно использовать формулу:
p = p_нв - A * P * (T_сухого - T_влажного)
где:

• p — парциальное давление водяного пара (которое мы ищем).

• p_нв — давление насыщенного пара при температуре влажного термометра (ищем по таблице давлений насыщенного пара для T_влажного = 18.5°C, например, p_нв ≈ 2130 Па).

• P — атмосферное давление (примем за 101300 Па).

• A — психрометрическая постоянная (0.000794 °C⁻¹ для влажного термометра в воздухе).

1. Рассчитаем:
   p = 2130 Па - 0.000794 * 101300 Па * (25.0 - 18.5)
p = 2130 Па - 0.000794 * 101300 * 6.5
p ≈ 2130 Па - 523 Па ≈ 1607 Па

2. Найдем давление насыщенного пара при температуре сухого термометра (T_сухого = 25.0°C). Из таблицы: p_0 ≈ 3167 Па.

3. Рассчитаем относительную влажность:
   φ = (p / p_0) * 100% = (1607 Па / 3167 Па) * 100% ≈ 50.7%

Вывод по части 2:
На основе экспериментальных данных (температура сухого термометра 25.0 °C, температура влажного термометра 18.5 °C) и расчетов с использованием психрометрической таблицы и формулы была определена относительная влажность воздуха в помещении. Оба метода дали схожий результат, примерно 50%. Это говорит о нормальной влажности воздуха.

Общий вывод по работе:

В ходе виртуальной лабораторной работы мы экспериментально подтвердили, что испарение воды сопровождается её охлаждением. На основе этого физического явления мы успешно определили относительную влажность воздуха в виртуальной лаборатории, которая составила около 50%. Работа демонстрирует прямую связь между интенсивностью испарения и влажностью окружающего воздуха.