XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влажность воздуха
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Федеральный закон N 96-ФЗ от 04.05.1999 «Об охране атмосферного воздуха» трактует понятие «воздуха» следующим образом – «Атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».
В атмосфере и соответственно в воздухе всегда присутствует вода, а именно водяной пар. Образуется он от испарений поверхностей океанов, рек, морей, водохранилищ. И наш человеческий глаз не способен его увидеть. Этот пар оказывает влияние на всю окружающую среду на: растения, животных, материалы, погоду, и на человека. Поэтому очень важно знать, как влажность в воздухе работает, ведь это касается и нашей жизни.
Цель исследования: Измерить влажность воздуха в школе. Сравнить показания относительной влажности воздуха психрометрического метода и датчика измерения относительной влажности. Применить способы повышения или понижения влажности воздуха для достижения оптимальной влажности. (слайд 2)
Задачи исследования:
Изучить литературу по теме «влажность воздуха».
Измерить влажность воздуха в разных школьных помещениях по психрометрическому методу и по датчику измерения влажности.
Сравнить показатели датчика измерения влаги с показателями психрометрического метода.
Сравнить влажность воздуха школы с санитарно-гигиеническими нормами.
Проанализировать и сделать выводы.
Описание методов решения задачи.
Методы исследования: изучение литературы, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.
Экспериментальное оборудование: ЛабДиск.
Средства обработки данных: составление таблицы и диаграммы. (слайд 3)
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (слайд 4)
Конденсация и Парообразование.
Для начала стоит разобраться в понятии процесса конденсации и парообразования.
Конденсация это переход из газообразного состояния в жидкость. Она начинается при уравновешивании температуры влаги и газа или при насыщении атмосферы влагой на 100%. Температура, при которой пар конденсирует, называется точкой росы.
Парообразование или испарение это переход из жидкости в газ. Активное парообразование происходит при кипении, не активное при естественном испарении жидкости. Физика объясняет это явление разницей температур на грани фазового перехода: жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха. Если нет каких-то внешних влияний, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость вследствие диффузии, они переходят через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газовых веществ поверхность раздела фаз массового потока.(См. Рисунок 1)(слайд 5-6)
Существуют различные состояния пара, зависящие от взаимодействия пара со своей жидкостью. Если жидкость, например, в закрытой банке начнет испаряться, то молекулы воды при испарении никуда не денутся и начнут конденсировать в эту же жидкость, таким образом, за равные промежутки времени испарение будет компенсироваться конденсацией, и пар, с жидкостью достигнут динамического равновесия. Такой пар называется насыщенным, если динамического равновесия нет, этот пар ненасыщенный. (См. Рисунок 2)(слайд 7) Водяной пар в воздухе является последним. Молекулы с поверхности океана вылетают в атмосферу и там остаются пока не конденсируют через дождь или снег, росу или иней. Однако между этими процессами большие промежутки времени, поэтому водяной пар всегда будет присутствовать в воздухе. (слайд 8)
Влажность воздуха и ее виды.
Влажность воздуха это величина характеризующая количество паров воды содержащихся в воздухе. Разделяют по методу определения на абсолютную влажность воздуха и относительную. (слайд 9)
Абсолютная влажность это количество влаги на один кубический метр воздуха. В воздухе много различных химических компонентов, и вода лишь одна из них. Рассчитывается эта величина отношением массы пара к объёму воздуха, единица измерения - килограмм, разделенный на метр кубический. Но живые организмы ощущают содержание воды относительно максимального значения, поэтому обычно используют другую влажность для обозначения количества влаги.
Относительная влажность - это величина, показывающая насколько пар насыщен, именно ее мы чаще используем. Она вычисляется отношением абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при данной температуре и умножением на 100%, единица измерения - проценты. Это удобней ведь необязательно знать температуру и самый влажный воздух будет всегда с 100% влажности, отклонения в процентах от этого более просто. (слайд 10)
Влияние влажности воздуха.
Как же влажность воздуха влияет на окружающую среду и на нас? Благоприятной относительной влажностью являются 40%-60%. В разных источниках различные указаны значения, но все они близки к 50%. (слайд 11)
Если низкая влажность воздуха: Для человека это очень вредно, он чувствителен к низкой влажности. Появляются симптомы: снижение иммунитета, повышение утомляемости, развитие хронических ринитов, раздражение слизистой оболочки, ухудшение состояния кожи, чувство раздражения глаз. Некоторые мебель и предметы способны высохнуть и трескаться. Для растений это тоже губительно, они высыхают. Связанно это с тем, что при низкой влажности воздуха она начинает всасывать влагу с окружающих предметов и живых существ.(слайд 12)
Если высокая влажность воздуха: У человека могут возникнуть кожные и респираторные заболевания (легких). Влияет плохо и на здания. При высокой влажности могут появиться плесень, грибок, и даже приводит к разрушению. Для электроники излишняя влага тоже иногда опасна.(слайд 13) Внутри отапливаемых помещений температура больше чем на улице, давление соответственно. Из-за этой разницы в давлении, теплый и влажный воздух стремится наружу через поры в материалах. Стены постепенно охлаждаются от внутренней до наружной поверхности, когда температура достигает точки росы, пар в промежутках конденсируется. Вода начинает увлажнять материалы, и они начинают терять способность сохранять тепло. Если разница невелика, то это не происходит, например, летом. (слайд 14)
Влияние на влажность воздуха.
На влажность воздуха влияет температура, влагосодержание, относительная влажность, плотность, давления и т.д. Взаимосвязь парциального давления с температурой особенно интересно.
Водяной пар обладает упругостью, то есть давлением. Оно зависит от его плотности и абсолютной температуры. Парциальное давление водяного пара это давление водяного пара в состоянии насыщения. В этом состоянии водяной пар имеет максимальное давление, которое возможно при данной температуре.
Есть в воздухе ограничение в количестве молекул влаги. С повышением температуры воздуха в нем растет максимальное количество молекул воды, которые могут в нем содержаться, и относительная влажность уменьшается. При понижении соответственно увеличивается. По-другому это объясняется тем, что в процессе нагрева воздуха парциальное давление водяных паров при полном насыщении ими воздуха начинает увеличиваться, потому что газ расширяется при нагреве. Учитывая это, при увеличении температуры воздуха его относительная влажность начинает снижаться. При охлаждении происходит обратный процесс. Давление уменьшается, воздух сжимается, относительная влажность увеличивается. (слайд 15)
Еще очень важно отметить, что при низкой относительной влажности воздуха, человек лучше переносит температуру, то есть жару и холода. Это связанно с тем что, например, летом наше тело охлаждает пот, за счет своего испарения, а при высокой влажности в воздухе и так много молекул, поэтому процесс испарения происходит намного дольше. Зимой при высокой влажности, что часто и бывает, пар имеет большую теплоемкость, чем воздух, влаге человек отдает свое тепло быстрее, поэтому нам холодно. Так же нам холоднее в любой сезон возле рек, морей, океанов, и т.д. (слайд 16)
Влажность воздуха в городах.
Теперь мне понятно, почему влажность воздуха так важна. Оптимальная влажность воздуха позволяет чувствовать комфорт человеку, растениям, здания не разрушаются. Однако влажность воздуха напрямую зависит от климата, на который мы повлиять, как нам удобно не можем. Но человек обычно привыкает к климату в своем регионе, что улучшает наше положение. Россия расположена в зоне повышенной влажности, и действительно, если посмотреть статистику городов РФ за любой год, можно заметить что средне годовалая влажность колеблется от 65-82% (Астрахань и Архангельск) в зависимости от года, в любом случае цифры больше нормы. В Волгограде значение принимает около 70%. (См. Таблица 1) И многим из нас вполне хорошо и уютно живется, чем человеку из другого климата.(слайд 17)
Если говорить про малую влажность воздуха это характерно для жарких стран. Например, в Кувейте, где очень бывает жаркая погода, что на улицу выйти не хочется, много проблем. Источники воды высыхают, растения погибают, если вдохнуть воздух слизистые уже начинают высыхать. Там самое жаркое лето было, и даже в этом городе люди живут и работают. К этому сложно привыкнуть, но люди научились спасаться от этого. (слайд 18)
Способы регулирования влажности.
Зная как регулировать влажность воздуха, человек может сделать свою жизнь гораздо комфортнее.
В России достаточно во влажном климате и в Кувейте с очень сухим климатом, очень спасают кондиционеры. Они могут быть установлены в машине, на улице, дома, в общественных местах и благоприятно влияют на микроклимат при правильном использовании.
Есть и другие примеры. Для увлажнения помещений есть увлажнители, которые распыляют водяной пар из воды, и осушители, которые поглощают влагу и выделяют тепло. Очень полезно проветривание и при том и при другом процессе. Вытяжка и сам вентилятор хорошо справляются с поглощением влаги. Растения могут повысить влажность, наличие аквариума и влажная уборка тоже хорошо с этим справляется. (слайд 19)
Важны и материалы, которыми делают здания. При низкой влажности это никак не влияет. При высокой влажности используются в стройке невпитывающие, непористые материалы, Чаще каркас для домов с ним делают из дерева, подоконник из полимерных досок, фасады вентилируемые.
В городской среде от излишней влажности избавляются двумя методами механическими и химическими. Механическим с помощью теплообменника, химическим с помощью устройства, называемым деликатный осушитель. В нем воздух пропускается через вещество с высокими гигроскопическими свойствами (поглощение влаги из воздуха). Насыщенное водой вещество проходит стадию регенерации, это сушка при сравнительно высокой температуре. Методов увлажнения несколько: разбрызгивание, паровой, ультразвуковой. Разбрызгивание это использование оросителей низкого или высокого давления. Вода в них под давлением переходит в форсунки, при выходе, ее давление резко падает, и жидкость превращается в водяное облако. В паровых увлажнителях вода превращается в пар под действием нагревателя. Ультразвуковой метод используется либо автономным прибором, либо в кондиционерах. Эти увлажнители создают высокое давление, под этим давлением вода принимает автоматизированное состояние, атомы превращаются в капли маленькие, они присоединятся к потоку воздуха.
Приборы измерения влажности.
Существует множество способов, как узнать влажность воздуха, рассмотрю несколько из них.
Психрометр. (См. Рисунок 3) Психрометр – это измерительный прибор, применяемый для определения температуры и влажности воздуха. Самые простые психрометры это два термометра. Один из них обмотан смоченной хлопчатобумажной тканью, а второй остается сухим. Чтобы ткань оставалась влажной, предусмотрена емкость с водой, в которой находится ее конец. Чем ниже относительная влажность окружающего воздуха, тем более интенсивно испаряется вода из ткани. Сняв показания с двух термометров и узнав разность их температуры необходимо воспользоваться специальной таблицей. (См. Таблица 2)(слайд 20) По вертикали показания сухого термометра, а по горизонтали разность температур. Сопоставив линии можно получить показания относительной влажности. Этот метод можно использовать отдельно меря температуру сухим термометром, и обвивая наконечник влажной ватой или другой хлопчатобумажной тканью, мокрым термометром, и по психрометрической таблице так же определить относительную влажность.(слайд 21)
Гигрометр. (См. Рисунок 4) Гигрометр - точный измерительный прибор, предназначенный для определения уровня влажности в воздухе или в других газах. Существуют такие виды гигрометров как: волосные, пленочные, весовые, керамические, конденсационные, электронные, психрометрические. Сконцентрирую внимание на самом интересном, волосном гигрометре. Принцип действия волосяного гигрометра основывается на естественном изменении длины волоса в зависимости от влажности окружающей среды. Чем больше влажность, тем длиннее волос, и наоборот, чем ниже влажность, тем меньше волос. Ослабляясь или натягиваясь, волос влияет на шкив, который влияет на стрелку и отклоняет ее по шкале, показывающая относительную влажность. Это один из древних и первых приборов для измерения влажности воздуха. Конструкция хрупкая, волос может порваться и восстанавливать прибор будет сложно, поэтому на данный момент его обычно не используют. (слайд 22)
Есть и другие способы измерения влажности воздуха, самодельные, они определяют, повышена, понижена или в норме влажность воздуха.
Для первого способа нужен стакан с водой и холодильник. Нужно наполнить почти до конца прозрачный стакан водой, и охладить его в холодильнике до температуры 3-5 °С. Вытащить его из холода и оставить в интересующей комнате на 5-8 минут. Если воздух сухой, тогда на стенках появится ненадолго конденсат, если влажный, то стакан покроется каплями, если нормальная влажность, то со стаканом ничего не произойдет. (См. Рисунок 5)
Второй способ связан с естественным раскрытием и сжатием шишки даже в помещении. Можно просто оставить ее вдали от отопительного прибора и наблюдать за ней. Если шишка раскроется, то воздух сухой, если чешуйки прижмутся, то воздух влажный, если останется в исходном положении, то влажность нормальная. (См. Рисунок 6)
Практическая часть.
Зимой бывает мне очень холодно, а летом слишком жарко, и, зная теперь взаимосвязь этого и влаги, я задумывалась, как можно сделать положение лучше. Летом и так обыкновенно низкая влажность, но зимой, чтобы на улице было меньше влаги, возможно, можно самое простое убирать снег, чтобы не было испарения от него, и использовать тепловентиляторы или осушители, которые будут давать тепло и забирать влагу. Однако это очень сложно, невыгодно, всего лишь теория, зима без снега мало кого обрадует, а еще это вмешательство в естественную природу и часто причина в сильном холоде это ветер. Поэтому легче сотрудничать с погодой и управлять микроклиматом помещений, в которых мы находимся обычно больше времени. Если сконцентрироваться на зданиях я много времени нахожусь дома, в школе. И меня заинтересовало, какая влажность в моей школе, в которой я провожу огромное количество времени и учусь. И если слишком много или мало водяного пара в воздухе, как можно сделать влажность оптимальной. (слайд 23)
Чтобы решить эту задачу, я измерила относительную влажность воздуха в таких помещениях школы как: спортзал, столовая, медицинский кабинет, библиотека, два кабинета физики. Использовала я ЛабДиск, то есть датчик измерения влажности, и термометр. (См. Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9)(слайд 24)Показатели относительной влажности датчик показывал сразу. Для психрометрического метода я подключила наконечник термометра, сначала измерила температуру сухим термометром, потом обернула мокрой хлопчатобумажной тканью, подождала несколько минут и в итоге измерила мокрым термометром температуру. Использовать спиртовой термометр для большей точности у меня не получилось. По психрометрической таблице я узнала относительную влажность. Получилось следующее. (См. Таблица 3 (значения округлены))(слайд 25)
Показатели относительной влаги датчика влажности и психрометрического способа отличаются более чем в два раза. Тут два варианта, либо датчик имеет погрешности, либо психрометрический метод с электрическим термометром работает не точно. Однако в школе я чувствую себя хорошо. Имеет место быть, что обе теории верны, и значения датчика немного выше, а значения психрометрического метода ниже. Могу сделать вывод, из такой большой разницы показателей, что и датчик и психрометрический способ электрическим термометром имеют погрешности. (слайд 26)
Потом я сравнила полученные значения с нормой. По требованиям ГОСТа и СанПиН в школе влажность должна быть в пределах 40-60%. Но в зимнее время оптимальная влажность 30-45% с максимальным 60%. Исходя из этого я сравнила значения из таблицы с нормой. (См. Таблица 4 (за норму принято значение 45% между 30% и 60%)) Получилось так, что по датчику в норме только влажность в столовой, остальная низкая, а по психрометрическому методу влажность высокая во втором кабинете физики и в столовой, остальная в норме. Сделаю вывод, что в моей школе влажность примерно в норме, возможно низкая.(слайд 27)
После этого стоило бы попробовать сделать влажность в школе оптимальной, но из-за неточности измерений сделать это не получится. Если бы влажность была пониженной, тогда помогло бы самое простое - влажная уборка, если повышенная, то время для вентиляции и проветривание выполнили бы свою работу. (слайд 28)
Анализ полученных результатов.
В этой работе я выяснила, что показатели датчика влажности и психрометрического метода электрическим термометром, сильно отличаются и имеют погрешности. Выяснила, что влажность в моей школе примерно в норме. (слайд 29)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ (слайд 30)
В заключение хочется сказать, что влажность воздуха оказывает большое влияние на человека и на окружающую среду, и нужно держать ее примерно в норме. Но для каждого человека эта норма может быть разной, кому то в помещении с 80% влажности нормально, а кто-то не сможет этого вынести. Во многом это зависит от климата, в котором мы растем и живем. Люди привыкают к нему, и какой бы он ни был, способны в нем жить. Но это не значит, что надо пренебрегать влажностью воздуха, даже если мы не будем чувствовать, влажность все равно будет влиять на нас. Для всех людей лучше держать ее в норме, и для нас, и для животных, и для растений, и для предметов в том числе. (слайд 31)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (слайд 32)
https://www.c-o-k.ru/articles/upravlenie-vlazhnost-yu-okruzhayuschey-sredy
https://ekolog.org/books/42/3_2.htm
https://blog-rieltora.ru/materialy/komfortnaya-vlazhnost-na-ulice-dlya-cheloveka.html
https://dzen.ru/a/XKB1JyruBACz0bvN
https://gilsocmin.ru/ru/content/%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F-%D0%B2%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0-%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8
https://www.bako.ru/blog/vliyanie-kolebanij-vlazhnosti-v-pomeshhenii-na-otdelochnye-materialy
https://dzen.ru/a/XfzI9D0AiAC1VTZA
https://dzen.ru/a/Y1zTI7zoOTY8swku
https://nolvoprosov.ru/cities-countries/333893
https://kulturologia.ru/blogs/231222/55044/
https://dj-sensor.ru/chem-vyshe-vlazhnost-tem-holodnee-ili-teplee/
https://studfile.net/preview/10032370/page:4/
https://xn----8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai/%D0%B2%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%B0.html
https://studopedia.org/4-58939.html
http://www.pogodaiklimat.ru/climate/34560.htm
https://dzen.ru/a/YRVH54ocXh88bkxL
https://o-vode.net/kakaya-byvaet/agregatnye-sostoyaniya/paroobrazovanie/kondensatsiya
https://o-vode.net/kakaya-byvaet/agregatnye-sostoyaniya/paroobrazovanie
https://totalkip.ru/articles/primenenie_psihrometricheskogo_metoda_izmereniya_vlazhnosti_v_promyshlennosti
https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/bagregatnye-sostoyaniya-vewestvab/vlazhnost-vozduha-sposoby-opredeleniya-vlazhnosti-vozduha
https://legenda-spb.com/blog/vlazhnost-vozduha-i-ego-svojstva
https://laboratoria.by/stati/temperatura-i-vlazhnost
https://kakrabotaet.ru/princzip-raboty/princzip-raboty-psihrometra/
http://echome.ru/volosyanoj-gigrometr.html
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рисунок 1
Рисунок 2
Таблица 1
Рисунок 3
Таблица 2
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Таблица 3
|
Помещения |
Относительная влажность датчика влажности, % |
Относительная влажность психрометрического метода, % |
|
Спортзал |
25 |
56 |
|
Столовая |
32 |
64 |
|
Медицинский каб. |
21 |
40 |
|
Кабинет Физики 1 |
28 |
43 |
|
Кабинет Физики 2 |
27 |
65 |
|
Библиотека |
20 |
49 |
Таблица 4
10