Изотермическая атмосфера Руководитель проекта: Ломаченков И.А. Участники проекта: Газизов Данияр Сидорчук Дмитрий Егорова Татьяна Слунечкова Магдалена Матвеев Дмитрий Петров Захар Цели проекта Изучение распределения паров воды внутри специальной трубы; Оценка коэффициента диффузии водяных паров. 250 см Оценка времени установления концентрации водяных паров по высоте трубы 100 см После того, как в емкости была залита вода, в трубу был установлен психрометр. Время t, за которое влажность воздуха стала повышаться на высоте 1 м, примерно 1 час. Это значит, что пары воды достигли высоты в 1 м примерно за 1 ч. Оценка времени установления концентрации водяных паров по высоте трубы Как показывают расчеты, время, которое необходимо хаотически движущимся молекулам воды, чтобы достичь высоты h, пропорционально квадрату высоты. Следовательно, для двух разных высот h1 и h2: t2 t1 h2 h1 2 Согласно измерениям, на высоте h1≈1 м время установления влажности t1≈1 ч. На высоте же h2 =2,5 м (высота трубы) время установления влажности: 2 t2 = 1ч*(2,5/1) ≈ 6 ч Концентрация водяных паров 3 2 Для измерения относительного хода распределения концентрации водяных паров по высоте трубы используем установку с лазерной указкой (1) и чувствительным светоиндикатором (2), подключенным к мультиметру (3). 1 Концентрация водяных паров При увеличении концентрации водяных паров в трубе интенсивность рассеивания лазерного луча тоже будет увеличиваться, (показания мультиметра – уменьшаться). Проведя несколько измерений, можно будет судить о распределении паров воды в трубе: Результаты эксперимента Показания мультиметра 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 Высота (см) 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Концентрация водяных паров По характеру поведения кривой можно сделать вывод, что концентрация водяных паров уменьшается с высотой, причем более всего изменения заметны вблизи поверхности воды. С помощью психрометра определим распределение относительной влажности по высоте трубы: 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 Показания психрометра (%) Результаты эксперимента Высота (см) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Концентрация водяных паров Итак, результаты измерений распределения водяных паров по высоте трубы, выполненные с помощью лазера и психрометра, согласуются. Оценка массы испарившейся воды Установим узкую пробирку, доверху наполненную водой и заметим, на сколько мм опустился уровень воды в пробирке за сутки. Изменение уровня составило примерно 0,5 мм. Измерив площадь сечения пробирки (7 см2) и площадь поверхности воды в двух подносах (2000 см2) нетрудно получить оценку массы испарившейся за сутки воды ΔМ= плотность воды*изменение объема =70 г (за сутки) Оценка коэффициента диффузии - D Используем формулу: нп Δφ ΔМ=-D ––––– St, где ΔМ – масса испарившейся воды, Δh S – площадь поперечного сечения трубы, t – время наблюдения, нп – плотность насыщенного пара при комнатной температуре, Δφ – изменение относительной влажности по высоте трубы, Δh – изменение уровня измерений в трубе Теперь выразим D и найдем его значение: D= -(ΔМ Δh)/(St нп Δφ). -4 2 получим оценку D: Подставив численные значения, D≈3.4*10 м /с Выводы Опытным путем установлен характер распределения водяных паров по высоте трубы; Установлено, что значительное изменение влажности наблюдается только в пределах 0,5 м от поверхности воды; Полученная оценка коэффициента диффу-зии D≈3.4*10-4 м2/с существенно отличается от табличного значения (Dтабл≈0.21*10-4 м2/с, при 0 С и нормальном атмосферном давлении) Как показали дополнительные измерения, это различие обусловлено неправильной оценкой скорости испарения воды. Она оказалась завышенной в несколько раз.