Дослідження зміни відносної вологості повітря залежно від температури за різних умов

Блок 1. Резюме

Предметна галузь: термодинаміка.
Робота спрямована на експериментальне дослідження зміни відносної вологості повітря залежно від температури в ізохорному та ізобарному процесах.
Мета роботи: експериментально дослідити зміну відносної вологості повітря залежно від температури за різних умов.
Завдання роботи: створити автономний цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense та експериментально визначити зміну відносної вологості повітря у %/℃ за ізохорної та ізобарної зміни температури.

Блок 2. Попередня інформація

Рис. 1. Приклад автономного цифрового вимірювального комплексу на Arduino Nano 33 BLE Sense

Вологість повітря характеризується вмістом у ньому водяної пари.

Існують два способи кількісної оцінки вологості повітря:
1. Абсолютна вологість – це маса водяної пари, що утримується у одиниці об’єму повітря.
2. Відносна вологість – це відношення фактичного значення абсолютної вологості до її максимального значення за заданої температури. За відносної вологості 100% у повітрі може відбутися конденсація водяної пари з утворенням туману та випаданням води. Температура, за якої це відбувається, називається точкою роси.
Відносна вологість повітря може бути визначена за формулою:

(1)

де p(H2O) – парціальний тиск водяної пари у повітрі,
p*(H2O) – рівноважний тиск насиченої пари.

За ізобарного (коли тиск постійний) збільшення температури, за незмінного значення абсолютної вологості повітря його відносна вологість зменшується, що пов’язано зі зростанням тиску насиченої водяної пари.
Для вимірювань відносної вологості повітря і температури зручно скористатися цифровим вимірювальним комплексом (ЦВК) на Arduino Nano 33 BLE Sense з автономним живленням. Створення ЦВК на цій платформі детально описано у методиці «Цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense (Варіант 1)».
Схема підключення автономного живлення до плати Arduino Nano 33 BLE Sense представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Схема підключення автономного живлення до плати Arduino Nano 33 BLE Sense

Приклад автономного цифрового вимірювального комплексу зображено на рис. 1. Напруга батареї живлення може бути в межах 5…18 В.
Приклад використання автономного ЦВК для дослідження зміни відносної вологості повітря в ізобарному та ізохорному процесах зображено на рис. 3.

Рис. 3. Приклад використання автономного ЦВК для досліджень ізобарного (а) та ізохорного (б) процесів

Досліджувана проблема – з’ясувати, як змінюється відносна вологість повітря за ізохорного (коли об’єм постійний) збільшення температури і порівняти її з відповідною зміною за ізобарного збільшення температури.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу опанувати процес виконання роботи: відносна вологість повітря, ізобарний процес, ізохорний процес.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:
1. Сиротюк В. Д. Фізика (рівень стандарту, за навч. програмою авт. колективу під керівництвом Ляшенка О.І.) : підруч. для 10-го кл. закл. заг. серед. освіти / В. Д. Сиротюк. – Київ : Генеза, 2018. — 256 с. : іл.
2. Атамась А. І. Методика виконання лабораторної роботи. Цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense. [Електронний ресурс] / Артем Іванович Атамась // STEM-лабораторія МАНЛаб. – 2021. – Режим доступу до ресурсу: https://stemua.science/.

Блок 3. Обладнання

– плата Arduino Nano 33 BLE Sense;
– макетна плата;
– перемички;
– вимикач;
– гальванічні елементи живлення;
– тримачі елементів живлення;
– кабель USB – micro-USB;
– смартфон з ОС Android;
– ПК;
– скляна банка з герметичною кришкою;
– поліетиленовий пакет;
– гумове кільце.

Основні терміни та поняття

ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА (ІЗОБАРНИЙ ПРОЦЕС) – ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ (ГАЗОВІ ЗАКОНИ) ЗАКОН ШАРЛЯ (ІЗОХОРНИЙ ПРОЦЕС) – ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ (ГАЗОВІ ЗАКОНИ) Arduino Nano 33 BLE Sense ARDUINO SCIENCE JOURNAL Температура. Вимірювання температури – Теплота й молекулярна фізика ТЕМПЕРАТУРА. ТЕРМОДИНАМІЧНА ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР І ЇЇ ЗВ’ЯЗОК З ТЕМПЕРАТУРОЮ ЗА МІЖНАРОДНОЮ ШКАЛОЮ Температурні шкали – Теплота й молекулярна фізика ВОЛОГІСТЬ ПОВІТРЯ (АБСОЛЮТНА І ВІДНОСНА). ТОЧКА РОСИ – ВЛАСТИВОСТІ ПАРИ

Блок 4. Експериментальна процедура

1. Відповідно до методики «Цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense (Варіант 1)» створіть ЦВК на Arduino Nano 33 BLE Sense.
2. Складіть автономний ЦВК відповідно до схеми на рис. 2.
3. Увімкніть ЦВК та помістіть його у скляну банку. Накрийте банку поліетиленовим пакетом і зафіксуйте його гумовим кільцем (рис. 3а).
4. У мобільному додатку Arduino Science Journal підключіться до датчиків температури та відносної вологості повітря і запустіть запис даних.
5. Почніть нагрівати банку шляхом її часткового занурення в більшу ємність з окропом або за допомогою фену.
6. Коли температура повітря в банці, за даними вимірювань, наблизиться до 45…50 ℃, припиніть нагрівання.
7. Зачекайте декілька хвилин і зупиніть запис експерименту.
8. Збережіть експеримент у мобільному додатку Arduino Science Journal. Ви здійснили вимірювання зміни відносної вологості повітря і температури за ізобарного нагрівання повітря.
9. Розкрийте банку, дайте їй охолонути.
10. Закрийте банку герметичною пружною кришкою (рис. 3б).
11. У мобільному додатку Arduino Science Journal створіть наступний експеримент і повторіть кроки 4 – 8. Ви здійснили вимірювання зміни відносної вологості повітря і температури за ізохорного нагрівання повітря.
12. Розкрийте банку, дістаньте з неї ЦВК та вимкіть його живлення.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

1. Відкрите в мобільному додатку Arduino Science Journal перший експеримент, здійснений за ізобарного нагрівання (рис. 4).

Рис. 4. Збережені експерименти

2. Відкрийте запис температури та встановіть маркер на значенні температури близько 25℃. Запишіть це значення температури до таблиці результатів у стовпчик t1.
3. Перейдіть до графіку відносної вологості повітря (рис. 5). На ньому має бути маркер, що за часом відповідає маркеру, встановленому вами на графіку температури.

Рис. 5. Робота з графіками

4. Запишіть значення відносної вологості повітря RH1, що відповідає значенню температури t1.
5. Поверніться до графіку температури та встановіть маркер на значенні 40…45℃. Запишіть це значення до таблиці результатів у стовпчик t2.
6. Перейдіть до графіку відносної вологості повітря, зчитайте та запишіть значення відносної вологості повітря RH2, що відповідає значенню температури t2 (рис. 6).

Рис. 6. Робота з графіками

7. Відкрийте в мобільному додатку Arduino Science Journal другий експеримент, здійснений за ізохорного нагрівання.
8. Повторіть кроки 2 – 6 для другого експерименту.
9. Обчисліть для обох експериментів співвідношення:

(2)

10. Співвідношення (2) характеризує зміну відносної вологості повітря залежно від температури. Порівняйте це співвідношення для обох випадків і дійдіть висновків щодо того, в якому випадку зменшення відносної вологості повітря під час нагрівання є більшим, і чому.

Таблиця результатів

Блок 6. Напрями розвитку

Спробуйте визначити точку роси за різних умов із застосуванням автономного ЦВК.