Гигрометры и гигроскопы

приборы для определения степени влажности воздуха. Для этой цели можно искать, сколько граммов, σ, воды в виде пара содержится в одном куб. м воздуха или как велика упругость h₁ этих паров, выраженная в мм ртутного столба, или же определить выраженное в процентах отношение, s, количества водяного пара, действительно содержащегося в воздух, к наибольшему количеству его, могущему содержаться при температуре наблюдения, t (см. Воздух). Достаточно знать t и одну из этих мер, чтобы вычислить другие, на основании данных опыта и предположения, что плотность водяного пара постоянна и равна 0,625. Действительно:

σ = 0,625×1293(h₁/760)(273/[273 + t]) = 808(h₁/760)(273/[273 + t),

h₁ = 945,033σ([273 + t]/273),

S = h₁/h×100,

где h — взятая из таблицы Реньо упругость паров воды, насыщающих пространство при температуре t (см. Вода). расчеты эти вполне верны только, когда h₁ много отличается от h и пары действительно имеют постоянную плотность, как газы; когда же воздух насыщен парами, плотность этих последних уже не постоянна, а зависит от температуры, и для перехода от h₁ к σ надо пользоваться следующею эмпирической таблицей, составленной Ф. Кольраушем по опытам Реньо и Магнуса.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

| t                | h           | σ              | t              | h              | σ               |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|                  | мм        | г              |                | мм           | г                |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —10°         | 2,0        | 2,1           | 10°           | 9,1           | 9,4             |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —9            | 2,2        | 2,4           | 11            | 9,8           | 10,0           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —8            | 2,4        | 2,7           | 12            | 10,4         | 10,6           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —7            | 2,6        | 3,0           | 13            | 11,1         | 11,3           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —6            | 2,8        | 3,2           | 14            | 11,9         | 12,0           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —5            | 3,1        | 3,5           | 15            | 12,7         | 12,8           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —4            | 3,3        | 3,8           | 16            | 13,5         | 13,6           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —3            | 3,6        | 4,1           | 17            | 14,4         | 14,5           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —2            | 3,9        | 4,4           | 18            | 15,4         | 15,1           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| —1            | 4,2        | 4,6           | 19            | 16,3         | 16,2           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 0°              | 4,6        | 4,9           | 20°           | 17,4         | 17,2           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 1               | 4,9        | 5,2           | 21            | 18,5         | 18,2           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 2               | 5,3        | 5,6           | 22            | 19,7         | 19,3           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 3               | 5,7        | 6,0           | 23            | 20,9         | 20,4           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 4               | 6,1        | 6,4           | 24            | 22,2         | 21,5           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 5               | 6,5        | 6,8           | 25            | 23,6         | 22,9           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 6               | 7,0        | 7,3           | 26            | 25,0         | 24,2           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 7               | 7,5        | 7,7           | 27            | 26,5         | 25,6           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 8               | 8,0        | 8,1           | 28            | 28,1         | 27,0           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 9               | 8,5        | 8,8           | 29            | 29,8         | 28,6           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 10°            | 9,1        | 9,4           | 30°           | 31,6         | 30,1           |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Однако, при обыкновенных условиях наблюдений ошибка эта не превышает немногих процентов, а точнее редко требуется измерять такую переменчивую величину, как влажность окружающего нас воздуха, поэтому-то вышеприведенными формулами нередко пользуются. Число г воды в 1 км воздуха определяется непосредственно по способу, указанному еще Гитоном де Морво и введенному Бруннером в 1830 г.: помощью аспиратора (см. Газовый анализ) заставляют определенный объем воздуха V пройти через трубки с хлористым кальцием или с пемзой, смоченной крепкой серной кислотой, и определяют приращение P их веса. Обыкновенно узнают объем V по объему V', занимаемому воздухом в аспираторе, где он принимает температуру t' и насыщается парами, имеющими соответственную упругость h'. Парциальное давление этого воздуха при высоте барометра В будет в аспираторе B — h', а раньше было B — h₁, поэтому:

V = V'×([B — h']/[B — h₁])×([273 + t]/[273 + t']);

σ = P/V = P/V'×([B — h₁]/[B — h'])×([273 + t']/[273 + t]).

Обыкновенно вычисляют эту формулу по приближению, подставляя вместо h₁ его величину, найденную в предположении, что V = V'. Способ Бруннера требует много времени и труда [Попытки непосредственно определять h₁, измеряя уменьшение упругости воздуха от поглощения содержащихся в нем паров, давали неудовлетворительные результаты.], поэтому в настоящее время предпочитают определение упругости h₁ посредством конденсационных Г. Принцип конденсационных Г. прост: если полированная поверхность тела находится в соприкосновении со смесью пара и воздуха, и постепенно охлаждается ниже его температуры t, то наступит момент, когда на этой поверхности можно будет заметить начинающий возникать налет росы. Это значит, что слой воздуха, с нею соприкасающийся и охлажденный до той же температуры t₁, не может более заключать в виде пара прежнее количество воды. Но упругость этого слоя осталась по-прежнему равна атмосферному давлению, а количество пара еще не успело уменьшиться, поэтому его парциальное давление осталось прежнее и может считаться равным упругости пара, насыщающего пространство при t₁, которое можно найти по приведенной выше таблице Реньо. Еще флорентийские академики пытались определять влажность, собирая воду, сгустившуюся на наружной поверхности конического сосуда со льдом; но только в 1751 г. Леруа верно поставил этого рода опыт: он прибавлял понемногу льду в стакан с водой и определял температуру, при которой появлялась роса. В 1809 г. Берцелиус напечатал описание неудобного прибора, основанного на том же принципе. Только в 1820 г. Даниель описал свой Г., употребляемый еще и в наше время. Он состоит из стеклянной трубки в виде г, снабженной довольно большими шариками на обоих концах. Нижний шарик заключает в себе резервуар термометра и позолочен снаружи. В трубку наливают эфир, доводят его до кипения и тогда запаивают отверстие трубки. Если обвернуть верхний шарик кисеей и поливать эфиром, когда эфир заключающийся в приборе перелит в нижний, то начнется перегонка жидкости из нижнего шарика в верхний, вызывающая охлаждение первого и появление росы на золоченой его поверхности.

Несмотря на позолоту, первые признаки росы заметить очень трудно, а при сильном сухом ветре она даже вовсе не появляется; поэтому приходится часто охлаждать больше чем нужно и редко удается сблизить показания термометра, при которых роса появляется и исчезает ближе чем на 1 или 2 градуса. Поэтому Г. Даниеля старались усовершенствовать, хотя с довольно умеренным успехом, Добберейнер, Реньо, Аллюар, Сир и др. Лучшим из всех оказывается в настоящее время Г. Крова с внутренней конденсацией, описанный в 1883 г. в "Journal de Physique". Чтобы лучше заметить первый легкий налет росы и вполне защитить охлаждаемую поверхность от влияния близости наблюдателя, а также от случайных токов воздуха, автор придал своему прибору форму (фиг. 1) закрытого латунного ящичка, через который проходит тонкостенная трубка, закрытая на одном конце матовым стеклом, а на другом — слабой лупой.

Фиг. 1.

В наружный ящичек наливается эфир или сернистый углерод и продувается воздух, чтобы вызвать охлаждение ускоренным испарением, а через внутреннюю трубку, помощью боковых придатков, каучукового меха и трубок, просасывается воздух, взятый с того места в комнате или за окном, где хотят определить влажность. Когда матовое стекло обращено к свету, глаз видит через лупу его поверхность, окруженную темным кольцом, происходящим от оправы, и широким, светлым кольцеобразным полем, представляющим отражение освещенного матового стекла от внутренней зеркальной поверхности трубки. В середине нижней части этого пространства и начинает появляться роса в виде легкого буроватого налёта, вроде копоти. Регулируя вдувание воздуха в охлаждающую жидкость и продолжая просасывать воздух через внутреннюю трубку, можно сблизить до 0,1°С показания термометра, при которых этот налёт появляется и исчезает. Но метеорологи привыкли делать простые наблюдения, идущие гораздо скорее чем опыты, поэтому до сих пор еще в большом ходу эмпирические методы определения влажности: психрометр Августа и даже волосной Г. Соссюра.

Термометр со смоченным водой шариком показывает низшую температуру, чем сухой, и эта разность t — t' тем больше, чем меньше влажность окружающего воздуха. В 1825 г. Августу удалось довольно точно выразить формулой:

h₁ = h — 0,00077832(t — t')B,

зависимость между упругостью паров в воздухе hh₁, температурами t и t', высотой барометра В и упругостью h пара, насыщающего пространство при t. Сам Август вывел свою формулу теоретически, не принимая во внимание многих условий опыта; попытки других ученых вывести более основательную формулу тоже не увенчались успехом и теперь следует смотреть на психрометр как на очень удобный прибор, дающий точные результаты только помощью эмпирически составленных формул или таблиц. Реньо в 1845 и 1853 гг. нашел, что коэффициент в формуле Августа надо изменять, смотря по условиям опыта, от 0,00074 (на ветру) до 0,00128 (в небольшой комнате). При температурах ниже нуля надо снимать с шарика кисею и смачивать его перед самым наблюдением кистью, чтобы образовался лишь тонкий слой льда тогда на ветру можно получать порядочные результаты, вводя в формулу коэффициент 0,00069. В спокойном, комнатном воздухе, смоченный термометр беспрестанно меняет свои показания, а на ветру он скоро приходит к устойчивому наименьшему показанию, поэтому уже в 1855 г. Дойер (Doyère) ввел психрометр-пращу, т. е. заставлял как сухой, так и влажный термометр быстро вращаться в воздухе, как праща. Впоследствии для этого стали устраивать особые механизмы с зубчатыми колесами. Наблюдения можно было вычислять по той же формуле Августа, вводя коэффициент 0,00069. Еще удобнее психрометр с вентилятором, приводимым в движение пружиной; такой прибор описан Р. Ассманом в 1892 году в "Zeitschrift f. Instrumentenkunde" (фиг. 2).

Фиг. 2.

Часовой механизм и вентилятор помещены наверху прибора, в коробке t, подвешенной помощью бокового зажима и шарового шарнира; воздух втягивается через трубку q, разветвление f и открытые снизу трубки с, с мимо резервуаров обоих термометров. Для их защиты от непосредственного нагревания лучами солнца трубки с, с с двойными стенками и, сверх того, изолированные кольцами из дурного проводника тепла от f. Струя воздуха проходит со скоростью около 2,4 м в 1 " как во внутренней трубке, так и между двойными стенками. По сравнительным наблюдениям Др. Шпрунга, для психрометра Ассмана надо пользоваться формулой:

h₁ = h — 1/2(t — t')(B/765) = h — 0,000662(t — t')B.

Опыт показал, что психрометрические формулы дают результаты, достаточно согласные с единовременными показаниями конденсационного гигрометра, пока давление атмосферы немного лишь отличается от 760 мм, мокрый термометр не ниже + 1 или + 2°, а разность t — t' не более 12°. Анго поместил в 1882 г. в "Journal de Physique" результаты эмпирического определения психрометрической формулы из большого числа наблюдений в разных условиях, выраженные в виде удобной графической таблицы: оказалось, что коэффициент зависит от t — t' и от В. Для температур выше 0°:

h₁ = h'[1 — 0,0159(t — t')],

— 0,000776B(t — t')[1 — 0,0361(t — t')].

Когда же t' ниже 0°:

h' = h'[1 — 0,059(t — t')],

— 0,000682B(t — t')[1 — 0,0411(t — t')].

Показания Г. Соссюра достаточно постоянны, чтобы можно было по сравнению с конденсационным гигрометром определить значение произвольной шкалы, которой он снабжен. Соссюр, в 1783 г., сам выработал его конструкцию так, что и поныне в ней не сделано существенных изменений. Органом чувствительным к изменению влажности служит человеческий волос, освобожденный от жира получасовым кипячением в растворе 1 части кристаллической соды в 185 част. воды, потом двукратным кипячением в чистой воде в течение нескольких минут и обмыванием холодной водой, или же просто тщательным промыванием в эфире (по Реньо). Такой волос натягивается на вертикальной медной рамке между зажимом, снабженным микрометренным винтом, и маленьким колесом или дугой, насаженными на очень удобоподвижную ось с длинной стрелкой, двигающеюся по дуге с делениями. На окружности другого колеска, сидящего на той же оси, действует помощью шелковинки груз не более 0,2 г. Г. Соссюра был тщательно исследован Реньо, но оказался прибором несколько изменчивым, требующим частых проверок. Не каждый волос годится: будучи освобожден от жира, натянут в описанном выше приборе и помещен под колпак над водой, он должен принять постоянное растяжение часов через 5 или 6; волосы, продолжающие растягиваться или вновь укорачивающиеся, надо бросить. В настоящее время просто определяют ряд точек шкалы, что очень удобно сделать сравнением с Г. Крова. Что же касается конструкции, то единственным существенным улучшением можно считать замену стали алюминиевой бронзой для оси стрелки. В настоящее время устраивают и самозаписывающие волосные Г.

Самый древний гигроскоп, описанный Молине в "Philos. Transactions", 1686 г., состоял из струны дм. 6 длиной, закрепленной верхним концом и снабженной на нижнем шариком в 2 дм., с делениями на окружности. Еще и теперь употребляют струну в игрушечных Г. в виде монаха, надевающего капюшон в дождливую погоду, и т. п. Де Люк в 1775 г. устроил Г. подобный соссюровскому, где волос был заменен тонкой полоской китового уса, вырезанной перпендикулярно к волокнам. Это вещество гораздо больше удлиняется, чем волос, но было признано гораздо менее постоянным [В 1886 г. А. Нодон описал в "Journ. de Phys." Г., основанный на свойстве желатины разбухать от поглощения влаги: полоска бристольского картона покрывается с одной стороны асфальтовым лаком, а с другой слоем желатины, содержащей салициловую кислоту, для предохранения от гниения. Образующаяся спираль действует на подобие металлического термометра Брегета и дает очень быстро согласные между собой показания в пределах от 10° до 35°С. Углы кручения спирали пропорциональны приращениям относительной влажности.]. Многие предметы из растительного царства представляют чувствительные гигроскопы. Так в степных местностях России вешают над воротами пучки ковыля: в сухое время они завиваются, а во влажном воздухе распрямляются. Усы дикого овса (Avena patua) и семян гераниума (Geranium moschatum), а также свившиеся спирально половинки стручков обыкновенной акации (Robinia pseudacacia) могут служить хорошими гигроскопами: они становятся еще чувствительнее, если их пропитать глицерином (M. H. Теплов). Но все эти вещества слишком изменчивы, вследствие окисления, а также и под влиянием упругого последействия, они мало-помалу теряют свою чувствительность. Уже очень давно пытались устроить Г., определяя изменение веса тел поглощающих влагу из воздуха. Такие приборы были известны Бойлю и Отто фон Герике; для них употребляли нашатырь, поташ, серную кислоту, шелк, вату. Петербургский академик Иноходцев предлагал в 1776 г. какой-то камень; но все эти вещества скоро изменяли свои свойства и к тому же действовали медленно. Очень подробное изложение истории гигроскопов в "Gehler's Phys. Wörterbuch" (V, 592—662, 1829 г.).

Из более новых Г. назовем так называемые химические барометры. Это бумага, покрытая желатиной, содержащей около 1% хлористого кобальта или хлористой меди. В сухом воздухе она синеет или зеленеет, а во влажном становится розоватой или почти бесцветной. Совершенно отдельно стоит диффузионный Г. врача Ф. Шидловского, не получивший еще достаточной санкции опыта. Водяной пар способен диффундировать сквозь пластинку слабо обожженного фарфора (бисквита) из влажного воздуха в совершенно сухой; поэтому сосуд, содержащий крепкую серную кислоту и воздух, закрытый такой пластинкой и снабженный манометром, может служить гигрометром, потому что избыток давления, показываемый его манометром, пропорционален упругости водяного пара, содержащегося во внешнем воздухе. Коэффициент этой пропорциональности определяется опытами для ряда встречающихся в практике температур.

В. Лермантов.