Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.
Абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара находящегося в воздухе, или его давлением
Более ясное представление о степени влажности воздуха дает относительная влажность В. Относительную влажность воздуха измеряют числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара нужной для насыщения воздуха при имеющейся у него температуре:
Относительную влажность можно определить и по давлению паров, так как практически давление пара пропорционально его плотности.. Поэтому В можно определить и так: относительная влажность измеряется числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность от давления водяного пара насыщающего воздух при имеющейся у него температуре:
Таким образом, относительная влажность определяется не только абсолютной влажностью, но и температурой воздуха. При вычислении относительной влажности значения или надо брать из таблиц (см. табл. 9.1).
Выясним, как изменение температуры воздуха может отражаться на его влажности. Пусть абсолютная влажность воздуха равна при Так как плотность насыщающего водяного пара при 22 °С равна (табл. 9.1), то относительная влажность В составляет около 50%.
Допустим теперь, что температура этого воздуха упадет до 10°С, а плотность останется прежней. Тогда относительная влажность воздуха будет 100%, т. е. воздух окажется насыщенным водяными парами. Если же температура понизится до 6 °С (например, ночью), то из каждого кубического метра воздуха сконденсируется кг водяного пара (выпадет роса).
Таблица 9.1. Давление и плотность насыщающих водяных паров при различных температурах
Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы. В приведенном выше примере точка росы равна Отметим, что при известной точке росы абсолютную влажность воздуха можно найти по табл. 9.1, так как она равна плотности насыщающего пара при точке росы.
Рассмотрим теперь устройство и принцип действия психрометра – более точного прибора для измерения влажности воздуха. Психрометр имеет два термометра: сухой и влажный. Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду (см. рисунок). Испарение воды с поверхности марли приводит к понижению её температуры. Второй же, «сухой» термометр показывает обычную температуру воздуха. Измеренные психрометром значения температур перевести в значение относительной влажности воздуха можно по таблице (см. ниже).
| Сухой термометр, °C | Разность показаний термометров, °С | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Относительная влажность, % | |||||||||
| 18 | 91 | 82 | 73 | 65 | 56 | 49 | 41 | 34 | 27 |
| 20 | 91 | 83 | 74 | 66 | 59 | 51 | 44 | 37 | 30 |
| 22 | 92 | 83 | 76 | 68 | 61 | 54 | 47 | 40 | 34 |
| 24 | 92 | 84 | 77 | 69 | 62 | 56 | 49 | 43 | 37 |
Рассмотрим пример. Допустим, в комнате температура 20 °С, а влажный термометр показывает 15 °С. То есть разность показаний термометров 5 °С. В таблице, по строке «20», движемся до колонки «5». Читаем там число: 59. Следовательно, относительная влажность воздуха в той комнате, где висит психрометр, составляет именно 59 %.
Если в воздухе, где находится психрометр, мало водяных паров, то парообразование с поверхности марли идёт интенсивно. Согласно формуле Q=rm (см. § 6-г), на это расходуется теплота «отбираемая» у воды на марле, и она охлаждается согласно формуле $Q=C\cdot m\cdot \Delta t^o$ (см. § 6-в). Поэтому влажный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Если воздух настолько влажный, что содержащийся в нём водяной пар является насыщенным, то испарения воды с поверхности марли не будет. Следовательно, оба термометра будут показывать равные температуры, и это будет означать, что относительная влажность воздуха равна 100%.
Проверьте, как вы усвоили материал:
- Цель этого параграфа – рассмотреть...
- Влажность воздуха важна не только для здоровья человека, но и для...
- Почему важно, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар не был (почти) насыщенным?
- Вводимая нами новая физическая величина должна показывать, ...
- Относительная влажность воздуха вычисляется отношением плотности водяного пара в воздухе к...
- Волосяной гигрометр является...
- На изменение относительной влажности воздуха в гигрометре реагирует...
- Гигрометр позволяет (способен) измерять относительную влажность воздуха, так как...
- Удобство использования гигрометра для измерений влажности состоит в том, что его стрелка...
- Вместо гигрометра часто применяют психрометр в качестве...
- Почему правый термометр психрометра обычно показывает более низкую температуру?
- Специально составленную так называемую психрометрическую таблицу, применяют, чтобы...
- Если температура воздуха в комнате 30 °С, а на влажном термометре 25 °С, то...
- При каком условии испарение воды с поверхности марли идёт быстро?
- Влажная марля, а вместе с ней и правый термометр охлаждаются, так как...
- При каком условии оба термометра будут показывать равные температуры?
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Абсолютная влажность воздуха - это количество водяного пара в единице объема воздуха:
В системе СИ единица измерения абсолютной влажности
Влажность воздуха является очень важным параметром окружающей среды. Известно, что большую часть поверхности Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой непрерывно происходит испарение. В различных климатических зонах интенсивность этого процесса различна. Она зависит от среднесуточной температуры, наличия ветров и др. факторов. Таким образом, в определенных местах процесс парообразования воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых - наоборот.
Человеческий организм активно реагирует на изменения влажности воздуха. Например, процесс потоотделения тесно взаимосвязан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации, и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции; при низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.
Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды.
Абсолютная влажность воздуха дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, однако эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Человек ощущает не массовое количество воды в воздухе, а ее содержание относительно максимально возможного значения. Для описания реакции живых организмов на изменения содержания водяного пара в воздухе вводят понятие относительной влажности.
Относительная влажность воздуха
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная влажность воздуха - это физическая величина, показывающая насколько водяной пар в воздухе далек от насыщения:
где плотность водяного пара в воздухе (абсолютная влажность); плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Точка росы
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Точка росы - это температура, при которой водяной пар становится насыщенным.
Зная температуру точки росы, можно получить представление об относительной влажности воздуха. Если температура точки росы близка к температуре окружающего воздуха, значит влажность высокая (при совпадении температур образуется туман). И напротив, если значения точки росы и температуры воздуха в момент измерения сильно расходятся, то можно говорить о низком содержании водяных паров в атмосфере.
Когда в теплое помещение с мороза заносят какую-либо вещь, воздух над ней охлаждается, насыщается водяными парами, и на вещи конденсируются капельки воды. В дальнейшем вещь прогревается до температуры воздуха помещения, и весь конденсат испаряется.
Другой, не менее хорошо знакомый пример - запотевание стекол в доме. У многих зимой на окнах появляется конденсат. На это явление влияют два фактора -- влажность и температура. Если установлен нормальный стеклопакет и правильно проведено утепление, а конденсат есть, -- значит, в помещении высокая влажность; возможно плохая вентиляция или вытяжка.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | На фотографии представлены два термометра, используемые для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы. Что покажет влажный термометр, если при неизменной температуре воздуха относительная влажность увеличится на 7%?
|
| Решение | Запишем показания сухого и влажного термометра, представленных на фотографии:
Определим разность показаний термометров: По психрометрической таблице определим относительную влажность воздуха: Если влажность воздуха увеличится на 7%, она станет равной 55%. По психрометрической таблице определяем показания сухого термометра и разности показаний сухого и влажного термометров: Таким образом, влажный термометр покажет: |
| Ответ | Показания влажного термометра . |
ПРИМЕР 2
| Задание | Относительная влажность вечером при температуре равна 50%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до ? |
| Решение | Относительная влажность:
|
Психрометр Августа состоит из двух ртутных термометров, укрепленных на штативе или расположенных в общем футляре. Шарик одного термометра обернут тонкой батистовой тканью, опущенной в стаканчик с дистиллированной водой.
При пользовании психрометром Августа вычисление абсолютной влажности производят по формуле Ренье:
A = f-a(t-t 1)H,
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (см. таблицу 2); а - психрометрический коэффициент, t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление в момент определения.
Если воздух совершенно неподвижен, то а=0,00128. При наличии слабого движения воздуха (0,4 м/с) а = 0,00110. Максимальную и относительную влажность рассчитывают, как указано на стр. 34.
| Температура воздуха (°С) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | |
| -20 - 15 -10 -5 -3 -4 0 +1 +2,0 +4,0 +6,0 +8,0 +10,0 +11,0 +12,0 |
0,94 1.44 2.15 3.16 3,67 4,256 4,579 4,926 5,294 6,101 7,103 8.045 9,209 9,844 10,518 |
+13,0 +14,0 +15,0 +16,0 +17,0 +18,0 +19,0 +20,0 +21,0 +22,0 +24,0 +25,0 +27,0 +30,0 +32,0 |
11,231 11,987 12,788 13,634 14,530 15,477 16.477 17,735 18,650 19,827 22,377 23,756 26,739 31,842 35,663 |
+35,0 +37,0 +40,0 +45,0 +55,0 +70,0 +100,0 |
42,175 47,067 55,324 71,88 118,04 233,7 760,0 |
аспирационного психрометра (в процентах)
Таблица 4. Определение относительной влажности воздуха по показаниям сухого и влажного термометров в психрометре Августа при обычных условиях спокойного и равномерного движения воздуха в комнате со скоростью 0,2 м/с
Для определения относительной влажности существуют специальные таблицы (таблицы 3, 4). Более точные показания дает психрометр Ассмана (рис. 3). Он состоит из двух термометров, заключенных в металлические трубки, через которые равномерно просасывается воздух с помощью заводного вентилятора, находящегося в верхней части прибора. Ртутный резервуар одного из термометров обернут кусочком батиста, который перед каждым определением смачивается дистиллированной водой при помощи специальной пипетки. После того как омочили термометр, заводят ключом вентилятор и вешают прибор на штатив. Через 4-5 мин записывают показания сухого и влажного термометров. Так как с поверхности ртутного шарика, смоченного термометра, происходит испарение влаги и поглощение тепла, то он будет показывать более низкую температуру. Вычисление абсолютной влажности производят по формуле Шпрунга:
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра; 0,5 - постоянный психрометрический коэффициент (поправка на скорость движения воздуха); t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление; 755 - среднее барометрическое давление (определяют по таблице 2).
Максимальную влажность (F) определяют с помощью таблицы 2 по температуре сухого термометра.
Относительную влажность (R) рассчитывают по формуле:
где R - относительная влажность; А - абсолютная влажность; F - максимальная влажность при температуре сухого термометра.
Для определения колебаний относительной влажности во времени пользуются прибором гигрографом. Прибор устроен аналогично термографу, но воспринимающей частью гигрографа является обезжиренный пучок волос.
Рис. 3. Аспирационный психрометр Ассмана:
1 - металлические трубки;
2 - ртутные термометры;
3 - отверстия для выхода просасываемого воздуха;
4 - зажим для подвешивания психрометра;
5 - пипетка для смачивания влажного термометра.
Абсолютная влажность
Абсолютная влажность - количество влаги (в граммах), содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в г/м3. Но в связи с тем, что при определенной температуре воздуха в воздухе может максимально содержаться только определенное количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается) ввели понятие Относительной влажности.
Относи́тельная вла́жность
Эквивалентное определение - отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре . Измеряется в процентах и определяется по формуле:
где: - относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха); - парциальное давление паров воды в смеси; - равновесное давление насыщенного пара .
Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры (см. график). Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда . Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы : процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).
Оценка относительной влажности
Относительная влажность водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T ) и температура точки росы (T d ). Когда T и T d выражены в градусах Цельсия , тогда истинно выражение:
Где парциальное давление водного пара в смеси оценено e p :
И влажное давление пара воды в смеси при температуре оценено e s :
Перенасыщенный водяной пар
В отсутствие центров конденсации при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, т. е. относительная влажность становится более 100 %. В качестве центров конденсации могут выступать ионы или частицы аэрозолей , именно на конденсации пересыщенного пара на ионах , образующихся при прохождении заряженной частицы в таком паре основан принцип действия камеры Вильсона и диффузионных камер: капельки воды, конденсирующиеся на образовавшихся ионах образуют видимый след (трек) заряженной частицы.
Другим примером конденсации перенасыщенного водяного пара являются инверсионные следы самолётов, возникающие при конденсации пересыщенного водяного пара на частицах сажи выхлопа двигателей.
Средства и методы контроля
Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются психрометрами и гигрометрами . Психрометр Августа состоит из двух термометров - сухого и влажного. Влажный термометр показывает температуру ниже, чем сухой, т.к. его резервуар обмотан тканью, смоченной в воде, которая, испаряясь, охлаждает его. Интенсивность испарения зависит от относительной влажности воздуха. По показаниям сухого и влажного термометров находят относительную влажность воздуха по психрометрическим таблицам. В последнее время стали широко применяться интегральные датчики влажности (как правило, с выходом по напряжению), основанные на свойстве некоторых полимеров изменять свои электрические характеристики (такие, как диэлектрическая проницаемость среды) под действием содержащихся в воздухе паров воды. Для поверки приборов для измерения влажностей применяют специальные установки - гигростаты.
