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.

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:

Относительная влажность

Отношение действительного значения абсолютной влажности к максимально возможному ее значению при той же температуре называется о т н о с и т е л ь н о й влажностью.

Обозначают относительную влажность φ :

Как правило, относительную влажность выражают в процентах, тогда

∙ 100, % и ∙ 100, %.

Для сухого воздуха φ = 0%, влажный насыщенный воздух имеет φ = 100%.

Увеличение относительной влажности воздуха происходит за счет добавления в него количества водяного пара. В тоже время, если охлаждать влажный воздух при неизменном парциальном давлении водяного пара, то φ будет увеличиваться вплоть до φ = 100%.

Температуру, при которой достигается состояние насыщения влаж- ного воздуха, называют т е м п е р а т у р о й т о ч к и р о с ы и обозначают t р .

При температуре ниже t р воздух будет оставаться насыщенным, избыточная же влага выпадает из влажного воздуха в виде капель воды или тумана. Это свойство положено в основу принципа определения t р прибором, называемым гигрометром.

При обработке влажного воздуха (подогрев, охлаждение) количество сухого воздуха в нем не изменяется, поэтому целесообразно все удельные величины относить к 1 кг сухого воздуха.

Массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха, называютют в л а г о с о д е р ж а н и е м.

Обозначают влагосодержание через d , измеряют в г/кг.

Из определения следует:

При допущении, что водяной пар и сухой воздух являются идеальными газами, можно записать:

p п V п = m п R п Т п и p с V c = m c R c T с.

Почленно разделим их и, учитывая особенности газовых смесей (пар и сухой воздух занимают один и тот же объем и имеют одинаковую температуру), т.е. V п = V c и T п = Т с ), получим:

(3.5)

Из уравнения (3.5) следует, что влагосодержание при заданном барометрическом давлении (р бар) зависит только от парциального давления водяного пара. В выражение (3.5) можно ввести значение относительной влажности φ: так, с учетом (3.3)

. (3.6)

Из уравнения (3.5) определим парциальное давление водяного пара во влажном воздухе через влагосодержание:

. (3.7)

3.2.2. Диаграмма id влажного воздуха

Определение параметров влажного воздуха и расчет процессов тепло- и массообмена значительно упрощается при использовании id – диаграммы, которая была предложена в 1918 г Л.К.Рамзиным. Диаграмма (рис. 3.3) построена для барометрического давления 745 мм рт. ст., т.е. 99,3 кПа (среднее годовое давление в Центральной части России), но ею можно пользоваться и при других барометрических давлениях в пределах допустимой точности.

При построении диаграммы по оси ординат отложена удельная энтальпия сухого воздуха – i, а по оси абсцисс влагосодержании – d . С целью расширения наиболее используемой для расчетов области, соответствующей насыщенному влажному воздуху, угол между осями выбран равным 135 0 . Горизонтально проведена вспомогательная ось, на которую спроецированы значения влагосодержания с наклонной оси. Хотя ось абсцисс на диаграмму обычно не наносится, изоэнтальпы идут параллельно ей, поэтому они на диаграмме изображаются наклонными прямыми. Линии d = const проведены параллельно оси ординат.

Значения d = const и i = const образуют координатную сетку, на которую наносятся линии постоянных температур (изотермы) и кривые линии относительной влажности (φ=const).

Для построения изотерм необходимо выразить энтальпию через влагосодержание. Энтальпия влажного воздуха на основании условия аддитивности выразится как

I = I c + I п .

Поделим величины данного уравнения на массу сухого воздуха, получим:

i = i c + .

Если второе слагаемое умножить и разделить на массу пара, то будем иметь:

(3.8)

Отсчитывая энтальпию от 0 0 С, выражение (3.8) можно записать:

i = c pc t + d (r 0 + c p п t ), (3.9)

где c pc и c p п – массовые теплоемкости сухого воздуха и пара;

r 0 – теплота фазового перехода воды в пар при 0 0 С;

t – текущее значение температуры.

При допущении, что теплоемкости сухого воздуха и пара в диапазоне измеряемых температур постоянны, для фиксированного t уравнение (3.9) представляет линейную зависимость i от d. Следовательно, изотермы в координатах i d будут прямыми линиями.

Используя выражение (3.6) и табличные зависимости давления насыщенного пара от температуры p н = f(t), несложно построить кривые относительной влажности. Так, при построении кривой для конкретного φ выбирают несколько значений температур, из таблиц для них определяют p н и по (3.6) вычисляют d. Соединив точки с координатами t i , d i линией, получим кривую φ = const. Линии (φ = const) имеют вид расходящихся кривых, которые претерпевают излом при t = 99,4 0 С (температура кипения воды при давлении 745 мм рт. ст), и дальше идут вертикально. Кривая φ=100% делит площадь диаграммы на две части. Выше кривой располагается область влажного воздуха с ненасыщенным паром, а ниже – область влажного воздуха с насыщенным и частично – с конденсированным паром. Изотермы, соответствующие температурам адиабатного насыщения воздуха (t м), на диаграмме проходят под небольшим углом к изоэнтальпам и изображены пунктирными линиями. Они измеряются "мокрым" термометром и обозначаются t м. На кривой φ = 100 % в одной точке пересекаются изотермы сухого и мокрого термометров. В нижней части диаграммы по уравнению (3.7) построена зависимость р п = f(d) для р бар = 745 мм рт ст.

По id-диаграмме, зная два любых параметра, можно определит все остальные параметры влажного воздуха. Так, например, для состояния A

(см рис. 3.6) имеем t a , i a , φ a , d a , p па, t p . Значения температуры t a , энтальпии i a и влагосодержания d a есть проекция точки А на оси i, d и t. Величина относительной влажности характеризуется значением на кривой, проходящей через данное состояние.

Для определения температуры точки росы необходимо точку A спроецировать на кривую φ = 100%. Изотерма, проходящая через эту проекцию, дает значение t p . Давление пара определяется по влагосодержанию d a и линией p п = f(d).

При нагревании воздуха его влагосодержание не изменяется (d=const), а энтальпия возрастает, поэтому процесс нагрева на id-диаграмме изображается вертикальной прямой AB.

Процесс охлаждения воздуха также происходит при d=const; энтальпия уменьшается (линия CE), а относительная влажность возрастает вплоть до точки росы, являющейся пересечением прямой охлаждения CE с кривой φ = 100 %.

В процессе сушки материала воздух увлажняется. Если при этом теплота, истраченная на испарение влаги, берется из воздуха, то этот процесс приближенно (без учета энтальпии воды) считают изоэнтальпным, так как израсходованная теплота снова возвращается воздуху вместе с испаренной влагой. Поэтому на id – диаграмме процесс сушки изображается прямой CR, параллельной линиям i = const.

При увлажнении воздуха паром (линия КМ) энтальпия влажного воздуха увеличивается. Параметры состояния (i м, d м) определяются по начальным (i к, d к),. из теплового и материального балансов процесса смешения

i м = i к + d п i п и d м = d к + d п,

где i п и d п – энтальпия и количество подаваемого пара на 1 кг сухого воздуха, соответственно.

При смешивании потоков влажного воздуха параметры смеси определяются на основании балансов массы, энтальпии и влаги. Если расходы влажного воздуха в смешиваемых потоках и , а энтальпии и влагосодержания, соответственно, i 1 , d 1 и i 2 , d 2 , то уравнения для определения энтальпии и влагосодержания смеси следующие:

i см = (i 1 m 1 + i 2 m 2)/(m 1 +m 2) ,

d см = (d 1 m 1 +d 2 m 2)/(m 1 +m 2).

При смешении двух потоков воздуха относительная влажность смеси не может быть больше 100 %.

Что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?

Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.

Водяной пар в атмосфере.

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью .

Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3).

Парциальное давление водяного пара

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара .

Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.

Относительная влажность.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность .

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р н. п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.

При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.

Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы .

По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометр.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них - психрометре .

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.

При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.

Значение влажности.

От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40-60%).

Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?

Очень важно знать влажность в метеорологии - в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.

В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.

Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.

Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.

Влажность воздуха является важной характеристикой окружающей среды. Но не все до конца понимают, что подразумевается под подаваемых в сводках погоды. и абсолютная влажность - это связанные понятия. Разобраться в сути одного без понимания другого не представляется возможным.

Воздух и влага

Воздух содержит смесь веществ, находящихся в газообразном состоянии. В первую очередь это азот и кислород. Их в общем составе (100 %) содержится приблизительно 75 % и 23 % по массе соответственно. Около 1,3 % аргона, менее 0,05 % - это углекислый газ. Остаток (недостающая около 0,005% суммарно) приходится на долю ксенона, водорода, криптона, гелия, метана и неона.

Также в воздухе постоянно содержится какое-то количество влаги. В атмосферу она попадает после испарения молекул воды из мирового океана, с увлажненной почвы. В замкнутом пространстве содержание ее может отличаться от внешней среды и зависит от наличия дополнительных источников поступления и потребления.

Для более точного определения физических характеристик и количественных показателей применяется два понятия: относительная влажность и абсолютная влажность. В быту избыточный образуется при сушке белья, в процессе приготовления пищи. Люди и животные выделяют его с дыханием, растения в результате газообмена. В производстве изменение соотношения водяного пара может быть связано с конденсацией при перепаде температур.

Абсолютная и особенности употребления термина

Насколько важны знания точного количества водяного пара в атмосфере? По этим параметрам рассчитываются прогнозы погоды, возможности выпадения осадков и их объем, пути перемещения фронтов. На базе этого определяются риски возникновения циклонов и особенно ураганов, могущих представлять серьезную опасность для региона.

В чем разница двух понятий? Общее то, что и относительная влажность, и абсолютная влажность показывают содержание в воздухе водяного пара. Но первый показатель определяется расчетным путем. Второй же может быть измерен физическими методами с результатом в г/м 3 .

Однако с изменением температуры окружающей среды эти показатели меняются. Известно, что в воздухе максимально может содержаться определенное количество водяного пара - абсолютная влажность. Но для режимов +1°C и +10°C эти значения будут разными.

Зависимость количественного содержания водяного пара в воздухе от температуры отображается в показателе относительной влажности. Она рассчитывается по формуле. Результат выражается в процентном соотношении (объективный показатель от максимально возможного значения).

Влияние условий среды

Как изменится абсолютная и относительная влажность воздуха с повышением температуры, к примеру, с +15°C до +25°C? С ее увеличением давление водяного пара вырастает. А значит, в единице объема (1 м куб.) молекул воды поместится больше. Следовательно, вырастает и абсолютная влажность. Относительная при этом снизится. Это объясняется тем, что фактическое содержание водяного пара осталось на том же уровне, а максимально возможное значение увеличилось. По формуле (разделив одно на другое и умножив результат на 100 %) в итоге получится уменьшение показателя.

Как изменится абсолютная и относительная влажность при понижении температуры? Что происходит при уменьшении с +15°C до +5°C? Абсолютная влажность при этом снизится. Соответственно в 1 м куб. воздушной смеси водяного пара максимально может поместиться меньшее количество. Расчет по формуле покажет увеличение итогового показателя - процент относительной влажности увеличится.

Значение для человека

При наличии избыточного количества паров воды чувствуется духота, при недостатке - ощущается сухость кожных покровов и жажда. Очевидно, что влажность сырого воздуха выше. При избытке лишняя вода не удерживается в газообразном состоянии и переходит в жидкую или твердую среду. В атмосфере она устремляется вниз, это проявляется осадками (туман, изморозь). В помещении на предметах интерьера образуется слой конденсата, на поверхности травы по утрам роса.

Повышение температуры легче переносить в сухом помещении. Однако тот же режим, но при относительной влажности выше 90 % вызывает быстрое перегревание тела. Организм борется с этим явлением одинаково - происходит выделение тепла с потом. Но на сухом воздухе он быстро испаряется (высыхает) с поверхности тела. Во влажной среде этого практически не происходит. Наиболее подходящий (комфортный) для человека режим - это 40-60 %.

Для чего это необходимо? В сыпучих материалах в сырую погоду содержание сухого вещества в единице объема уменьшается. Эта разница не столь существенна, но при больших объемах может «вылиться» в реально определяемое количество.

Продукция (зерно, мука, цемент) имеет допустимый порог влажности, при которой она может храниться без потери качества или технологических свойств. Поэтому контроль показателей и поддержание их на оптимальном уровне обязательны для хранилищ. Снижением влажности в воздухе добиваются уменьшения ее и в продукции.

Приборы

На практике фактическая влажность измеряется гигрометрами. Раньше существовало два подхода. Один основан на изменении растяжимости волоса (человеческий или животного). Другой - на разности показаний термометров в сухой и влажной среде (психрометрический).

В волосном гигрометре стрелка механизма связана с натянутым на рамке волосом. Он в зависимости от влажности окружающего воздуха меняет физические свойства. Стрелка отклоняется от эталонного значения. Ее перемещения отслеживаются по нанесенной шкале.

Относительная влажность и абсолютная влажность воздуха, как известно, зависят от температуры окружающей среды. Эта особенность используется в психрометре. При определении снимаются показания двух рядом расположенных термометров. Колба одного (сухого) находится в обычных условиях. У другого (мокрого) она окутана фитилем, который связан с резервуаром с водой.

В таких условиях термометр измеряет среду с учетом испаряющейся влаги. А этот показатель зависит от количества водяного пара в воздухе. Определяется разность показаний. Значение относительной влажности определяется по специальным таблицам.

В последнее время большее применение имеют датчики, использующие изменения электрических характеристик определенных материалов. Для подтверждения результатов и сверки приборов существуют эталонные установки.