Один из очень важных показателей в нашей атмосфере. Она может быть как абсолютной, так и относительной. Как измеряется абсолютная влажность и какую формулу нужно для этого применить? Об этом вы сможете узнать, прочитав нашу статью.
Влажность воздуха - что это такое?
Что такое влажность? Это количество воды, которое содержится в каком-либо физическом теле или среде. Этот показатель напрямую зависит от самой природы среды или вещества, а также от степени пористости (если речь идет о твердых телах). Мы же в этой статье будем говорить о конкретном виде влажности - о влажности воздуха.
Из курса химии все мы прекрасно знаем, что атмосферный воздух состоит из азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других газов, которые составляют не более 1 % от общей массы. Но кроме этих газов воздух также содержит в себе водяной пар и другие примеси.
Под влажностью воздуха понимают то количество водяного пара, которое на данный момент (и в данном месте) содержится в воздушной массе. При этом метеорологи выделяют две её величины: это абсолютная и относительная влажность.
Влажность воздуха - одна из важнейших характеристик атмосферы Земли, которая влияет на характер местной погоды. Стоит отметить, что величина влажности атмосферного воздуха неодинакова - как в вертикальном разрезе, так и в горизонтальном (широтном). Так, если в приполярных широтах относительные показатели влажности воздуха (в нижнем слое атмосферы) составляют около 0,2-0,5%, то в тропических - до 2,5%. Далее мы выясним, что такое абсолютная и относительная влажность воздуха. Также рассмотрим, какая разница существует между этими двумя показателями.
Абсолютная влажность: определение и формула
В переводе с латыни слово absolutus означает "полный". Исходя из этого, очевидным становится сущность понятия "абсолютная влажность воздуха". Эта величина, которая показывает, сколько граммов водяного пара фактически содержится в одном кубическом метре конкретной воздушной массы. Как правило, этот показатель обозначают латинской литерой F.
Г/м 3 - это единица измерения, в которой исчисляется абсолютная влажность. Формула для её расчёта следующая:
В данной формуле буквой m обозначена масса водяного пара, а буквой V - объем конкретной воздушной массы.
Величина абсолютной влажности зависит от нескольких факторов. В первую очередь это температура воздуха и характер адвекционных процессов.
Относительная влажность
Теперь рассмотрим, что такое относительная влажность воздуха. Это относительная величина, которая показывает, сколько влаги содержится в воздухе по отношению к максимально возможному количеству водяного пара в этой воздушной массе при конкретной температуре. Измеряется относительная влажность воздуха в процентах (%). И именно этот процентный показатель мы часто можем узнать в прогнозах погоды и метеосводках.
Стоит также упомянуть и о таком важном понятии, как точка росы. Это явление максимально возможного насыщения воздушной массы водяным паром (относительная влажность этого момента - 100 %). В таком случае излишек влаги конденсируется, и образуются атмосферные осадки, туман или облака.
Методы измерения влажности воздуха
Женщины знают, что обнаружить повышение влажности в атмосфере можно с помощью своей пышной прически. Однако существуют и другие, более точные, способы и технические приборы. Таковыми являются гигрометр и психрометр.
Первый гигрометр был создан еще в XVII веке. Один из видов этого прибора как раз и основан на свойствах волоса изменять свою длину при изменениях влажности среды. Однако сегодня существуют и электронные гигрометры. Психрометр - это специальный прибор, в котором есть влажный и сухой термометр. По разнице их показателей и определяют влажность воздуха в конкретный момент времени.
Влажность воздуха как важный экологический показатель
Считается, что оптимальной для человеческого организма является относительная влажность воздуха 40-60 %. Показатели влажности весьма влияют и на восприятие человеком температуры воздуха. Так, при низкой влажности нам кажется, что воздух гораздо холоднее, чем в реальности (и наоборот). Вот почему в тропических и экваториальных широтах нашей планеты путешественники так тяжело переживают зной и жару.
Сегодня существуют специальные увлажнители и осушители, которые помогают человеку регулировать влажность воздуха в закрытых помещениях.
В заключение...
Таким образом, абсолютная влажность воздуха - это важнейший показатель, который дает нам представление о состоянии и особенностях воздушных масс. При этом нужно уметь отличать эту величину от относительной влажности. И если последняя показывает долю водяного пара (в процентах), которая присутствует в воздухе, то абсолютная влажность - это фактическое количество водяного пара в граммах в одном кубическом метре воздуха.
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.
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА. ТОЧКА РОСЫ.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.
1.Атмосфера.
Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, состоящая, в основном, из азота (более 75%), кислорода (чуть менее 15%) и других газов. Около 1% атмосферы приходится на водяной пар. Откуда же он берётся в атмосфере?
Большую долю площади земного шара занимают моря и океаны, с поверхности которых постоянно при любой температуре происходит испарение воды. Выделение воды происходит также при дыхании живых организмов.
От количества водяных паров, содержащихся в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, проведение технологических процессов на производстве, сохранность экспонатов в музее, сохранность зерна в хранилищах. Поэтому очень важен контроль за степенью влажности воздуха и умение, при необходимости, изменять её в помещении.
2.Абсолютная влажность.
Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха (плотность водяного пара).
или , где
m – масса водяного пара, V – объём воздуха, в котором содержится водяной пар. Р – парциальное давление водяного пара, μ – молярная масса водяного пара, Т – его температура.
Так как плотность пропорциональна давлению, то абсолютную влажность можно характеризовать и парциальным давлением водяного пара.
3.Относительная влажность.
На степень влажности или сухости воздуха влияет не только количество водяных паров, содержащихся в нём, но и температура воздуха. Даже если количество водяного пара одинаково, при более низкой температуре воздух будет казаться более влажным. Вот почему в холодном помещении возникает ощущение сырости.
Это объясняется тем, что при более высокой температуре в воздухе может содержаться большее максимальное количество водяного пара, а в воздухе содержится в том случае, когда пар является насыщенным . Поэтому, максимальное количество водяного пара , которое может содержаться в 1 м 3 воздуха при данной температуре, называется плотностью насыщенного пара при данной температуре.
Зависимость плотности и парциального давления насыщенного пара от температуры можно найти в физических таблицах.
Учитывая эту зависимость, пришли к выводу, что более объективной характеристикой влажности воздуха является относительная влажность .
Относительной влажностью называется отношение абсолютной влажности воздуха к тому количеству пара, которое необходимо для насыщения 1 м 3 воздуха при данной температуре.
ρ – плотность пара, ρ 0 – плотность насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.
Относительную влажность можно определить и через парциальное давление пара
Р – парциальное давление пара, Р 0 – парциальное давление насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.
4.Точка росы.
Если воздух, содержащий водяной пар, изобарно охлаждать, то при некоторой температуре водяной пар становится насыщенным, так как с понижением температуры максимально возможная плотность водяного пара в воздухе при данной температуре уменьшается, т.е. уменьшается плотность насыщенного пара. При дальнейшем понижении температуры излишки водяного пара начинают конденсироваться.
Температура , при которой данный водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы .
Это название связано с явлением, наблюдающимся в природе – выпадением росы . Объясняется выпадение росы следующим образом. В течение дня воздух, земля и вода в различных водоёмах прогреваются. Следовательно, идёт интенсивное испарение воды с поверхности водоёмов и почвы. Водяной пар, содержащийся в воздухе, при дневной температуре является ненасыщенным. Ночью, и особенно к утру, температура воздуха и поверхности земли понижается, водяной пар становится насыщенным, и излишки водяного пара конденсируются на различных поверхностях.
Δρ – тот излишек
влаги, который выделяется, когда
температура становится ниже точки росы.
Эту же природу имеет и туман. Туман – это мельчайшие капельки воды, образовавшиеся в результате конденсации пара, но не на поверхности земли, а в воздухе. Капельки настолько малы и легки, что могут удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии. На этих капельках происходит рассеяние лучей света, и воздух становится непрозрачным, т.е. видимость затрудняется.
При быстром охлаждении воздуха пар, становясь насыщенным, может, минуя жидкую фазу, сразу перейти в твёрдую. Этим объясняется появление на деревьях инея. Некоторые интересные оптические явления в небе (например, гало) обусловлены прохождением солнечных или лунных лучей через перистые облака, состоящие из мельчайших кристалликов льда.
5.Приборы для определения влажности.
Самыми простыми приборами для определения влажности являются гигрометры различных конструкций (конденсационный, плёночный, волосной) и психрометр.
Принцип действия конденсационного гигрометра основан на измерении точки росы и определении по ней абсолютной влажности в помещении. Зная температуру в помещении и соответствующую данной температуре плотность насыщенных паров, находим относительную влажность воздуха.
Действие плёночного и волосного гигрометров связано с изменением упругих свойств биологических материалов. С увеличением влажность упругость их понижается, и плёнка или волос растягиваются на бо " льшую длину.
Психрометр состоит из двух термометров, в одном из которых резервуар со спиртом обмотан влажной тканью. Так как с ткани постоянно происходит испарение влаги и, следовательно, отвод теплоты, то температура, показываемая этим термометром, будет всё время меньше. Чем менее влажный воздух в помещении, тем испарение идёт более интенсивно, термометр с влажным резервуаром охлаждается сильнее и показывает меньшую температуру. По разнице температур сухого и влажного термометров, используя соответствующую психрометрическую таблицу, определяют относительную влажность воздуха в данном помещении.
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.
Общие сведения
Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости . Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажности.
Единицы измерения и особенности определения понятия влажность
- Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность ) или её объёма (объёмная влажность ).
- Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью - количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.
Эту величину не всегда можно точно измерить, т.к. в ряде случаев невозможно удалить всю неконституционную воду и взвесить предмет до и после этой операции.
- Относительная влажность характеризует содержание влаги относительно максимального количества влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия . Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.
Методы определения
Титратор Карла Фишера.
Установление степени влажности многих продуктов, материалов и т. п. имеет важное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и др.) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность животных и растительных организмов возможна только при определённых границах влажности и относительной влажности воздуха. Влажность может вносить существенную погрешность в вес предмета. Килограммы сахара или зерна с влажностью 5% и 10% будет содержать разное количество сухого сахара или зерна.
Измерение влажности определяется высушиванием влаги и титрованием влаги по Карлу Фишеру. Эти способы являются первичными. Помимо них разработано множество других, которые калибруются по результатам измерений влажности первичными способами и по стандартным образцам влажности.
Влажность воздуха
Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в различных частях атмосферы Земли.
Влажность воздуха - содержание водяного пара в воздухе ; одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата .
Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2% по объёму в высоких широтах до 2,5% в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мб (иногда лишь сотые доли мб) и летом ниже 5 мб; в тропиках же она возрастает до 30 мб, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5-10 мб.
Абсолютная влажность воздуха (f) - это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1м³ воздуха:
f = (масса содержащегося в воздухе водяного пара)/(объем влажного воздуха)
Обычно используемая единица абсолютной влажности: (f) = г/м³
Относительная влажность воздуха (φ) - это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре(см. таблицу)
| t(°С) | -30 | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| f max (г/м³) | 0,29 | 0,81 | 2,1 | 4,8 | 9,4 | 17,3 | 30,4 | 51,1 | 83,0 | 130 | 198 | 293 | 423 | 598 |
φ = (абсолютная влажность)/(максимальная влажность)
Относительная влажность обычно выражается в процентах. Эти величины связаны между собой следующим отношением:
φ = (f×100)/fmax
Относительная влажность очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85% и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы. Низкие значения относительной влажности наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50% и ниже).
С высотой влажность быстро убывает. На высоте 1,5-2 км упругость пара в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу приходится 99% водяного пара атмосферы. В среднем над каждым квадратным метром земной поверхности в воздухе содержится около 28,5 кг водяного пара.
Литература
Усольцев В. А. Измерение влажности воздуха, Л., 1959.
Величины измерения влажности газа
Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:
Абсолютная влажность воздуха масса водяного пара, содержащаяся в единице объема воздуха, т.е. плотность содержащегося в воздухе водяного пара, [г/м³ ]; в атмосфере колеблется от 0,1-1,0 г/м³ (зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне); максимальная влажность воздуха (граница насыщения) количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при определенной температуре в термодинамическом равновесии (максимальное значение влажности воздуха при заданной температуре), [г/м³ ]. При повышении температуры воздуха его максимальная влажность увеличивается; давление пара давление, которое оказывает водяной пар, содержащийся в воздухе (давление водяного пара как часть атмосферного давления), [Па]; дефицит влажности разница между давлением насыщенного пара и давлением пара [Па], то есть между максимальной и абсолютной влажностью воздуха [г/м³ ]; относительная влажность воздуха отношение давления пара к давлению насыщенного пара, то есть абсолютной влажности воздуха к максимальной [% относительной влажности]; точка росы температура газа, при которой газ насыщается водяным паром °C . Относительная влажность газа при этом составляет 100 %. С дальнейшим притоком водяного пара или при охлаждении воздуха (газа) появляется конденсат . Таким образом, хотя роса и не выпадает при температуре −10 или −50°C, выпадает
