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.

На Земле много открытых водоемов, с поверхности которых испаряется вода: океаны и моря занимают около 80 % поверхности Земли. Поэтому в воздухе всегда есть водяной пар.

Он легче воздуха, потому что молярная масса воды (18 * 10-3 кг моль-1) меньше молярной массы азота и кислорода, из которых в основном состоит воздух. Поэтому водяной пар поднимается вверх. При этом он расширяется, так как в верхних слоях атмосферы давление ниже,чем у поверхности Земли. Этот процесс приближенно можно считать адиабатическим, потому что за то время, пока он происходит, теплообмен пара с окружающим воздухом не успевает произойти.

1. Объясните, почему при этом пар охлаждается.

Они не падают потому, что парят в восходящих потоках воздуха подобно тому как парят дельтапланы (рис. 45.1). Но когда капли в облаках становятся слишком большими, они начинают все-таки падать: идет дождь (рис. 45.2).

Мы чувствуем себя комфортно, когда давление водяного пара при комнатной температуре (20 ºС) составляет около 1,2 кПа.

2. Какую часть (в процентах) составляет указанное давление от давления насыщенного пара при той же температуре?
Подсказка. Воспользуйтесь таблицей значений давления насыщенного водяного пара при различных значениях температуры. Она была приведена в предыдущем параграфе. Приведем здесь более подробную таблицу.

Вы нашли сейчас относительную влажность воздуха. Дадим ее определение.

Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение парциального давления p водяного пара к давлению pн насыщенного пара при той же температуре:

φ = (p/pн) * 100 %. (1)

Комфортные условия для человека соответствуют относительной влажности 50-60 %. Если относительная влажность существенно меньше, воздух кажется нам сухим, а если больше – влажным. Когда относительная влажность приближается к 100 %, воздух воспринимается как сырой. Лужи при этом не высыхают, потому что процессы испарения воды и конденсации пара компенсируют друг друга.

Итак, об относительной влажности воздуха судят по тому, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению.

Если воздух с находящимся в нем ненасыщенным водяным паром изотермически сжимать, будет увеличиваться как давление воздуха, так и давление ненасыщенного пара. Но давление водяного пара будет увеличиваться только до тех пор, пока он не станет насыщенным!

При дальнейшем уменьшении объема давление воздуха будет продолжать увеличиваться, а давление водяного пара будет постоянным – оно будет оставаться равным давлению насыщенного пара при заданной температуре. Избыток пара сконденсируется, то есть превратится в воду.

3. В сосуде под поршнем находится воздух, относительная влажность которого равна 50 %. Начальный объем под поршнем равен 6 л, температура воздуха 20 ºС. Воздух начинают изотермически сжимать. Примите, что объемом образовавшейся из пара воды можно пренебречь по сравнению с объемом воздуха и пара.
а) Чему будет равна относительная влажность воздуха, когда объем под поршнем станет равным 4 л?
б) При каком объеме под поршнем пар станет насыщенным?
в) Чему равна начальная масса пара?
г) Во сколько раз уменьшится масса пара, когда объем под поршнем станет равным 1 л?
д) Какая масса воды при этом сконденсируется?

2. Как зависит относительная влажность от температуры?

Рассмотрим, как изменяются при повышении температуры числитель и знаменатель в формуле (1), определяющей относительную влажность воздуха.
В числителе стоит давление ненасыщенного водяного пара. Оно прямо пропорционально абсолютной температуре (напомним, что водяной пар хорошо описывается уравнением состояния идеального газа).

4. На сколько процентов увеличивается давление ненасыщенного пара при увеличении температуры от 0 ºС до 40 ºС?

А теперь посмотрим, как изменяется при этом давление насыщенного пара, стоящее в знаменателе.

5. Во сколько раз увеличивается давление насыщенного пара при увеличении температуры 0 ºС до 40 ºС?

Результаты выполнения этих заданий показывают, что при повышении температуры давление насыщенного пара возрастает намного быстрее, чем давление ненасыщенного пара, Следовательно, определяемая формулой (1) относительная влажность воздуха быстро уменьшается с ростом температуры. Соответственно при понижении температуры относительная влажность увеличивается. Ниже мы рассмотрим это подробнее.

При выполнении следующего задания вам поможет уравнение состояния идеального газа и приведенная выше таблица.

6. При 20 ºС относительная влажность воздуха была равна 100 %. Температура воздуха увеличилась до 40 ºС, а масса водяного пара осталась неизменной.
а) Каким было начальное давление водяного пара?
б) Каким стало конечное давление водяного пара?
в) Чему равно давление насыщенного пара при 40 ºС?
г) Чему равна относительная влажность воздуха в конечном состоянии?
д) Как будет этот воздух восприниматься человеком: как сухой или как влажный?

7. В сырой осенний день температура на улице 0 ºС. В комнате температура 20 ºС, относительная влажность 50 %.
а) Где больше парциальное давление водяного пара: в комнате или на улице?
б) В какую сторону будет идти водяной пар, если открыть форточку, – в комнату или из комнаты?
в) Какой стала бы относительная влажность в комнате, если бы парциальное давление водяного пара в комнате стало равным парциальному давлению водяного пара снаружи?

8. Влажные предметы обычно тяжелее сухих: так, промокшее платье тяжелее сухого, а сырые дрова тяжелее сухих. Объясняется это тем, что к собственному весу тела добавляется еще и вес содержащейся в нем влаги. А с воздухом дело обстоит наоборот: влажный воздух легче сухого! Как это объяснить?

3. Точка росы

При понижении температуры относительная влажность воздуха увеличивается (хотя масса водяного пара в воздухе при этом не изменяется).
Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяной пар становится насыщенным. (При специальных условиях можно получить перенасыщенный пар. Его используют в камерах Вильсона для детектирования следов (треков) элементарных частиц на ускорителях.) При дальнейшем понижении температуры начинается конденсация водяного пара: выпадает роса. Поэтому температуру, при которой данный водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы для этого пара.

9. Объясните, почему роса (рис. 45.3) выпадает обычно в предутренние часы.

Рассмотрим пример нахождения точки росы для воздуха определенной температуры с заданной влажностью. Для этого нам понадобится следующая таблица.

10. Человек в очках вошел с улицы в магазин и обнаружил, что его очки запотели. Будем считать, что температура стекол и прилежащего к ним слоя воздуха равна температуре воздуха на улице. Температура воздуха в магазине равна 20 ºС, относительная влажность 60 %.
а) Является ли водяной пар в слое воздуха, прилежащего к стеклам очков, насыщенным?
б) Чему равно парциальное давление водяных паров в магазине?
в) При какой температуре такое давление водяного пара равно давлению насыщенного пара?
г) Какой может быть температура воздуха на улице?

11. В прозрачном цилиндре под поршнем находится воздух с относительной влажностью 21 %. Начальная температура воздуха 60 ºС.
а) До какой температуры надо охладить воздух при постоянном объеме, чтобы в цилиндре выпала роса?
б) Во сколько раз надо уменьшить объем воздуха при постоянной температуре, чтобы в цилиндре выпала роса?
в) Воздух сначала изотермически сжимают, а затем охлаждают при постоянном объеме. Выпадение росы началось, когда температура воздуха упала до 20 ºС. Во сколько раз уменьшили объем воздуха по сравнению с начальным?

12. Почему сильная жара труднее переносится при высокой влажности воздуха?

4. Измерение влажности

Влажность воздуха измеряют часто психрометром (рис. 45.4). (От греческого «психрос» — холодный. Такое название обусловлено тем, что показания влажного термометра ниже, чем сухого.) Он состоит из сухого и влажного термометров.

Показания влажного термометра ниже, чем сухого, потому что при испарении жидкость охлаждается. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее идет испарение.

13. Какой термометр на рисунке 45.4 расположен левее?

Итак, по показаниям термометров можно определить относительную влажность воздуха. Для этого используют психрометрическую таблицу, которую помещают часто на самом психрометре.

Чтобы определить относительную влажность воздуха, надо:
– снять показания термометров (в данном случае 33 ºС и 23 ºС);
– найти в таблице строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствий разности показаний термометров (рис. 45.5);
– на пересечении строки и столбца прочитать значение относительной влажности воздуха.

14. Используя психрометрическую таблицу (рис. 45.5), определите, при каких показаниях термометров относительная влажность воздуха равна 50 %.

Дополнительные вопросы и задания

15. В теплице объемом 100 м3 надо поддерживать относительную влажность не менее 60 %. Рано утром при температуре 15 ºС в теплице выпала роса. Температура днем в теплице поднялась до 30 ºС.
а) Чему равно парциальное давление водяного пара в теплице при 15 ºС?
б) Чему равна масса водяного пара в теплице при этой температуре?
в) Каково минимально допустимое парциальное давление водяного пара в теплице при 30 ºС?
г) Какова при этом масса водяного пара в теплице?
д) Какую массу воды надо испарить в теплице, чтобы поддержать в ней необходимую относительную влажность?

16. На психрометре оба термометра показывают одну и ту же температуру. Чему равна при этом относительная влажность воздуха? Поясните свой ответ.

Слово Влага

Слово Влага в словаре Даля

ж. жидкость вообще: | мокрота, сырость; вода. Волога, жидкость масляная, жир, масло. Без влаги и тепла, нет растительности, нет жизни.

От чего зависит влажность воздуха?

В воздухе ныне туманная влага. Влажный, напоенный влагою, сырой, мокрый, моклый, водянистый. Влажное лето. Влажные луга, пальцы, воздух. Влажное место. Влажность ж. сырость, мокрель, мокрота, состояние влажного. Влажить что, увлажать, делать влажным, поливать или напитывать водою. Влагомер м.

гигрометр, снарядец, показывающий степень влажности воздуха.

Слово Влага в словаре Ожегова

ВЛАГА, -и, ж. Сырость, вода, содержащаяся в чем-н. Воздух, насыщенный влагой.

Слово Влага в словаре Ефремовой

Ударение: вла́га

1. Жидкость, вода илиее испарения, содержащиеся в чем-либо

Слово Влага в словаре Фасмера Макса

вла́га
заимств.

из цслав., ср. ст.-слав. влага (Супр.). См. воло́га.

Слово Влага в словаре Д.Н. Ушакова

ВЛА́ГА, влаги, мн. нет, ·жен. (·книж.). Сырость, вода, испарения. Растения требуют много влаги. Воздух насыщен влагой.

Слово Влага в словаре Синонимов

спиртное, вода, мокрота, влажность, жидкость, сырость, сырь

Слово Влага в словаре Синонимы 4

вода, мокрота, сырость

Слово Влага в словаре Полная акцентуированная парадигма по А.

А. Зализня

вла́га,
вла́ги,
вла́ги,
вла́г,
вла́ге,
вла́гам,
вла́гу,
вла́ги,
вла́гой,
вла́гою,
вла́гами,
вла́ге,
вла́гах

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-t1)H,
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (см.

таблицу 2); а - психрометрический коэффициент, t - температура сухого термометра; t1 - 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.

Что такое влажность воздуха? От чего она зависит?

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

Таблица 3.

Определение относительной влажности по показаниям
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; t1 - 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.

Прогноз погоды на завтра

По сравнению со вчерашним днём в Москве немного похолодало, температура окружающего воздуха понизилась с 17 °C вчера до 16 °C сегодня.

Прогноз погоды на завтра не обещает существенных изменений температуры, она останется на прежнем уровне от 11 до 22 градусов тепла.

Относительная влажность воздуха увеличилась до 75 процентов и продолжает повышаться. Атмосферное давление за прошедшие сутки несущественно понизилось на 2 мм ртутного столба, и стало ещё более низким.

Фактическая погода сегодня

По данным на 2018-07-04 15:00 в Москве ливень, дует слабый ветер

Погодные нормы и условия в Москве

Особенности погоды в Москве определяются, в первую очередь, местоположением города.

Столица находится на Восточно-Европейской равнине, и теплые и холодные массы воздуха свободно перемещаются над мегаполисом. На погоду в Москве оказывают влияние атлантические и средиземноморские циклоны, вот почему уровень осадков здесь выше, и зимой теплее, чем в городах, находящихся на этой широте.

Погода в Москве отражает все явления, характерные для умеренно-континентального климата. Относительная неустойчивость погоды выражается, к примеру, в холодной зиме, с внезапными оттепелями, резком похолодании летом, выпадении большого количества осадков. Эти и другие погодные явления отнюдь не редкость. Летом и осенью в Москве часто отмечаются туманы, причина которых кроется отчасти и в деятельности человека; грозы, случавшиеся даже зимой.

В июне 1998 года сильный шквал унес жизни восьми человек, 157 человек были ранены. В декабре 2010 года сильный ледяной дождь, обусловленный температурной разницей на высоте и на земле, превратил улицы в каток, а гигантские сосульки и ломающиеся под тяжестью льда деревья падали на людей, строения и машины.

Температурный минимум в Москве был зафиксирован в 1940 году, он составил −42,2°C, максимум — +38,2°C отмечен в 2010 году.

Средняя температура июля в 2010 году – 26,1° — близка к норме Арабских Эмиратов и Каира. И в целом, 2010 год стал рекордсменом по количеству температурных максимумов: за лето было установлено 22 суточных рекорда.

Погода в центре Москвы и на окраинах неодинакова.

От чего и как зависит относительная влажность воздуха?

Температура в центральных районах выше, зимой разница может составлять до 5-10 градусов. Интересно, что официальные данные о погоде в Москве предоставляются с метеостанции на ВВЦ, находящейся на северо-востоке города, а это на несколько градусов ниже температурных значений метеостанции на Балчуге в центре мегаполиса.

Погода в других городах Московского региона›

Сухие вещества и влажность

Вода – одно из самых распространенных веществ на земле, она является необходимым условием жизни и входит в состав всех пищевых продуктов и материалов.

Вода, не являясь собственно питательным веществом, жизненно необходима как стабилизатор температуры тела, переносчик нутриентов (питательных веществ) и пищеварительных отходов, реагент и реакционная среда в ряде химических превращений, стабилизатор конформации биополимеров и, наконец, как вещество, облегчающее динамическое поведение макромолекул, включая проявление ими каталитических (энзиматических) свойств.

Вода – важнейшая составляющая пищевых продуктов.

Она присутствует в разнообразных растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, обусловливая консистенцию и структуру. Вода влияет на внешний вид, вкус и устойчивость продукта при хранении. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад в структуру пищи.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует ее причастность к химическим и биологическим изменениям в продукте.

В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Прямыми методами из продукта извлекают влагу и устанавливают ее количество; косвенными (высушиванием, рефрактометрией, по плотности и электропроводности раствора) – определяют содержание сухих веществ (сухого остатка). К косвенным относят также метод, основанный на взаимодействии воды с определенными реагентами.

Определение содержание влаги высушиванием до постоянной массы (арбитражный метод) основано на выделении гигроскопической влаги из исследуемого объекта при определенной температуре.

Высушивание производят до постоянной массы или ускоренными методами при повышенной температуре в течение заданного.

Высушивание образцов, спекающихся в плотную массу, производят с прокаленным песком, масса которого должна быть в 2-4 раза больше массы навески.

Песок придает навеске пористость, увеличивает поверхность испарения, препятствует образованию на поверхности корочки, затрудняющей удаление влаги. Высушивание производят в фарфоровых чашках, алюминиевых или стеклянных бюксах в течение 30 минут, при определённой температуре, зависящей от вида продукта.

Массовую долю сухих веществ (Х, %) вычисляют по формуле

где m – масса бюксы со стеклянной палочкой и песком, г;

m1 – масса бюксы со стеклянной палочкой, песком и

навеской до высушивания, г;

m2 – масса бюксы со стеклянной палочкой, песком и навеской

после высушивания, г.

Высушивание в аппарате ВЧ производится за счёт инфракрасного излучения в аппарате, состоящем из двух соединённых между собой массивных плит круглой или прямоугольной формы (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Аппарат ВЧ для определения влажности

1 – рукоятка; 2 – верхняя плита; 3 – блок управления; 4 — нижняя плита; 5 – электроконтактный термометр

В рабочем состоянии между плитами устанавливают зазор 2-3 мм.

Температура греющей поверхности контролируется двумя ртутными термометрами. Для поддержания постоянной температуры прибор снабжён контактным термометром, включённым последовательно с реле. На контактном термометре устанавливается заданная температура. Прибор включают в сеть за 20…25 мин до начала высушивания для нагревания до заданной температуры.

Навеску продукта высушивают в пакете из роторной бумаги размером 20х14 см в течение 3 мин при определённой температуре, охлаждают в эксикаторе 2-3 мин и быстро взвешивают с точностью до 0,01 г.

Влажность (Х, %) рассчитывают по формуле

где m – масса пакета, г;

m1 – масса пакета с навеской до высушивания, г;

m2 – масса пакета с высушенной навеской, г.

Рефрактометрический метод применяют для производственного контроля при определении содержания сухих веществ в объектах богатых сахарозой: сладких блюдах, напитках, соках, сиропах.

Метод основан на зависимости между коэффициентом преломления исследуемого объекта или водной вытяжки из него и концентрацией сахарозы.

Влажность воздуха

Коэффициент преломления зависит от температуры, поэтому замер производят после термостатирования призм и исследуемого раствора.

Массу сухих веществ (Х, г) для напитков с сахаром рассчитывают по формуле

где а – массовая для сухих веществ, определённая

рефрактометрическим методом, %;

Р – объём напитка, см3.

для сиропов, плодово-ягодных и молочных киселей и др.

по формуле

где а – массовая доля сухих веществ в растворе, %;

m1 – масса растворённой навески, г;

m – масса навески, г.

Кроме этих распространённых методов определения сухих веществ применяется ещё ряд методов, позволяющих определить содержание как свободной, так и связанной влаги

Дифференциальная сканирующая колориметрия.

Если образецохладить до температуры меньше 0оС, то свободная влага замёрзнет, связанная – нет. При нагревании замороженного образца в колориметре можно измерить тепло, потребляемое при таянии льда.

Незамерзающая вода определяется как разница между общей и замерзающей водой.

Диэлектрические измерения . Метод основан на том, что при 0оС значения диэлектрической проницаемости воды и льда примерно равны. Но если часть влаги связана, то её диэлектрические свойства должны сильно отличаться от диэлектрических свойств объёмной воды и льда.

Измерение теплоёмкости .

Теплоёмкость воды больше, чем теплоёмкость льда, т.к. с повышением температуры в воде происходит разрыв водородных связей. Это свойство используют для изучения подвижности молекул воды.

Значение теплоёмкости, в зависимости от её содержания в полимерах, даёт сведения о количестве связанной воды. Если при низких концентрациях вода специфически связана, то её вклад в теплоёмкость мал. В области высоких значений влажности её в основном определяет свободная влага, вклад которой в теплоёмкость примерно в 2 раза больше, чем льда.

Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Метод заключается в изучении подвижности воды в неподвижной матрице.

При наличии свободной и связанной влаги получают две линии в спектре ЯМР вместо одной для объёмной воды.

Предыдущая11121314151617181920212223242526Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Влажность воздуха. Единицы измерения. Влияние на работу авиации.

Вода является веществом, которое может при одной и той же температуре одновременно находиться в различных агрегатных состояниях: газообразном (водяной пар), жидком (вода), твердом (лёд). Эти состояния и называют иногда фазовым состоянием воды.

При определенных условиях вода из одного (фазового) состояния может переходить в другое. Так водяной пар может перейти в жидкое состояние (процесс конденсации), или, минуя жидкую фазу, перейти в твердое состояние – лёд (процесс сублимации).

В свою очередь вода и лёд могут перейти в газообразное состояние – водяной пар (процесс испарения).

Под влажностью понимается одно из фазовых состояний – содержащийся в воздухе водяной пар.

Он поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, почвы, снега, растительного покрова.

В результате испарения часть воды переходит в газообразное состояние, образуя над испаряющей поверхностью слой пара.

Относительная влажность

Этот пар воздушными потоками переносится в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Процесс испарения продолжается до тех пор, пока над испаряющей поверхностью количество водяного пара не достигнет полного насыщения, то есть максимального количества возможного в данном объёме при неизменных давлении и температуре воздуха.

Количество водяного пара, находящегося в воздухе, характеризуют следующие единицы:

Упругость водяного пара .

Как и всякий другой газ, водяной пар имеет собственную упругость и оказывает давление, которое измеряется в мм.рт.ст или гПа. Количество водяного пара в этих единицах обозначается: фактическое – е , насыщающее — Е. На метеостанциях путем измерения упругости в гПа производят наблюдения за влажностью водяного пара.

Абсолютная влажность . Представляет собой количество водяного пара в граммах, содержащихся в одном кубическом метре воздуха (г/ ).

Буквой а – обозначается фактическое количество, буквой А – насыщающее пространство. Абсолютная влажность по своей величине близка к упругости водяного пара, выражаемой в мм рт ст, но не в гПа, при температуре 16,5 С е и а равны между собой.

Удельная влажность представляет собой количество водяного пара в граммах, содержащихся в одном килограмме воздуха (г/кг).

Буквой q — обозначается фактическое количество, буквой Q — насыщающее пространство. Удельная влажность является удобной величиной для теоретических расчетов, так как она не меняется при нагревании, охлаждении, сжатии и расширении воздуха (если только при этом не происходит конденсация воздуха). Величина удельной влажности применяется для всевозможных расчетов.

Относительная влажность представляет собой процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое насыщало бы данное пространство при одной и той же температуре.

Относительная влажность обозначается буквой r .

Согласно определению

r=e/E*100%

Количество водяного пара, насыщающего пространство, может быть различным, и зависит от того, сколько молекул пара может вылететь из испаряющейся поверхности.

Насыщение воздуха водяным паром зависит от температуры воздуха, чем выше температура, тем больше количество водяного пара, и чем ниже температура, тем оно меньше.

Точка росы – это температура, до которой надо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг полного насыщения (при r = 100%).

Разность между температурой воздуха и температурой точки росы (Т-Тd) называется дефицитом точки росы.

Он показывает насколько надо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения.

При малом дефиците насыщение воздуха происходит значительно быстрее, чем при большом дефиците насыщения.

Количество водяного пара зависит так же от агрегатного состояния испаряющей поверхности, от её кривизны.

При одной и той же температуре количество насыщающего пара бывает больше над одной и меньшим надо льдом (лёд имеет прочные молекулы).

При одной и той же температуре количество пара будет большим над выпуклой поверхностью (поверхность капель), чем над ровной испаряющей поверхностью.

Все эти факторы играют большую роль в процессе образования туманов, облаков и осадков.

Понижение температуры приводит к насыщению имеющегося в воздухе водяного пара, а затем и к конденсации этого пара.

Влажность воздуха оказывает существенное влияние на характер погоды, определяя условия полёта. Наличие водяного пара приводит к образованию тумана, дымки, облачности, усложняющие полёт грозы, ледяной дождь.

Абсолютная и относительная влажность

В предыдущем разделе мы использовали ряд физических терминов. Ввиду их большой важности вспомним школьный курс физики и поясним, что же такое влажность воздуха, точка росы и как их измерить.

Первичным объективным физическим параметром является абсолютная (фактическая) влажность воздуха – массовая концентрация (содержание) газообразной воды (испарённой воды, водяных паров) в воздухе, например, количество килограммов воды, испарённом в одном кубическом метре воздуха (точнее, в одном кубическом метре пространства). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много – влажный. Но что значит много? Например, 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха – это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли – 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определённо сказать, что очень много, так много, что никогда не бывает.

Дело в том, что сколь угодно много испарить воды не удаётся, поскольку в обычных банных условиях вода всё же является жидкостью, и лишь очень незначительная часть её молекул вылетает из жидкой фазы через поверхность раздела в газовую фазу. Поясним это на примере того же условного макета турецкой бани – модельного сосуда («кастрюли»), дно (пол), стенки и крышка (потолок) которого имеют одну и ту же температуру. В технике такой изотермический сосуд называется термостатом (духовкой).

Нальём на дно модельного сосуда (на пол бани) воду и, изменяя температуру, измерим абсолютную влажность воздуха при различных температурах. Окажется, что при подъёме температуры абсолютная влажность воздуха быстро повышается, а при снижении температуры – быстро снижается (рис. 23). Это является результатом того, что с ростом температуры быстро (экспоненциально) растёт число молекул воды с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера фазового перехода. Рост числа газифицирующихся («испаряющихся») молекул приводит к увеличению количества (накоплению) молекул воды в воздухе (к росту количества водяных паров), что приводит в свою очередь к увеличению числа молекул воды, вновь «влетающих» в воду (ожижающихся). Когда скорость газификации воды сравнивается со скоростью ожижения водяных паров, наступает равновесие, которое и описывается кривой на рис. 23. Важно при этом иметь в виду, что в состоянии равновесия, когда кажется, что в бане ничего не происходит, ничего не испаряется и ничего не конденсируется, на самом деле в действительности газифицируются (и тут же ожижаются) тонны воды (и водяного пара соответственно). Однако в дальнейшем мы будем считать испарением именно результирующий эффект – превышение скорости газификации над скоростью ожижения, когда количество воды реально уменьшается, а количество водяных паров реально увеличивается. Если же скорость ожижения превышает скорость газификации, то такой процесс будем называть конденсацией.

Значения равновесной абсолютной влажности воздуха называются плотностью насыщенного пара воды и являются максимально возможными абсолютными влажностями воздуха при заданной температуре. При повышении температуры вода начинает испаряться (превращаться в газ), стремясь к повышенному значению плотности насыщенного пара. При снижении температуры происходит конденсация водяных паров либо на охлаждающихся стенках в виде мелких капель росы (затем сливающихся в крупные капли и стекающих в виде ручейков), либо в объеме охлаждающегося воздуха в виде мелких капель тумана размером менее 1 мкм (в том числе и в форме «клубов пара»).

Рис. 23. Абсолютная влажность воздуха do над водой в равновесных условиях (плотность насыщенного пара) и соответствующее давление насыщенного пара ро при различных температурах. Пунктирные стрелки – определение точки росы Тр для произвольного значения абсолютной влажности d.

Так, при температуре 40 °C равновесная абсолютная влажность воздуха над водой в изотермических условиях (плотность насыщенного пара) составляет 0,05 кг/м 3 . И наоборот, для абсолютной влажности 0,05 кг/м 3 температура 40 °C называется точкой росы, поскольку при этой абсолютной влажности и при этой температуре начинает появляться роса (при снижении температуры). С росой знакомы все по запотевшим стёклам и зеркалам в ванных комнатах. Абсолютная влажность воздуха однозначно определяет (по графику на рис. 23) точку росы воздуха и наоборот. Отметим, что точке росы 37 °C, равной нормальной температуре тела человека, соответствует абсолютная влажность воздуха 0,04 кг/м 3 .

Теперь рассмотрим случай, когда условие термодинамического равновесия нарушено. Например, вначале модельный сосуд вместе с находящейся в нём водой и воздухом был нагрет до 40 °C, а затем предположим чисто гипотетически, что температура стен, воды и воздуха вдруг резко поднялась до 70 °C. Вначале имеем абсолютную влажность воздуха 0,05 кг/м 3 , соответствующую плотности насыщенного пара при 40 °C. После подъёма температуры воздуха до 70 °C абсолютная влажность воздуха должна постепенно подняться до нового значения плотности насыщенного пара 0,20 кг/м 3 за счёт испарения добавочного количества воды. И на всём протяжении испарения абсолютная влажность воздуха будет ниже 0,20 кг/м 3 , но будет повышаться и стремиться к значению 0,20 кг/м 3 , которое рано или поздно установится при 70 °C.

Подобные неравновесные режимы перехода воздуха из одного состояния в другое описываются с помощью понятия относительной влажности, значение которой является расчётным и равно отношению текущей абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при текущей температуре воздуха. Таким образом, вначале мы имеет относительную влажность 100 % при 40 °C. Затем, при резком подъеме температуры воздуха до 70 °C, относительная влажность воздуха резко скачком снизилась до 25 %, после чего за счёт испарения вновь стала подниматься до 100 %. Поскольку понятие плотности насыщенного пара бессмысленно без указания температуры, то и понятие относительной влажности тоже бессмысленно без указания температуры. Так, абсолютная влажность воздуха 0,05 кг/м 3 соответствует относительной влажности воздуха 100 % при температуре воздуха 40 °C и 25 % при температуре воздуха 70 °C. Абсолютная же влажность воздуха является величиной чисто массовой и не требует привязки к какой‑либо температуре.

Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность воздуха равна 100 %, то воздух максимально влажен, абсолютная влажность воздуха равна плотности насыщенного пара. Если относительная влажность воздуха равна, например, 30 %, то это означает, что в воздухе испарено лишь 30 % того количества воды, которое в принципе можно испарить в воздухе при этой температуре, но пока не испарено (или пока не может быть испарено по причине отсутствия жидкой воды). Иными словами, численное значение относительной влажности воздуха указывает, может ли ещё испаряться вода и сколько её может испариться, то есть относительная влажность воздуха фактически характеризует потенциальную влагоёмкость воздуха. Подчеркнём, что термин «относительная» соотносит массу воды в воздухе не к массе воздуха, а к максимально возможному массовому содержанию водяных паров в воздухе.

Но что будет, если в сосуде не будет единой температуры? Например, дно (пол) будет иметь температуру 70 °C, а крышка (потолок) – всего 40 °C. Тогда единое понятие плотности насыщенного пара и относительной влажности ввести не удаётся. У дна сосуда абсолютная влажность воздуха стремится подняться до 0,20 кг/м 3 , а у потолка снизиться до 0,05 кг/м 3 . При этом вода на дне будет испаряться, а на потолке будут конденсироваться водяные пары и стекать затем в виде конденсата вниз, в частности на дно сосуда. Такой неравновесный процесс (но, может быть, вполне устойчивый во времени, то есть стационарный) называется в промышленности перегонкой. Этот процесс характерен для реальных турецких бань, в которых постоянно конденсируется роса на холодном потолке. Поэтому в турецких банях в обязательном порядке делают сводчатые потолки с желобами (канавками) для стока конденсата.

Неравновесность может иметь место и во многих иных (а практически во всех реальных) случаях, в частности, при равенстве всех температур, но при нехватке воды. Так, если в процессе испарения вода на дне сосуда исчезает (испаряется), то далее испаряться будет нечему, и абсолютная влажность зафиксируется на одном уровне. Ясно, что достичь относительной влажности воздуха 100 % в этом случае при повышенных температурах не удаётся, что является полезным фактором, в частности для получения сухой сауны или лёгкого пара в русской бане. Но если мы начнём снижать температуру, то при определённой пониженной температуре, называемой точкой росы, на стенках сосуда вновь появится вода в виде конденсата. В точке росы относительная влажность воздуха всегда равна 100 % (по самому определению точки росы).

На принципе появления конденсата при снижении температуры воздуха создан широко известный в промышленности прибор для определения точки росы в газах. В стеклянной камере, через которую пропускают с низкой скоростью исследуемый газ, монтируют полированную металлическую поверхность, которую медленно охлаждают (рис. 24). В момент появления росы (запотевания) измеряют температуру поверхности. Эта температура и принимается за точку росы. Точное определение момента появления росы возможно только при помощи микроскопа, поскольку капли росы в первичный момент очень малы. Охлаждение поверхности производят отбором тепла жидким теплоносителем или любым иным способом. Температуру поверхности, на которую выпадает роса, измеряют любым термометром, предпочтительно термопарным. Принцип действия прибора становится ясным, если «дыхнуть» на холодное зеркало, особенно принесённое с холода в тёплое помещение – по мере нагрева зеркала запотевание неуклонно снижается, а потом прекращается вовсе.

Всё это означает, что при температурах выше точки росы поверхность всегда сухая, а если воду всё же специально налить, то она непременно испарится, поверхность высохнет. А при температуре ниже точки росы поверхность всегда мокрая, а если поверхность всё же искусственно высушить (вытереть), то вода на ней тотчас возникнет «сама собой» в том смысле, что высадится из воздуха в виде росы (конденсата).

Рис. 24. Принцип устройства прибора для точного определения точки росы в газе. 1 – полированная металлическая поверхность для наблюдения факта появления капель росы, 2 – металлический корпус, 3 – стекло, 4 – вход и выход потока газа, 5 – микроскоп, 6 – лампа подсветки, 7 – термометр термопарный со спаем термопары, установленной в непосредственной близости к полированной поверхности, 8 – стакан с охлаждёной жидкостью (например, водоспиртовой сместью с твёрдой углекислотой – сухим льдом), 9 – подъёмник стакана.

Совершенно иная ситуация возникает в том случае, если поверхность является пористой (деревянной, керамической, цементно‑песчаной, волокнистой и т. п.). Пористые материалы характерны тем, что имеют пустоты, причём пустоты имеют вид каналов с малым поперечным размером (диаметром) вплоть до 1 мкм и даже меньше. Жидкость в таких каналах (капиллярах, порах) ведёт себя иначе, чем на непористой поверхности или в каналах с большим поперечным размером. В случае, если поверхность каналов смачивается водой, то вода с поверхности впитывается вглубь материала и испарить её потом, как все знают, будет трудно. А если поверхность каналов водой не смачивается, то вода вглубь материала не впитывается, а если её даже специально «впрыснуть» вглубь материала (например, шприцем), то она всё равно вытеснится (выпарится) наружу. Это происходит потому что в смачивающихся капиллярах образуется вогнутый мениск поверхности жидкости, и силы поверхностного натяжения втягивают жидкость в капилляр (рис. 25). Чем тоньше капилляры, тем сильней впитывается жидкость, причём высота подъёма столба жидкости в капилляре за счёт сил поверхностного натяжения может составлять десятки метров. Поэтому впитывающаяся жидкость постепенно распределяется по всему объёму пористого материала, что и используется деревьями для доставки питающих растворов из корней в листья кроны.

Рис. 25. Иллюстрация свойств пористого материала, представленного в виде совокупности каналов (капилляров, пор) разного поперечного размера d (диаметра). 1 – подложка непористая, 2 – вода, разлитая на подложке, 3 – капилляры пористого материала, всасывающие за счёт поверхностного натяжения F воду с подложки на тем большую высоту, чем тоньше капилляр (условный поперечный размер «канала» d0 для воды вне капилляра равен бесконечности). Чем тоньше капилляр, тем меньше в нём равновесное значение давления паров воды (равновесная абсолютная влажность воздуха, плотность насыщенного пара), вследствие чего пары воды, образующиеся у поверхности воды на подложке, конденсируются на поверхности воды в капилляре (движение паров показано штрих‑пунктирной стрелкой 4 – это явление увлажнения пористого материала парами воды из воздуха называется гигроскопичностью.

Пористые материалы имеют ещё одну важную особенность, обусловленную тем, что плотность насыщенного пара над вогнутой поверхностью воды меньше, чем над ровной плоской поверхностью воды, то есть меньше значений, указанных на рис. 23. Это вызвано тем, что молекулы воды из паровой фазы чаще влетают в компактную (жидкую) воду при вогнутом мениске (поскольку в большей степени «окружены» поверхностью компактной воды), и воздух обедняется водяным паром. Всё это приводит к тому, что вода с плоской поверхности испаряется и конденсируется внутри пористого материала в капиллярах со смачивающимися стенками. Такое свойство пористого материала увлажняться за счёт влажного воздуха называется гигроскопичностью. Ясно, что рано или поздно вся вода с непористых поверхностей «переконденсируется» в капилляры пористого материала. Это значит, что если непористые материалы сухие, то это вовсе не означает, что и пористые материалы в этих условиях тоже сухие.

Таким образом, даже при низкой влажности воздуха (например, при относительной влажности 20 %) пористые материалы могут быть увлажнены (даже при температуре 100 °C). Так, древесина является пористой, поэтому при хранении на складе никак не может стать абсолютно сухой, сколько бы времени её не сушили, а может быть только «воздушно‑сухой». Для получения абсолютно сухой древесины её необходимо нагреть до как можно более высоких температур (120–150 °C и выше) при относительной влажности воздуха как можно более низкой (0,1 % и ниже).

Воздушно‑сухая влажность древесины определяется не абсолютной влажностью воздуха, а относительной влажностью воздуха при заданной температуре. Подобная зависимость характерна не только для древесины, но и для кирпича, штукатурки, волокон (асбест, шерсть и т. п.). Способность пористых материалов поглощать воду из воздуха называется способностью «дышать». Способность «дышать» эквивалентна гигроскопичности. Это явление будет рассмотрено более подробно в разделе 7.8.

Некоторые органические пористые материалы (волокона) способны удлиняться в зависимости от собственной влажности. Например, можно подвесить на обычной шерстяной нитке грузик и, увлажняя нить, убедиться, что нитка удлинилась, а потом по мере высушивания вновь будет укорачиваться. Это даёт возможность, измеряя длину нити, определить влажность нити. А так как влажность нити определяется относительной влажностью воздуха, то по длине нити можно определить и относительную влажность воздуха (правда, ориентировочно, с некоторой погрешностью, увеличивающейся с повышением влажности воздуха). На этом принципе работают бытовые гигрометры (приборы для определения относительной влажности воздуха), в том числе и банные (рис. 26).

Рис. 26. Принцип устройства гигрометра. 1 – гигроскопическая нить, растягивающаяся при увлажнении (из натурального или искусственного материала), неподвижно закреплённая с двух концов на корпусе прибора, 2 – проволочная тяга регулируемой длины для калибровки прибора, 3 – ось вращения показывающей стрелки прибора, 4 – рычаг стрелки, 5 – натяжная пружина, 6 – стрелка, 7 – шкала.

При высыхании укорачиваются и волокна древесины. Этим объясняются эффекты изменения формы веток растений и коробление пиломатериалов при сушке. На гигроскопичности древесины основаны многочисленные конструкции самодельных деревенских гигрометров (рис. 27 и 28).

Таким образом, вогнутые поверхности воды в смачивающихся капиллярах определяют специфические свойства пористых материалов (в частности, гигроскопичность и изменение механических свойств). Не меньшую роль играют и выпуклые поверхности воды (на несмачи‑вающихся плоских поверхностях подложек и в несмачивающихся капиллярах), над которыми давление насыщенных паров воды больше, чем над плоскими и вогнутыми поверхностями воды. Это означает, что несмачивающиеся материалы являются более «сухими», чем смачивающиеся: вода испаряется с несмачивающихся материалов и затем образовавшиеся пары конденсируются на смачивающихся. На этом основано действие водоотталкивающих пропиток древесины, не допускающих не только проникновения жидкой воды в поры, но и конденсацию паров воды внутри древесины. Выпуклостью капель воды в воздухе объясняется лёгкое испарение тумана, а также затруднительность (по сравнению с росой) его образования при переохлаждении влажных газов (в частности, в банях, в облаках, в тучах и т. п.).

Рис. 27. Простейший самодельный гигрометр из высушенной и ошкуренной деревянной ветки. 1 – основной побег, обрезанный с двух сторон и прикреплённый к стене (расположенной в плоскости листа), 2 – вторичный боковой побег толщиной 3–6 мм и длиной 40–60 см, 3 – шкала, нанесённая на стене и построенная по градуированному аттестованному гигрометру (или по метеосводкам данной местности). При низкой относительной влажности древесина побега высыхает, продольное древесное волокно 4 укорачивается и оттягивает боковой побег от основного.

Рис. 28. Простейший самодельный гигрометр, основанный на увеличении массы увлажняющейся древесины при высоких относительных влажностях воздуха. 1 – коромысло (весы), 2 – нить подвески, 3 – груз из негигроскопичного материала (например, металла), 4 – груз из гигроскопичной древесины (тонкий кругляк из поперёк распиленной рыхлой лёгкой древесины типа липы или сетка с опилками и стружками). При повышении относительной влажности воздуха древесина увлажняется и увеличивается в весе, что приводит к наклону коромысла в сторону гигроскопичного груза.

В заключение отметим особенности бытовых понятий и профессиональных терминов, связанных с влажными газами. Очень многие любители бань до сих пор уверены, что каменки русских бань «выдают» при «взрывных» поддачах отнюдь не какие‑то там пары воды, а газовзвесь (пыль) мелких частиц горячей воды, причём самые микроскопические частицы горячей воды и есть тот самый «лёгкий пар». Поэтому сторонникам этой красивой бытовой теории приходится мучительно метаться между явной целесообразностью «турецкой» поддачи на большие, но умеренно горячие поверхности пола (дающей по этой теории, вроде бы самый «лёгкий» пар) и «полезностью» русской поддачи на относительно малые поверхности раскалённых камней. В соответствии с этой теорией и клубы «белого» пара из чайника представляются первичным актом «испарения» воды в чайнике. Затем эти крупные частицы «белого» пара «испаряются» (якобы диссоциируют) вновь уже с образованием микроскопических невидимых глазом частиц воды. Ясно, что все эти соображения являются следствием незнания молекулярной теории веществ, а отсюда и неспособности представить себе конденсированную воду в виде совокупности взаимопритягивающихся молекул, из которой, преодолевая барьер, могут вылетать в воздух отдельные наиболее энергичные молекулы воды (способные разорвать «узы» взаимного притяжения), как раз и образующие пар в виде газа.

В этой книге мы не имеем возможности обсуждать многочисленные бытовые (зачастую очень хитроумные, но дремучие) представления, столь характерные именно для бань. Эта книга предусматривает знакомство с физикой хотя бы на уровне школьной программы. Мы чётко отличаем компактную, жидкую воду, налитую в сосуд, от диспергированной (раздробленной) жидкой воды в виде крупных капель и брызг и/или в виде мелких капель – аэрозолей (медленно опускающихся в воздухе) и/или в виде ультрамелких капель‑тумана и дымки (практически не опускающихся в воздухе). Водяной же пар (водяные пары) – это не вода и не жидкость (пусть даже мелко раздробленная), а газ, это отдельные молекулы воды в пространстве, причём эти молекулы воды настолько далеки друг от друга, что практически не притягиваются друг другу (но иногда взаимодействуют в результате соударений и из‑за этого способны постоянно объединяться – конденсироваться при низких скоростях столкновений молекул). Молекулы воды (в виде водяного пара в бане) всегда находятся в среде молекул воздуха, образуя особый газ – влажный воздух, то есть смесь воздуха с водяным паром (смесь молекул воды, азота, кислорода, аргона и других компонентов, составляющих воздух). И если этот влажный воздух является горячим, то его в банях называют «паром». Диссоциированными же парами воды называются диссоциированные молекулы воды Н 2 О –> ОН + Н, образующиеся при температуре выше 2000 °C. При ещё более высоких температурах свыше 5000 °C образуются различные ионизированные пары воды Н 2 О –> ОН ‑ + Н + = ОН ‑ +Н 3 О + =ОН + Н + + е. Ионизация может происходить и при низких температурах паров, но при электронных или ионных облучениях, например, в тлеющем или коронных электрических разрядах в воздухе.

Пары воды, как и любой газ (или любой пар, например, испаряющегося бензина), невидимы, а туман, являясь не газом, а мелкими капельками воды, рассеивает свет и видим в виде белого «дыма». Каждый день мы можем наблюдать, как из чайника или из‑под крышки кастрюли выходит пар воды, охлаждающийся в воздухе. При выходе из чайника он, сначала невидимый (в виде газа), постепенно охлаждаясь в носике чайника, начинает конденсироваться и превращаться в струи тумана («клубы пара»). Затем капельки тумана смешиваются с воздухом и, если он достаточно сухой (то есть способен принять влагу), вновь испаряются и «пропадают». В банном быту под паром обычно правильно понимают именно невидимые пары воды в воздухе, в том числе паром называют сам горячий влажный воздух в бане: «в бане горячий пар» или «в бане холодный пар». Туман в бане в виде «клубов пара» является нежелательным явлением. Туман образуется при залповом проникновении холодного воздуха через раскрывающиеся двери во влажную баню, а также при поддачах на недостаточно прогретые камни при низких температурах воздуха в бане (точно так же, как туман образуется при выходе пара из чайника). В любом случае образование тумана можно предотвратить повышением температуры пара, а также повышением температуры и снижением влажности воздуха, в который поступает пар (см. раздел 7.5). Если в бане виден туман, то говорят, что пар в бане «сырой» (см. раздел 7.6). Если при входе в баню лицо чувствует влагу (потеет) и очки запотевают, то говорят, что пар «влажный», а если лицо не ощущает влагу – пар «сухой». Конечно же сам водяной пар (как газ) сухим, сырым или влажным быть не может, правильней было бы говорить сухой, сырой или влажный воздух. В профессиональном жаргоне сантехников зачастую применяют технические термины «мокрый» или «влажный» пар, когда хотят пояснить, что в магистральном паропроводе (например, подающем пар непосредственно в парилку городской бани) имеется конденсированная вода (в том числе в виде тумана). Термины «сухой», «перегретый» или «острый» пар используются тогда, когда труба магистрального паропровода внутри сухая, а пар внутри трубы не содержит тумана. Таким образом, терминология бывает совершенно разной, так что порой требуются дополнительные разъяснения. Научная, профессиональная и бытовая терминологии, как правило, не совпадают.

Влажность воздуха – это содержание парообразной воды в атмосфере. Эта характеристика во многом определяет самочувствие многих живых существ, а также влияет на погоду и климатические условия на нашей планете. Для нормальной работы человеческого организма она должна находиться в определённом диапазоне, вне независимости от температуры воздуха. Известны две основных характеристики влажности воздуха – абсолютная и относительная:

• Абсолютная влажность – это масса водяного пара, содержащаяся в одном кубическом метре воздуха. Единица измерения абсолютной влажности - г/м3. Относительная влажность определяется как отношение текущего и максимального значения абсолютной влажности при определенной температуре воздуха.
• Относительную влажность принято измерять в %. По мере увеличения температуры абсолютная влажность воздуха также растет от 0,3 при -30°С до 600 при +100°С. Величина относительной влажности зависит в основном от климатических зон Земли (средние, экваториальные или полярные широты) и сезона года (осень, зима, весна, лето).

Существуют вспомогательные термины для определения влажности. Например, влагосодержание (г/кг), т.е. вес водяных паров на один килограмм воздуха. Или температура «точки росы», когда воздух считается полностью насыщенным, т.е. его относительная влажность равна 100%. В природе и холодильной технике это явление можно наблюдать на поверхностях тел, температура которых меньше температуры точки росы в виде капель воды (конденсата), изморози или инея.

Энтальпия

Также существует такое понятие, как энтальпия. Энтальпия - это свойство тела (вещества), определяющее количество энергии, сохраненной в его молекулярной структуре, которая доступна для преобразования в теплоту при определённой температуре и давлении. Но не всю энергию можно преобразовать в теплоту, т.к. часть внутренней энергии тела остается в веществе для поддержания его молекулярной структуры.

Расчет влажности

Для расчета значений влажности применяют несложные формулы. Так, абсолютную влажность принято обозначать p и определять как

p = m вод. пара / V воздуха

где m вод. пара – масса водяного пара (г)
V воздуха - объем воздуха (м 3), в котором он содержится.

Общепринятое обозначение относительной влажности - φ. Относительную влажность рассчитывают по формуле:

φ = (p/p н) * 100%

где p и p н – текущее и максимальное значение абсолютной влажности. Наиболее часто применяется величина относительной влажности, так как на состояние человеческого организма в большей степени влияет не вес влаги в объеме воздуха (абсолютная влажность), а именно относительное содержание воды.

Влажность весьма важна для нормальной жизнедеятельности практически всех живых существ и, в особенности - человека. Ее величина (по опытным данным) должна находиться в пределах от 30 до 65%, вне зависимости от температуры. Например, низкая влажность зимой (по причине малого количества воды в воздухе) приводит к пересыханию у человека всех слизистых оболочек, тем самым увеличивается риск простудных заболеваний. Высокая влажность наоборот, ухудшает процессы терморегуляции и потоотделения через кожные покровы. При этом появляется ощущение духоты. Кроме того, поддержание влажности воздуха является важнейшим фактором:

• для проведения многих технологических процессов на производстве;
• эксплуатации механизмов и устройств;
• сохранности от разрушения строительных конструкций зданий, элементов интерьера из древесины (мебели, паркета и т.п.), археологических и музейных артефактов.

Расчет энтальпии

Энтальпия это потенциальная энергия, которая содержится в одном килограмме влажного воздуха. Причем при равновесном состоянии газа она не поглощается и не излучается во внешнюю среду. Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпий составляющих его частей: абсолютно сухого воздуха, а также паров воды. Ее величину рассчитывают по следующей формуле:

I = t + 0,001(2500 +1,93t)d

Где t – температура воздуха (°С), а d – его влагосодержание (г/кг). Энтальпия (кДж/кг) является удельной величиной.

Температура по мокрому термометру

Температура по мокрому термометру – это такое ее значение, при котором идет процесс адиабатного (энтальпия постоянна) насыщения воздуха парами воды. Для определения ее конкретного значения используют I – d диаграмму. Вначале на нее наносят точку, соответствующую заданному состоянию воздуха. Затем через эту точку проводят луч адиабаты, пересекая его с линией насыщения (φ = 100%). А уже из точки их пересечения опускают проекцию в виде отрезка с постоянной температурой (изотерма) и получают температуру мокрого термометра.

I-d диаграмма является основным инструментом для расчетов/построений разных процессов, связанных с изменением состояния воздуха – нагрева, охлаждения, осушения и увлажнения. Ее появление значительно облегчило понимание процессов, происходящих в системах и агрегатах для сжатия воздуха, вентиляции и кондиционирования. Эта диаграмма графически показывает полную взаимозависимость основных параметров (температуры, относительной влажности, влагосодержания, энтальпии и парциального давления паров воды), определяющих тепло-влажностный баланс. Все значения указаны при определенном значении атмосферного давления. Обычно это 98 кПа.

Диаграмма выполнена в системе косоугольных координат, т.е. угол между ее осями составляет 135°. Это способствует увеличению зоны ненасыщенного влажного воздуха (φ = 5 – 99%) и сильно облегчает графическое нанесение происходящих с воздухом процессов. На диаграмме представлены следующие линии:

• криволинейные - влажности (от 5 до 100%).
• прямые - постоянной энтальпии, температуры, парциального давления и влагосодержания.

Ниже кривой φ = 100% воздух полностью насыщен влагой, находящейся в нем в виде жидкости (вода) или твердом (иней, снег, лед) состоянии. Определить состояние воздуха во всех точках диаграммы можно, зная любые два его параметра (из четырех возможных). Графическое построение процесса изменения состояния воздуха значительно облегчается с помощью дополнительно нанесенной круговой диаграммы. На ней под разными углами показаны значения тепло-влажностного отношения ε. Эта величина определяется наклоном луча процесса и рассчитывается как:

где Q – теплота (кДж/кг) и W - влага (кг/ч), поглощаемые или выделяемые из воздуха. Значение ε делит всю диаграмму на четыре сектора:

• ε = +∞ … 0 (нагрев + увлажнение).
• ε = 0 … -∞ (охлаждение + увлажнение).
• ε = -∞ … 0 (охлаждение + осушение).
• ε = 0 … +∞ (нагрев + осушение).

Измерение влажности

Измерительные приборы для определения значений относительной влажности называются гигрометрами. Для замера величины влажности воздуха используют несколько основных методов. Рассмотрим три из них.

1. Для сравнительно неточных замеров в быту применяют волосяные гигрометры. В них чувствительным элементом является конский или человеческий волос, который в натянутом состоянии установлен в стальную рамку. Оказалось, что этот волос в обезжиренном виде способен чутко реагировать на малейшие изменения относительной влажности воздуха, изменяя свою длину. По мере увеличения влажности волос удлиняется, при уменьшении – наоборот, укорачивается. Стальная рамка, на которой закреплен волос, связана со стрелкой прибора. Стрелка воспринимает от рамки изменение размера волоска и вращается вокруг своей оси. При этом она указывает на градуированной шкале (в %) относительную влажность.
2. При более точных теплотехнических измерениях во время научных исследований применяют гигрометры конденсационного типа и психрометры. Они осуществляют косвенный замер относительной влажности. Гигрометр конденсационного типа изготовлен в виде закрытой цилиндрической емкости. Одна из ее плоских крышек отполирована до состояния зеркала. Внутрь емкости устанавливают термометр и наливают какую-нибудь легкокипящую жидкость, например эфир. Затем ручным резиновым диафрагменным насосом в емкость закачивается воздух, который начинает там интенсивно циркулировать. Из-за этого эфир вскипает, понижает температуру (охлаждает) поверхность емкости и ее зеркало соответственно. На зеркале появятся капли воды, сконденсированной из воздуха. В этот момент времени необходимо зафиксировать показания термометра, который покажет температуру «точки росы». Потом с помощью специальной таблицы определяют соответственную плотность насыщенного пара. А по ним уже и величину относительной влажности.
3. Психрометрический гигрометр это пара термометров, установленных на основание с общей шкалой. Один из них называют сухим, он измеряет действительную температуру воздуха. Второй называют – мокрым. Температура мокрого термометра – это температура, которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и сохранении постоянной энтальпии воздуха, равной начальной, т. е. это предельная температура адиабатического охлаждения. У мокрого термометра шарик оборачивают тканью из батиста, которую погружают в емкость с водой. На ткани происходит испарение воды, что ведет к понижению температуры воздуха. Этот процесс охлаждения идет до момента, когда воздух вокруг шарика не станет полностью насыщенным (т.е. с относительной влажностью 100%). Этот термометр покажет «точку росы». На шкале прибора имеется и т.н. психрометрическая таблица. С ее помощью по данным сухого термометра и разности температур (сухой минус мокрый) определяют текущее значение относительной влажности.

Регулирование влажности

Для повышения влажности (увлажнения воздуха) применяют увлажнители. Увлажнители отличаются большим разнообразием, которое определяется способом увлажнения и дизайном. По способу увлажнения увлажнители делятся на: адиабатические (форсуночные) и паровые. В паровых увлажнителях водяной пар образуется при нагреве воды на электродах. Как правило, в быту наиболее часто используются паровые увлажнители. В системах вентиляции и центрального кондиционирования применяются увлажнители как парового, так и форсуночного типа. В промышленных вентиляционных системах увлажнители могут размещаться как непосредственно в самих вентиляционных установках, так и в виде отдельной секции в вентиляционном канале.

Наиболее эффективный метод удаления влаги из воздуха реализуется при помощи на базе компрессорных холодильных машин. Они осушают воздух путем конденсации водяных паров на охлажденной поверхности теплообменника испарителя. Причем его температура должна быть ниже «точки росы». Собранная таким способом влага самотеком или с помощью насоса удаляется наружу по дренажной трубе. Существуют различных типов и назначений. По типам осушители делятся на моноблочные и с выносным конденсатором. По назначению осушители делятся на:

• бытовые мобильные;
• профессиональные;
• стационарные для бассейнов.

Основная задача систем осушения – обеспечивать благоприятное самочувствие находящихся внутри людей и безопасную эксплуатацию конструктивных элементов зданий. Особенно важно поддерживать уровень влажности в помещениях с повышенным выделением влаги, таких как бассейны, аквапарки, банные и SPA-комплексы. Воздух в бассейне имеет повышенную влажность из-за интенсивных процессов испарения воды с поверхности чаши. Поэтому избыток влаги - определяющий фактор при . Избыток влаги, а также наличие в воздухе агрессивных сред, как например, соединения хлора оказывают разрушительное воздействия на элементы строительных конструкций и отделку в помещении. Влага конденсируется на них, вызывая появление плесневых грибков или коррозионное разрушение металлических элементов.

По этим причинам рекомендуемая величина относительной влажности воздуха внутри бассейна должна поддерживаться в диапазоне 50 – 60%. Строительные консьтрукции, в частности стены и остекленные поверхности помещения бассейна следует дополнительно защитить от выпадения влаги на них. Это можно реализовать путем подачи на них потока приточного воздуха, причем обязательно в направлении снизу-вверх. Снаружи здание должно иметь слой высокоэффективной тепловой изоляции. Для достижения дополнительных преимуществ настоятельно рекомендуем применять разнообразные осушители воздуха, но только лишь в комбинации с оптимально рассчитанными и подобранными

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.