Часто с экранов телевизоров или из динамиков радиоприёмников мы слышим про давление и влажность воздуха. Но немногие знают, от чего зависят их показатели и как те или иные их значения сказываются на организме человека.
Для определения насыщенности воздуха водяными парами используются специальные приборы: психрометры и гидрометры. Психрометр Августа представляет собой планку с двумя термометрами: влажным и сухим.
Первый обмотан смоченной в воде тканью, которая при испарении охлаждает его корпус. Опираясь на показания этих термометров, по таблицам определяют относительную влажность воздуха. Существует множество различных гидрометров, их работа может быть основана на весовом, плёночном, электрическом или волосном, а также ряде других принципов действия. В последние годы обрели популярность интегральные датчики измерения. Для того чтобы проверить точность используются гидростаты.
Рассмотрим теперь устройство и принцип действия психрометра – более точного прибора для измерения влажности воздуха. Психрометр имеет два термометра: сухой и влажный. Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду (см. рисунок). Испарение воды с поверхности марли приводит к понижению её температуры. Второй же, «сухой» термометр показывает обычную температуру воздуха. Измеренные психрометром значения температур перевести в значение относительной влажности воздуха можно по таблице (см. ниже).
| Сухой термометр, °C | Разность показаний термометров, °С | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Относительная влажность, % | |||||||||
| 18 | 91 | 82 | 73 | 65 | 56 | 49 | 41 | 34 | 27 |
| 20 | 91 | 83 | 74 | 66 | 59 | 51 | 44 | 37 | 30 |
| 22 | 92 | 83 | 76 | 68 | 61 | 54 | 47 | 40 | 34 |
| 24 | 92 | 84 | 77 | 69 | 62 | 56 | 49 | 43 | 37 |
Рассмотрим пример. Допустим, в комнате температура 20 °С, а влажный термометр показывает 15 °С. То есть разность показаний термометров 5 °С. В таблице, по строке «20», движемся до колонки «5». Читаем там число: 59. Следовательно, относительная влажность воздуха в той комнате, где висит психрометр, составляет именно 59 %.
Если в воздухе, где находится психрометр, мало водяных паров, то парообразование с поверхности марли идёт интенсивно. Согласно формуле Q=rm (см. § 6-г), на это расходуется теплота «отбираемая» у воды на марле, и она охлаждается согласно формуле $Q=C\cdot m\cdot \Delta t^o$ (см. § 6-в). Поэтому влажный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Если воздух настолько влажный, что содержащийся в нём водяной пар является насыщенным, то испарения воды с поверхности марли не будет. Следовательно, оба термометра будут показывать равные температуры, и это будет означать, что относительная влажность воздуха равна 100%.
Проверьте, как вы усвоили материал:
- Цель этого параграфа – рассмотреть...
- Влажность воздуха важна не только для здоровья человека, но и для...
- Почему важно, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар не был (почти) насыщенным?
- Вводимая нами новая физическая величина должна показывать, ...
- Относительная влажность воздуха вычисляется отношением плотности водяного пара в воздухе к...
- Волосяной гигрометр является...
- На изменение относительной влажности воздуха в гигрометре реагирует...
- Гигрометр позволяет (способен) измерять относительную влажность воздуха, так как...
- Удобство использования гигрометра для измерений влажности состоит в том, что его стрелка...
- Вместо гигрометра часто применяют психрометр в качестве...
- Почему правый термометр психрометра обычно показывает более низкую температуру?
- Специально составленную так называемую психрометрическую таблицу, применяют, чтобы...
- Если температура воздуха в комнате 30 °С, а на влажном термометре 25 °С, то...
- При каком условии испарение воды с поверхности марли идёт быстро?
- Влажная марля, а вместе с ней и правый термометр охлаждаются, так как...
- При каком условии оба термометра будут показывать равные температуры?
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.
- 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.
- 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.
- 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
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.
Что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?
Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.
Водяной пар в атмосфере.
Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.
Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью .
Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3).
Парциальное давление водяного пара
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара .
Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.
Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.
Относительная влажность.
По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность .
Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р н. п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:
Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.
При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.
Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы .
По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.
Психрометр.
Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них - психрометре .
Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.
При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.
Значение влажности.
От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40-60%).
Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?
Очень важно знать влажность в метеорологии - в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.
В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.
Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.
Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.
