Влажность воздуха — формулы, определение, примеры
Все дело в разной влажности воздуха. Интуитивно вы легко определяете, где воздух более влажный: у берегов водоемов, в бассейне, в ванной комнате. Но что такое влажность в физике? Можно ли измерить ее количественно? От чего она зависит? На эти и многие другие вопросы мы получим ответы в статье.
Начнем издалека: чтобы основательно разобраться в теме, нам необходимо понять, что такое испарение и насыщенный пар.
Испарение
Испарение — это парообразование, которое происходит на поверхности жидкости.
«Постойте, — можете возразить вы. — Что-то подобное мы уже изучали в главе “Тепловые явления”. Разве за парообразование не отвечает процесс кипения?»
И это отличный вопрос! Дело в том, что кипение происходит только при температуре кипения и этот процесс затрагивает весь объем жидкости. Испарение же способно происходить при любой температуре и только на поверхности.
В чем причина этого процесса?
Как мы знаем, молекулы жидкости находятся в бесконечном хаотичном движении. При этом скорости молекул отличаются друг от друга, и если быстрая молекула окажется у поверхности жидкости, ей удастся вырваться, вылететь из вещества. Частиц, подобных ей, достаточно много, и процесс будет происходить до тех пор, пока вся жидкость не испарится. Если вы оставите стакан с водой без присмотра на пару минут, вряд ли произойдет что-то непоправимое — вы не заметите, что объем изменился. Но стоит забыть про емкость на пару дней, как от воды не останется и следа.
Скорость испарения зависит от трех факторов. Первый — это род вещества: некоторые жидкости испаряются быстрее, чем остальные. Это происходит потому, что молекулы обладают меньшими силами притяжения: можно легко их преодолеть и вырваться на свободу. Так, эфир является более «независимым», чем пресная вода, он испаряется очень и очень быстро.
Также испарение зависит от температуры, причем эта зависимость прямо пропорциональна: чем больше температура, тем большее количество молекул вылетает из жидкости.
На процесс испарения влияет и площадь поверхности жидкости. Как вы думаете, кто будет чемпионом по количеству вылетевших молекул: океан или маленькая лужица? Думаем, ответ здесь очевиден. Эта зависимость легко прослеживается и в бытовых вопросах: если вы случайно разлили что-то на пол, стоит растереть лужу по всей его поверхности — так она быстрее высохнет. А чтобы белье быстрее высохло, лучше его расправить, чем развесить в мятом состоянии.
Наряду с процессом испарения происходит и обратный ему процесс: часть молекул, вылетевших с поверхности жидкости, вновь возвращается в нее.
Когда количество молекул, вылетевших из жидкости, равно количеству молекул, вернувшихся в жидкость, наступает так называемое динамическое равновесие. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным.
Полезные подарки для родителей
В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!
Насыщенный пар
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
В таком случае ненасыщенный пар — пар, который не находится в динамическом равновесии. Это означает, что количество молекул, находящееся над жидкостью, не постоянно и процесс испарения продолжается.
На нашей планете вода испаряется непрерывно: с поверхностей рек, озер, морей, океанов, а также с растительных и ледяных покровов. Атмосфера всегда наполнена водяным паром — тут-то в дело и вступает понятие влажности.
Понятие влажности. Абсолютная и относительная влажность
Влажность воздуха — это содержание в нем водяных паров. В физике разделяют абсолютную и относительную влажность.
Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом 1 м3 при данных условиях.
Если это определение кажется вам знакомым, то неудивительно: отношение массы к объему носит название плотность, так что под абсолютной влажностью мы подразумеваем плотность водяного пара.
Измеряется она в кг/м3, но часто в таблицах и задачах можно встретить и единицу измерения г/м3.
Абсолютная влажность прямо пропорциональна массе водяных паров: чем их больше, тем больше и абсолютная влажность, и обратно пропорциональна объему воздуха. Так, при равной массе водяных паров абсолютная влажность воздуха будет больше в той емкости, у которой объем меньше, и наоборот.
Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности воздуха к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах.
Чтобы наглядно увидеть разницу между абсолютной и относительной влажностью, давайте посмотрим на сравнительную таблицу.
| Абсолютная влажность | Относительная влажность | |
|---|---|---|
| Обозначение | ||
| Единица измерения | кг/м3 | % |
| Формула | — масса пара (воды) в воздухе, кг — объем воздуха, м3 | — абсолютная влажность, кг/м3 |
Для чего было необходимо вводить относительную влажность, если абсолютная довольно емко количественно описывает явление? Дело в том, что организм человека и других живых существ достаточно чутко реагирует на малейшие изменения влажности.
Для комфортного существования каждого организма необходимо определенное процентное соотношение водяного пара относительно максимально возможного значения, так что введение относительной величины упростило многие расчеты для ученых.
Для определения относительной влажности необходимо учитывать плотность насыщенного водяного пара. Но как ее найти? Без паники!
Плотность и давление насыщенного пара зависят от температуры. Эти соотношения уже рассчитаны учеными, так что мы можем воспользоваться плодами их труда: для нашего удобства в конце учебника по физике и в интернете даны соответствующие таблицы.
Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры
Температура, °C | Давление, мм рт. ст. | Плотность пара, г/см3 |
|---|---|---|
−10 | 1,95 | 2,14 |
−8 | 2,32 | 2,54 |
−6 | 2,76 | 2,09 |
−4 | 3,28 | 3,51 |
−2 | 3,88 | 4,13 |
0 | 4,58 | 4,84 |
2 | 5,3 | 5,6 |
4 | 6,1 | 6,4 |
6 | 7,0 | 7,3 |
8 | 8,0 | 8,3 |
10 | 9,2 | 9,4 |
Таким образом, эта таблица еще раз доказывает, что:
- процесс испарения возможен при любой температуре;
- с ростом температуры увеличиваются плотность и давление насыщенного пара.
Нужно ли всегда рассчитывать влажность с помощью формул? Только представьте: в бассейн вы берете с собой не только плавательный костюм и шапочку, но еще и ручку, блокнот, калькулятор, учебник по физике.
Звучит странно, не правда ли? Как тогда узнать, какая влажность воздуха в бассейне?
Все просто: с помощью измерительных приборов.
Приборы для измерения влажности
Основные приборы для измерения влажности — психрометрический, волосяной и конденсационный гигрометры. Давайте познакомимся со всеми по порядку.
Психрометрический гигрометр
В устройство психрометрического гигрометра входят два обыкновенных термометра: сухой и влажный (его конец обмотан тканью, опущенной в воду). Градусники дают разные показания: по этой разности температур с помощью специальных таблиц и определяют влажность воздуха.
Составим алгоритм работы с психрометрическим гигрометром (психрометром):
Зафиксировать показания сухого и влажного термометров.
Найти разницу их значений.
Сопоставить пункты 1 и 2 с помощью психрометрической таблицы.
Давайте закрепим полученные знания на задаче.
Предположим, сухой термометр зафиксировал температуру, равную 22 °С, а влажный — температуру, равную 19 °С. Чему будет равна влажность воздуха?
Решение.
Рассчитаем разницу значений температур: 22 − 19 = 3.
Найдем в таблице столбец со значением температуры по сухому термометру и сопоставим ее с разницей показаний. Влажность воздуха будет равна 76%.
Волосяной гигрометр
С волосяным гигрометром дела обстоят куда проще. Его действие основано на способности волоса увеличивать свою длину при росте влажности воздуха (думаем, многие из вас сталкивались с проблемой испорченной прически в особенно пасмурные дни).
Вследствие изменения длины волоса стрелка перемещается, указывая на соответствующее значение относительной влажности на круговой шкале.
Конденсационный гигрометр
С помощью конденсационного гигрометра можно определить относительную влажность воздуха по точке росы.
Готовы предположить, что сейчас вы напряглись, так как появилась новая непонятная физическая величина. Уверяем вас, в ней нет ничего сложного.
Точка росы — это температура воздуха, при которой содержащийся в нем пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу.
Для определения этой точки также существует таблица. Обещаем, последняя на сегодня.
База знаний Testo | Влажность | Физические принципы
Практические знания
об измеряемых параметрах
org/BreadcrumbList»>Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Его концентрация меняется в зависимости от времени и расположения и называется влажностью воздуха (или просто влажностью). Воздух, как любая другая субстанция, имеет ограниченную способность поглощать воду. Предел этой способности называется насыщением. Ниже границы насыщения влажный воздух неотличим невооруженным глазом от сухого воздуха. Выше границы насыщения избыточная вода становится видна в виде мельчайших водяных капель (конденсата) – образуется туман.
Способность воздуха поглощать влагу
Способность воздуха поглощать влагу зависит от его температуры.
Чем теплее воздух, тем больше влаги он может поглотить.
Мы можем представить себе губку, поглощающая способность которой зависит от температуры. При 0 °C губка может впитать 4,8 г воды (что соответствует 100 % влажности). Если воды больше, чем 4,8 г, с губки начинает стекать вода. Если губка впитала 2,4 г воды, это соответствует 50 % относительной влажности при 0 °C.
При 20 °C губка может впитать 17,3 г воды (так что 17,3 г воды соответствуют 100 % относительной влажности). Тогда если губка впитала 2,4 г воды при 20 °C, это соответствует примерно 14 % относительной влажности.
Обратите внимание:
Если температура падает, относительная влажность повышается (при том же содержании воды)!
Абсолютная влажность воздуха h5>
Абсолютная влажность (fabs) рассчитывается как отношение массы воды, содержащейся в воздухе, к объему данного воздуха. Абсолютная влажность обычно выражается в г/м³.
Относительная влажность воздуха h5>
Относительная влажность – это отношение текущей фактической влажности воздуха к максимально возможной абсолютной влажности.
Относительная влажность выражается в процентах.
Максимальная влажность воздуха и температура точки росы h4>
Максимальная влажность воздуха
Это максимально возможная абсолютная влажность воздуха при определенной температуре (fmax). Она достигается, когда парциальное давление водяного пара в воздухе равно упругости насыщенного пара в воде при соответствующей температуре. В этом состоянии относительная влажность равна 100 %.
Если максимальная влажность превышена, избыточный водяной пар выделяется в виде конденсата (формируются капли воды). Насыщенная влажность абсолютная и измеряется в г/м³.
Температура точки росы
Температура точки росы – температура, при которой текущее содержание водяного пара в воздухе находится на максимально возможном уровне (влажность воздуха 100 %). Это означает, что давление водяного пара при этом равно упругости насыщенного пара. Таким образом, температура точки росы зависит от текущей температуры.
Температуру точки росы можно вывести из температуры воздуха и относительной влажности, а относительную влажность – из температуры воздуха и температуры точки росы. Кроме того, из этих параметров можно рассчитать абсолютную влажность воздуха.
Информация
В природе конденсирующийся водяной пар выступает на поверхности твердых предметов в виде росы. Люди при низкой и средней активности чувствуют себя наиболее комфортно в диапазоне примерно от 30 % до 65 % относительной влажности воздуха.
Узнайте подробнее о приборах Testo для измерения влажности
Академия влажности — Что такое влажность?
Влажность определяется как некоторая мера содержания водяного пара в воздухе (или другом газе). Термин «влажность» является общим термином для количественной оценки количества водяного пара в газе.
Термин «влажность» часто заменяют термином «относительная влажность», но между этими двумя терминами есть существенная разница в контексте точного измерения.
В этой главе объясняется, почему разница между этими двумя терминами имеет значение для людей, занимающихся измерением водяного пара в чувствительных средах, и рассматриваются термины и определения, используемые для количественного определения количества водяного пара в газе.
Водяной пар играет решающую роль в поддержании качества и эффективности продуктов, которые улучшают нашу повседневную жизнь — продукты, которым потребители доверяют, производятся в соответствии со спецификациями. Производителям в различных отраслях промышленности важно понимать, как работают точные измерения влажности и какую роль играет ваш измерительный прибор.
Важность точности
Влажность измеряется с помощью гигрометра, инструмента, который использует различные материалы и измерения для измерения уровня водяного пара в комнате или пространстве. Хотя ни одно научное измерение не является абсолютно верным, получение максимально точных измерений влажности имеет решающее значение во всех отраслях.
Поскольку водяной пар выше определенного уровня может привести к конденсации и, в конечном итоге, к коррозии или плесени, высокоточные измерения влажности жизненно важны для предотвращения деградации всего, от деревянных строительных материалов, пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, топлива, бумаги, электронных компонентов и многих других материалов. Измерения влажности помогают поддерживать оптимальные условия окружающей среды для продуктов и предотвращают дорогостоящее повреждение ценных товаров.
Техническая информация
В этом разделе мы раскроем основные законы физики, управляющие относительной влажностью. В интервале температур от -50 до 150°С и давлениях не выше 1000 кПа водяной пар практически ведет себя как идеальный газ. Мы будем использовать примеры, чтобы проиллюстрировать влияние температуры и давления на относительную влажность и как преобразовать относительную влажность в точку росы и температуру. абсолютная влажность.
Сначала давайте рассмотрим основы с обзором общих свойств водяного пара во влажном газе.
Испарение
Когда молекула воды покидает поверхность и принимает форму газа, она испаряется. Путем поглощения или выделения кинетической энергии молекула воды переходит из жидкого состояния в парообразное. Жидкая вода, которая становится водяным паром, забирает с собой часть тепла в процессе, называемом испарительным охлаждением.
Определение:
Испарительное охлаждение – это снижение температуры воздуха в результате испарения жидкости, которое отводит тепло от поверхности, с которой происходит испарение. Энергия, удаляемая при испарительном охлаждении, известна как «скрытая теплота».
Испарительное охлаждение ограничено атмосферными условиями. Процесс испарения потребляет больше тепла, когда воздух очень горячий и сухой, что делает эффект охлаждения более выраженным по сравнению с испарительным охлаждением в горячем и влажном воздухе.
Конденсация
Превращение водяного пара в жидкость называется конденсацией.
Водяной пар будет конденсироваться на поверхности только тогда, когда поверхность холоднее, чем температура точки росы, или когда равновесие водяного пара в воздухе превышено. Когда водяной пар конденсируется на поверхности, происходит чистое нагревание. Молекула воды выделяет тепло, а в свою очередь температура атмосферы немного повышается.
Химические реакции.
В результате многих химических реакций образуется вода. Если реакции протекают при температурах выше точки росы окружающего воздуха, вода будет образовываться в виде пара и увеличивать количество водяного пара в газе. Если они будут происходить при температуре ниже точки росы, произойдет конденсация, и из газа выйдет водяной пар.
Другие химические реакции происходят в присутствии водяного пара, что приводит к образованию новых химических веществ, таких как ржавчина на железе или стали.
Узнайте больше о влажности в следующем видео: «Объяснение измерения относительной влажности»
См. соответствующие сообщения в блогах:
Humidity Academy, теория 2 — относительная влажность, давление и температура
Humidity Academy, теория 3 — влажность и давление пара
влажность Academy Theory 4 – Определения влажности: концентрация паров
Humidity Academy Theory 5 — Влияние температуры и давления на % отн. влажн.
Подпишитесь на одну из наших отраслевых информационных бюллетеней, и вы будете получать наши самые последние новости и идеи прямо на свой почтовый ящик!
Регистрация
Полное руководство — Davis Instruments
Если вы когда-либо наблюдали за погодой, то знаете, что измерение влажности важно для правильного прогнозирования и понимания теплового комфорта. Высокая влажность может означать, что пришло время выключить кондиционер и вентиляторы для охлаждения, а также может означать повреждение или порчу продукта в промышленных условиях.
Вот почему специальная сеть датчиков Davis была разработана для измерения внутренней и внешней влажности, температуры и других уровней в конкретной среде в соответствии с вашими уникальными потребностями.
Чтобы лучше понять влажность и то, как она измеряется, давайте немного углубимся в то, как измерять влажность и какие инструменты измеряют влажность.
Что такое влажность?
Влажность – это количество водяного пара в воздухе. Причиной влажности является испарение воды и превращение ее в мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе. Капли настолько малы, что имеют характеристики газа, а не жидкости. Относительная влажность (RH) — это показатель того, насколько насыщен воздух при его текущей температуре. Поскольку теплый воздух может «удерживать» больше водяного пара, чем холодный, относительная влажность более теплого воздуха будет ниже, чем у холодного, даже при том же количестве водяного пара.
При высокой относительной влажности воздух кажется влажным и липким.
Вы могли заметить, что воздух ощущается таким после летнего дождя, когда выглядывает солнце и начинает испаряться вода, или прямо перед летней грозой. Это связано с тем, что воздух становится более насыщенным водяным паром.
Когда относительная влажность достигает 100%, она начинает конденсироваться и выпадать в виде дождя.
Что такое точка росы?
Точка росы – это температура, при которой воздух без изменения давления должен быть охлажден, чтобы стать полностью насыщенным. При такой температуре влага будет конденсироваться в виде росы. Это важно для прогнозирования образования росы, инея, тумана и даже минимальной температуры.
Как измеряется влажность?
Когда вы понимаете основные принципы работы водяного пара и воздуха, измерение влажности становится простым процессом. Выраженный как относительная влажность, он требует измерения как водяного пара, так и температуры. Какими приборами измеряют влажность? Гигрометр – это прибор, используемый для измерения влажности.