4. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её обозначают ρ и вычисляют по формуле ρ = m/V, где m — масса пара, V — объём воздуха. Величина показывает фактическое содержание влаги и измеряется в кг/м³ или г/м³.

Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с водой: за одинаковое время столько же молекул испаряется, сколько конденсируется. При данной температуре он содержит максимально возможное количество пара. С повышением температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются.

Относительная влажность — отношение фактической плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре. Обозначение — φ, формула: φ = ρ/ρнас · 100 %. Эта величина показывает, насколько воздух близок к насыщению, поэтому её обычно выражают в процентах.

Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы содержащийся в нём пар стал насыщенным и началась конденсация. При этой температуре относительная влажность достигает 100 %. Понятие помогает объяснить появление росы, тумана и капель на холодных поверхностях.

Как это устроено

Испарение и конденсация происходят одновременно: молекулы воды покидают поверхность, а часть молекул пара возвращается в жидкость. Сначала при испарении молекул становится больше, поэтому скорость конденсации постепенно возрастает. Насыщение устанавливается тогда, когда скорости двух процессов сравниваются, и количество пара в среднем перестаёт меняться.

При повышении температуры молекулы воды движутся быстрее, поэтому больше из них может покинуть жидкость. Одновременно увеличивается максимально возможная плотность пара, то есть плотность насыщенного пара. Если фактическая масса влаги не изменилась, числитель в формуле относительной влажности остаётся прежним, а знаменатель растёт, поэтому относительная влажность уменьшается.

Абсолютную влажность находят так же, как плотность любого вещества: ρ = m/V. Здесь важно использовать согласованные единицы, например массу в граммах и объём в кубических метрах, чтобы получить г/м³. Относительная влажность сравнивает не массу напрямую, а две плотности при одной и той же температуре: фактическую и максимально возможную.

При охлаждении воздуха плотность насыщенного пара уменьшается, поэтому относительная влажность растёт. Когда температура достигает точки росы, дальнейшее охлаждение уже не может сохранить весь пар в газообразном состоянии. Избыток влаги конденсируется в капли или кристаллики, образуя росу, туман либо облака; измерять влажность можно гигрометром, а психрометр использует разность показаний сухого и влажного термометров, вызванную испарением.

Основные характеристики влажности воздуха

Сначала определите, какую величину требуется найти, и выберите соответствующую строку. В задачах на относительную влажность особенно важно брать плотность насыщенного пара при той же температуре, что указана для фактического пара. Единицы массы и объёма должны соответствовать друг другу.

Разбор задач

Задача 1

В воздухе объёмом 2 м³ содержится 10 г водяного пара. Требуется найти абсолютную влажность. Она определяется отношением массы пара к объёму воздуха, поэтому дополнительных данных о температуре не нужно.

1. Записываем данные: m = 10 г, V = 2 м³.
2. Применяем формулу плотности: ρ = m/V.
3. Подставляем значения: ρ = 10 г/2 м³ = 5 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность равна 5 г/м³. Это означает, что в каждом кубическом метре воздуха находится в среднем 5 г водяного пара.

Задача 2

При температуре 20 °C плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³, а фактическая плотность — 8,65 г/м³. Нужно определить относительную влажность, сравнив фактическое содержание с максимально возможным при этой же температуре.

1. Записываем формулу: φ = ρ/ρнас · 100 %.
2. Подставляем значения: φ = 8,65/17,3 · 100 %.
3. Вычисляем отношение: 8,65/17,3 = 0,5, значит φ = 50 %.

Ответ: относительная влажность равна 50 %. Фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара.

Задача 3

При 20 °C относительная влажность воздуха равна 60 %. Воздух нагрели до 30 °C без изменения содержания пара; плотности насыщенного пара равны 17,3 и 30,4 г/м³. Сначала найдём фактическую плотность пара до нагревания, затем сравним её с новым предельным значением.

1. Из исходной формулы выражаем фактическую плотность: ρ = φρнас/100 %.
2. При 20 °C получаем ρ = 60 · 17,3/100 = 10,38 г/м³.
3. При нагревании без добавления влаги эта плотность сохраняется.
4. Для 30 °C вычисляем новую влажность: φ = 10,38/30,4 · 100 % ≈ 34,1 %.

Ответ: новая относительная влажность приблизительно равна 34 %. Она уменьшилась, потому что воздух при 30 °C способен вместить значительно больше пара, хотя фактическое количество влаги не изменилось.

Типичные ошибки

Путают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность имеет единицы плотности, а относительная является отношением и выражается в процентах. Проверьте себя по единицам: если в ответе получились проценты, найдена относительная влажность.

В формулу относительной влажности подставляют плотность насыщенного пара при другой температуре. Так сравнивать нельзя, потому что допустимое содержание пара зависит от температуры. Проверьте, совпадает ли температура у фактической и насыщенной плотностей.

Считают, что при нагревании воздуха его масса водяного пара обязательно увеличивается. Без испарения дополнительной воды или поступления влажного воздуха масса пара остаётся прежней, меняется только максимально возможное содержание. Проверьте условие: слова без изменения содержания влаги означают постоянную фактическую плотность в рассматриваемом объёме.

Полагают, что относительная влажность в обычном равновесном состоянии может быть больше 100 %. Значение выше 100 % означает пересыщение, которое обычно заканчивается конденсацией. Если расчёт дал больше 100 %, проверьте температуру, единицы и правильность выбора плотности насыщенного пара.

Связь с другими темами

Для решения задач нужны знания о плотности вещества, массе и объёме: именно они лежат в основе формулы ρ = m/V. Также полезно понимать давление газа и связь температуры с движением молекул. Эти понятия объясняют свойства водяного пара.

Влажность связана с уравнением состояния идеального газа и парциальным давлением. Водяной пар образует часть газовой смеси воздуха, поэтому его давление можно рассматривать отдельно. С изменением температуры меняются и характеристики насыщенного пара.

Знания о влажности применяются в метеорологии: они помогают объяснить погоду, облака и осадки. Их используют при расчёте теплопередачи, в климатической технике и при выборе режима вентиляции. Гигрометры и психрометры позволяют получать необходимые измерения на практике.

Что запомнить

• Абсолютная влажность показывает массу водяного пара в единице объёма воздуха.
• Насыщенный пар содержит максимально возможное количество пара при данной температуре.
• Относительная влажность равна отношению фактической плотности пара к плотности насыщенного пара при той же температуре.
• При нагревании воздуха без добавления пара относительная влажность уменьшается.
• При охлаждении воздуха относительная влажность увеличивается.
• Точка росы — температура начала конденсации водяного пара.
• Влажность измеряют гигрометром или психрометром.