"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Влажность показывает, сколько водяного пара содержится в воздухе и насколько этот пар близок к насыщению. Её измеряют, чтобы оценивать условия испарения и конденсации, например при прогнозе погоды или контроле микроклимата. Абсолютную влажность связывают с плотностью пара, относительную выражают в процентах. Для измерений используют психрометр и гигрометр, а результаты сопоставляют с температурой и свойствами насыщенного пара.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Абсолютная влажность воздуха — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Она равна плотности пара: ρ = m/V, где m — масса пара, V — объём; её измеряют, например, в г/м³ или кг/м³. Эта величина показывает, сколько водяного пара фактически содержится в воздухе, но сама по себе ещё не говорит, близок ли воздух к насыщению.
Относительная влажность воздуха — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах: φ = ρ/ρнас · 100%. Она показывает, какую долю от максимально возможной при данной температуре составляет имеющийся в воздухе пар. Чем ближе значение к 100%, тем ближе пар к насыщению.
Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: за одно и то же время из жидкости испаряется столько же молекул, сколько возвращается в неё. Плотность такого пара обозначают ρнас и определяют по температуре. Это значение нужно для сравнения с фактической плотностью пара и расчёта относительной влажности.
Психрометр — прибор для определения относительной влажности по показаниям сухого и смоченного термометров. Резервуар смоченного термометра обёрнут влажной тканью, с поверхности которой испаряется вода. Сравнение двух показаний позволяет судить о том, насколько быстро идёт испарение, а значит, насколько воздух сухой или влажный.
Одна и та же масса водяного пара при разных температурах может соответствовать разной относительной влажности. Причина в том, что плотность насыщенного пара зависит от температуры: тёплый воздух может содержать больше пара до начала насыщения, чем холодный. Поэтому при нагревании воздуха с неизменным количеством пара относительная влажность обычно снижается, а при охлаждении — растёт.
Если известна абсолютная влажность, для расчёта нужно узнать плотность насыщенного пара при температуре воздуха. Её находят в таблице, а затем фактическую плотность делят на табличную и умножают на 100%. Например, если ρ = 8 г/м³, а ρнас при этой же температуре равна 20 г/м³, то φ = 8/20 · 100% = 40%. Сравнение имеет смысл только при одинаковой температуре для обеих плотностей.
Смоченный термометр охлаждается, потому что для испарения воды нужна энергия, которая отбирается у ткани и термометра. Если воздух сухой, водяной пар быстрее уносится от поверхности ткани, испарение идёт интенсивнее и термометр охлаждается сильнее. Во влажном воздухе испарение замедляется, поэтому смоченный термометр остывает слабее и его показание ближе к показанию сухого.
Разность температур сухого и смоченного термометров связана с влажностью, но её недостаточно рассматривать отдельно от температуры воздуха. Поэтому психрометрическая таблица учитывает оба значения: температуру сухого термометра и разность показаний. Чтобы найти результат, измеряют температуры, вычисляют разность и отыскивают соответствующие строку и столбец таблицы. На их пересечении указана относительная влажность.
Гигрометр определяет влажность иначе: его чувствительный элемент меняет свои свойства при изменении содержания водяного пара. Например, меняется длина или электрическое сопротивление материала, и прибор преобразует это изменение в показание влажности. В отличие от расчёта по формуле, при таком измерении не обязательно отдельно знать плотность насыщенного пара, хотя точность прибора зависит от его устройства и калибровки.
| Способ или величина | Что измеряют или находят | Что нужно знать | Как интерпретировать результат |
|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | Массу пара в единице объёма, то есть ρ | Массу водяного пара и объём воздуха | Показывает фактическое содержание пара |
| Относительная влажность по формуле | Отношение ρ к ρнас, выраженное в процентах | Плотность пара и плотность насыщенного пара при той же температуре | Показывает близость пара к насыщению |
| Психрометрический способ | Относительную влажность по двум температурам | Показания сухого и смоченного термометров и психрометрическую таблицу | Чем больше разность показаний, тем обычно суше воздух |
| Гигрометр | Влажность по изменению свойств чувствительного элемента | Показания прибора и его калибровку | Значение считывают со шкалы или дисплея |
Выбирайте строку по тому, какие данные у вас есть: массу и объём, плотности, показания термометров или результат прибора. Для относительной влажности по формуле обязательно сопоставляйте плотности при одной температуре. Для психрометра используйте таблицу, соответствующую прибору, и не пропускайте вычисление разности температур.
Задача 1. При некоторой температуре плотность водяного пара в воздухе равна 8 г/м³, а плотность насыщенного пара — 20 г/м³. Найдём относительную влажность. Здесь обе плотности относятся к одной температуре, поэтому их можно подставить в определение.
Ответ: относительная влажность равна 40%. Это значит, что фактическая плотность пара составляет 40% от плотности насыщенного пара при данной температуре.
Задача 2. Сухой термометр психрометра показывает 22 °C, а смоченный — 18 °C. Определим относительную влажность по психрометрической таблице. Конкретное значение зависит от таблицы, поэтому для примера примем, что в используемой таблице для этих данных указано 68%.
Ответ: по принятой для примера таблице относительная влажность равна 68%. Нельзя определять её только по температуре смоченного термометра: нужны оба показания и правильная таблица.
Задача 3. Воздух при 25 °C охладили, не меняя количества водяного пара, и конденсация началась при 10 °C. По таблице плотность насыщенного пара равна 23 г/м³ при 25 °C и 9,4 г/м³ при 10 °C. Найдём начальную относительную влажность. В момент начала конденсации пар становится насыщенным, поэтому его фактическая плотность равна ρнас при 10 °C.
Ответ: начальная относительная влажность воздуха примерно равна 41%. Температуру начала конденсации называют точкой росы: при ней воздух достигает насыщения.
Путают абсолютную и относительную влажность: считают, что обе показывают одно и то же. Так происходит потому, что обе величины описывают водяной пар, но абсолютная влажность характеризует его фактическую массу в объёме, а относительная — близость к насыщению. Проверьте себя: в абсолютной влажности есть единицы плотности, а относительная выражается в процентах.
В формуле относительной влажности сравнивают плотности насыщенного пара при разных температурах. Ошибка возникает, если забыть, что насыщенное состояние зависит от температуры. Проверьте подстановку: фактическая плотность пара и табличная ρнас должны относиться к одной и той же температуре воздуха.
Относительную влажность принимают за массу водяного пара в воздухе. Этому способствует слово «влажность», которое может звучать как характеристика количества воды. Но относительная влажность — отношение двух плотностей, а не масса; убедитесь, что результат выражен в процентах и лежит от 0 до 100% для ненасыщенного пара.
При работе с психрометром используют только показание смоченного термометра или забывают найти разность температур. Одно показание не сообщает, насколько испарение охладило прибор, а именно это охлаждение связано с влажностью. Проверьте решение: в нём должны быть температура сухого термометра, температура смоченного, их разность и обращение к психрометрической таблице.
Для понимания влажности нужны знания о плотности, температуре и агрегатных состояниях вещества, а также о процессах испарения и конденсации. Тема опирается на различие насыщенного и ненасыщенного пара и на зависимость плотности насыщенного пара от температуры. Эти понятия помогают объяснять образование росы, облаков и тумана, прогнозировать погоду и оценивать условия теплообмена. Они также важны при изучении испарения и конденсации в природе и технике.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность — это масса водяного пара в единице объёма воздуха, то есть плотность пара. Относительная влажность — отношение этой плотности к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах.
Почему относительная влажность меняется при изменении температуры, даже если количество водяного пара не изменилось?
При неизменном количестве пара его плотность остаётся прежней, но плотность насыщенного пара меняется с температурой. Поэтому меняется отношение этих величин: при нагревании относительная влажность обычно уменьшается, а при охлаждении увеличивается.
Почему смоченный термометр обычно показывает меньшую температуру, чем сухой?
Вода с поверхности влажной ткани испаряется, забирая энергию у ткани и термометра. Из-за охлаждения смоченный термометр показывает меньшую температуру; в очень влажном воздухе испарение слабее и разность показаний меньше.
Как по психрометру определить относительную влажность воздуха?
Сначала считывают температуры сухого и смоченного термометров и находят разность между ними. Затем в психрометрической таблице выбирают строку для температуры сухого термометра и столбец для найденной разности: на пересечении указана относительная влажность.
Что означает относительная влажность 100 процентов?
Это означает, что водяной пар в воздухе насыщен: его плотность равна плотности насыщенного пара при данной температуре. При дальнейшем охлаждении избыток пара может начать конденсироваться в капли.
4. Измерение влажности
