"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Относительная влажность показывает, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению при данной температуре. Для её определения сравнивают фактическую плотность или парциальное давление пара с максимально возможными при той же температуре. Из темы становится понятно, почему при охлаждении появляется роса, как находят точку росы, отчего меняется влажность после нагревания и как работают гигрометры и психрометры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Абсолютная влажность — плотность водяного пара в воздухе, обозначаемая ρп. Она показывает, сколько пара содержится в 1 м³ воздуха; единицы измерения — г/м³ или кг/м³. Эта величина нужна, чтобы описать фактическое содержание пара, не сравнивая его пока с возможным максимумом.
Насыщенный водяной пар находится в динамическом равновесии с водой: за одинаковое время столько же молекул испаряется, сколько возвращается в жидкость. При данной температуре плотность и давление насыщенного пара максимальны. Эти значения используют как эталон для оценки влажности.
Относительная влажность — отношение фактической влажности воздуха к влажности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах; её обозначают φ. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению. При φ = 100% дальнейшее охлаждение обычно вызывает конденсацию.
Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух при неизменном содержании пара, чтобы он стал насыщенным и началась конденсация. Если поверхность холоднее точки росы, на ней появляются капли. По точке росы можно предсказать образование росы, тумана или конденсата.
При испарении молекулы воды покидают поверхность, а при конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. В закрытом объёме сначала испарение преобладает, но по мере накопления пара конденсация усиливается. Насыщение наступает тогда, когда оба процесса в среднем уравновешиваются; это динамическое равновесие, а не прекращение движения молекул.
Температура определяет, сколько пара может находиться в воздухе. При нагревании молекулы движутся быстрее, поэтому большее их число может оставаться в газовой фазе, и максимальные плотность и давление насыщенного пара растут. При охлаждении допустимое содержание уменьшается: избыток пара превращается в жидкость.
Относительную влажность можно находить через плотности: φ = ρп/ρнас · 100%. При одинаковой температуре плотность газа пропорциональна его давлению, поэтому используется и равенство φ = pп/pнас · 100%. Важно сравнивать фактическое и насыщенное значения при одной температуре, иначе отношение не описывает степень насыщения.
Если масса водяного пара не меняется, охлаждение уменьшает максимально возможное содержание пара, поэтому относительная влажность растёт. Нагревание, наоборот, увеличивает этот максимум, и та же масса пара занимает меньшую долю от насыщенного состояния. Когда при охлаждении достигается точка росы, начинается конденсация: пар превращается в капли на поверхностях или в мельчайшие капли тумана.
Гигрометр непосредственно показывает влажность, используя свойства материала или датчика, зависящие от содержания пара. В психрометре сравнивают показания сухого и влажного термометров: испарение с влажного резервуара охлаждает его, причём тем сильнее, чем суше воздух. Поэтому показания обоих приборов зависят от температуры, а для психрометра также важна разность температур и таблицы или формулы расчёта.
| Величина | Обозначение | Физический смысл | Формула или условие | Единица измерения |
|---|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | ρп | Плотность фактического водяного пара | ρп = mп/V | г/м³, кг/м³ |
| Плотность насыщенного пара | ρнас | Максимальная плотность пара при данной температуре | ρп ≤ ρнас | г/м³, кг/м³ |
| Относительная влажность | φ | Доля фактического содержания пара от насыщенного | φ = ρп/ρнас · 100% | % |
| Парциальное давление водяного пара | pп | Давление, создаваемое только молекулами водяного пара | φ = pп/pнас · 100% | Па, кПа |
| Точка росы | tр | Температура начала насыщения и конденсации | φ = 100% | °C |
Сначала определите, какая величина дана в условии: плотность или давление пара. Затем найдите насыщенное значение при той же температуре и подставьте данные в соответствующую формулу. Для точки росы сравнивают фактическое содержание пара с максимально возможным при новой температуре.
Условие: при температуре 20 °C абсолютная влажность равна 10 г/м³, а плотность насыщенного пара — 17,3 г/м³. Найдём относительную влажность. Здесь обе плотности относятся к одной температуре, поэтому их можно непосредственно сравнить.
Ответ: относительная влажность воздуха примерно равна 58%.
Условие: парциальное давление водяного пара равно 1,2 кПа, а давление насыщенного пара при той же температуре — 2,4 кПа. Нужно найти относительную влажность. Общее атмосферное давление здесь не используется, потому что в формулу входит только давление водяного пара.
Ответ: относительная влажность равна 50%.
Условие: воздух при 20 °C имеет влажность 60%, затем его охладили до 10 °C без изменения количества пара. По таблице: при 20 °C ρнас = 17,3 г/м³, а при 10 °C — около 9,4 г/м³. Нужно выяснить, начнётся ли конденсация.
Ответ: конденсация начнётся, потому что при 10 °C воздух не может удержать прежнее количество пара.
Путают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность — фактическая плотность пара с единицами г/м³, а относительная — её доля от насыщенного значения в процентах. Проверьте себя по единице измерения и по наличию сравнения с насыщенным паром.
Берут плотность насыщенного пара при другой температуре. Такое сравнение нарушает смысл относительной влажности, ведь предельное содержание пара сильно зависит от температуры. Убедитесь, что температура для ρп и ρнас одинакова.
Считают, что при нагревании обязательно увеличивается количество пара. Без дополнительного испарения масса водяного пара не меняется, изменяется только максимально возможное содержание и относительная влажность. Спросите себя, добавлялась ли вода или происходило ли испарение.
Не замечают влажность больше 100%. Такой результат возможен только как кратковременное пересыщение перед конденсацией или как следствие ошибки в данных и вычислениях. Проверьте температуру, единицы и то, не перепутаны ли фактическое и насыщенное значения.
Для расчётов нужны плотность вещества, массовая доля и давление, а также понимание состояния насыщения. Тема напрямую связана с испарением, кипением, конденсацией и фазовыми переходами, поскольку описывает переход воды между жидким и газообразным состояниями. Влажность учитывают в метеорологии и прогнозах погоды, а также при выборе режима увлажнителей и вентиляции.
Может ли относительная влажность быть больше 100%?
В обычном устойчивом состоянии относительная влажность не превышает 100%. Значение больше 100% означает пересыщенный пар: начинается конденсация либо в условии или измерении есть ошибка.
Почему после проветривания зимой влажность в комнате часто уменьшается?
Холодный наружный воздух может содержать мало водяного пара. Попав в комнату и нагревшись без дополнительного испарения, он сохраняет почти то же количество пара, но его относительная влажность уменьшается.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность показывает массу водяного пара в единице объёма воздуха и измеряется, например, в г/м³. Относительная влажность показывает, какую долю от насыщенного состояния составляет это содержание, и выражается в процентах.
Почему на холодном стекле появляется вода?
Воздух у стекла охлаждается. Если температура поверхности ниже точки росы, содержащийся в воздухе пар становится насыщенным и часть его конденсируется в капли воды.
Как по относительной влажности понять, насколько воздух близок к насыщению?
Чем ближе относительная влажность к 100%, тем ближе воздух к насыщению водяным паром. Например, 60% означает, что фактическая плотность пара составляет 0,6 от плотности насыщенного пара при той же температуре.
1. Относительная влажность
