"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)
Влажность воздуха показывает, сколько водяного пара в нём содержится и насколько воздух близок к насыщению. Её измеряют, чтобы оценивать условия для испарения и конденсации, прогнозировать погоду и поддерживать подходящий микроклимат в помещениях. Абсолютная влажность характеризует массу пара в объёме воздуха, а относительная сравнивает это количество с максимально возможным при той же температуре. По влажности и температуре можно определить точку росы — условие, при котором начинается конденсация.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха; её обозначают ρп и измеряют в кг/м³ или г/м³. По смыслу это плотность водяного пара: она показывает, сколько пара приходится на каждый кубический метр. Эта величина нужна, чтобы количественно описать содержание пара в воздухе, не сравнивая его с предельным значением.
Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в равновесии с водой. При данной температуре его плотность достигает максимального значения: испарение и конденсация происходят с одинаковой интенсивностью. Плотность насыщенного пара обозначают ρн; она нужна как мера того, сколько пара воздух может содержать без образования конденсата при этой температуре.
Относительная влажность — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Её обозначают φ и вычисляют по формуле φ = ρп/ρн · 100%. Эта величина показывает, насколько воздух близок к насыщению, поэтому позволяет оценить вероятность конденсации.
Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы содержащийся в нём пар стал насыщенным и началась конденсация. При достижении этой температуры относительная влажность становится равной 100%. Понятие точки росы помогает определить, когда появятся капли воды на охлаждённой поверхности или выпадет роса.
В воздухе есть водяной пар, потому что вода испаряется с поверхности водоёмов, почвы и других влажных поверхностей. При испарении молекулы воды покидают жидкость и смешиваются с воздухом. Поэтому количество пара удобно характеризовать массой в единице объёма: такая величина учитывает и массу воды, и объём пространства, в котором она распределена.
Максимальное количество пара зависит от температуры из-за движения молекул. При более высокой температуре молекулы воды в жидкости движутся быстрее, и большее их число может переходить в пар, прежде чем установится равновесие с обратной конденсацией. Поэтому при нагревании воздух может содержать больше пара без появления капель, а плотность насыщенного пара возрастает.
Абсолютная влажность сообщает, сколько пара фактически находится в воздухе, но сама по себе не показывает, близок ли воздух к насыщению. Для этого фактическую плотность сравнивают с плотностью насыщенного пара при той же температуре. Такое сравнение и даёт относительную влажность: одинаковое количество пара может соответствовать разным процентам при разных температурах.
Относительная влажность показывает, насколько близко состояние воздуха к началу конденсации. Если количество пара не меняется, а воздух охлаждается, плотность насыщенного пара уменьшается; отношение ρп/ρн поэтому растёт. Когда оно достигает единицы, воздух насыщается: дальнейшее охлаждение приводит к конденсации, а температура этого момента называется точкой росы.
Для измерения влажности используют психрометр — прибор с двумя термометрами, сухим и влажным. Резервуар влажного термометра обёрнут смоченной тканью, с которой испаряется вода; на испарение требуется энергия, поэтому термометр охлаждается. В сухом воздухе испарение интенсивнее и разность показаний больше, а при высокой влажности испарение слабее и показания ближе. По разности температур и показанию сухого термометра находят относительную влажность в психрометрической таблице или по формуле.
| Величина или способ | Обозначение | Определение или формула | Единицы измерения | Как определяется |
|---|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | ρп | Масса водяного пара в единице объёма воздуха | кг/м³ или г/м³ | Отношение массы пара к объёму воздуха |
| Плотность насыщенного пара | ρн | Максимальная плотность пара при данной температуре | кг/м³ или г/м³ | По температуре, например по таблице |
| Относительная влажность | φ | φ = ρп/ρн · 100% | % | Сравнение плотностей пара при одной температуре |
| Точка росы | — | Температура начала насыщения и конденсации при охлаждении | °C | По условиям насыщения при данном содержании пара |
| Психрометр | — | Прибор с сухим и влажным термометрами | — | По разности показаний и психрометрической таблице |
| Гигрометр | — | Прибор для измерения влажности воздуха | Зависит от прибора | По показаниям прибора, принцип работы может различаться |
В таблице сначала выберите нужную величину: абсолютная влажность отвечает на вопрос о массе пара в объёме, а относительная — о близости к насыщению. Для расчётов относительной влажности плотности должны относиться к одной температуре. При работе с психрометром учитывайте оба показания термометров, а не только их разность.
При 20 °C плотность водяного пара равна 10 г/м³, а плотность насыщенного пара — 17,3 г/м³. Требуется найти относительную влажность. Обе величины уже выражены в одинаковых единицах и относятся к одной температуре, поэтому их можно подставлять в формулу напрямую.
Ответ: относительная влажность воздуха составляет примерно 58%. Это означает, что фактическая плотность пара равна примерно 58% плотности насыщенного пара при 20 °C.
Сухой термометр показывает 24 °C, влажный — 19 °C. Нужно определить влажность по психрометрической таблице. Одной разности недостаточно: для выбора нужного значения таблицы важны и разность температур, и температура сухого термометра.
Ответ: значение влажности считывают из психрометрической таблицы на пересечении указанных данных. Число зависит от используемой таблицы, поэтому подменять её случайным значением нельзя. Сам ход решения позволяет выбрать правильную ячейку.
В комнате при 25 °C относительная влажность равна 60%, а плотность насыщенного пара — 23 г/м³. Нужно найти абсолютную влажность и выяснить, начнётся ли конденсация при охлаждении до 15 °C. Сначала восстановим фактическую плотность пара, а затем сравним её с предельной плотностью при новой температуре.
Ответ: абсолютная влажность равна 13,8 г/м³. Чтобы однозначно ответить о конденсации при 15 °C, требуется значение плотности насыщенного пара при 15 °C; в условии оно не дано, поэтому его нужно взять из таблицы. Конденсация начнётся, если это значение окажется меньше 13,8 г/м³.
Первая ошибка — путать абсолютную влажность с относительной: абсолютная является массой пара в единице объёма, а относительная представляет собой процентное отношение. Путаница возникает потому, что обе величины описывают влажность, хотя отвечают на разные вопросы. Проверьте единицы: г/м³ относятся к абсолютной влажности, а проценты — к относительной.
Вторая ошибка — брать плотность насыщенного пара при температуре, отличной от температуры воздуха. Тогда сравниваются несопоставимые состояния, ведь предельная плотность заметно зависит от температуры. Перед подстановкой проверьте, что ρп и ρн относятся к одной и той же температуре.
Третья ошибка — считать, что при нагревании относительная влажность обязательно растёт. Это неверно, если количество водяного пара осталось прежним: при нагревании увеличивается плотность насыщенного пара, и относительная влажность обычно уменьшается. Для проверки рассуждения отдельно проследите, что происходит с числителем и знаменателем формулы.
Четвёртая ошибка — определять показание психрометра только по разности температур. Табличное значение зависит также от температуры сухого термометра, поэтому одинаковая разность не всегда означает одинаковую влажность. Сначала найдите оба показания и их разность, а затем используйте нужную строку и столбец таблицы.
Для изучения влажности нужны знания о плотности, единицах массы и объёма, отношениях величин и процентах. Тема опирается на представления об испарении и конденсации, а также на зависимость насыщенного пара от температуры. Поэтому изменение температуры влияет не только на состояние воздуха, но и на возможность появления капель воды.
Измерение влажности используют в метеорологии и при прогнозировании погоды, а также в сельском хозяйстве. В помещениях контроль влажности помогает оценивать микроклимат и работу отопления. Знание точки росы позволяет предвидеть конденсацию на холодных поверхностях.
Почему относительная влажность может измениться, даже если количество водяного пара в воздухе не меняется?
Относительная влажность зависит не только от количества пара, но и от того, сколько его максимально может содержаться в воздухе при данной температуре. При нагревании этот максимум увеличивается, поэтому при неизменном количестве пара относительная влажность обычно падает. При охлаждении происходит обратное.
Почему влажный термометр психрометра показывает более низкую температуру?
Вода с его поверхности испаряется, а для испарения требуется энергия. Эта энергия отбирается у термометра и окружающего воздуха, поэтому влажный термометр охлаждается. Чем суше воздух, тем быстрее испарение и тем заметнее охлаждение.
Может ли относительная влажность быть больше 100%?
В обычном равновесном состоянии относительная влажность не превышает 100%: при этом значении пар насыщен. Иногда охлаждённый воздух временно содержит больше пара, чем соответствует насыщению, — такое состояние называют пересыщенным. Оно неустойчиво, и избыток пара может сконденсироваться.
Как определить, выпадет ли роса при понижении температуры?
Нужно найти точку росы — температуру, при которой имеющийся в воздухе пар становится насыщенным. Если воздух или поверхность охладится до этой температуры, начнётся конденсация. При дальнейшем охлаждении часть пара может превратиться в капли воды.
Чем психрометр отличается от гигрометра?
Психрометр состоит из сухого и влажного термометров; влажность определяют по разности их показаний, используя таблицу или формулу. Гигрометр — общее название прибора для измерения влажности, который может работать по другому принципу. Психрометр относится к гигрометрическим приборам.
4. Измерение влажности
