§ 45. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Водяной пар в воздухе — газообразная вода, попавшая туда при испарении. Его содержание меняется, когда вода испаряется или, наоборот, переходит из газа в жидкость. Знать о паре нужно, чтобы объяснять влажность, образование росы и запотевание поверхностей.

Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её обозначают ρ и вычисляют по формуле ρ = m/V, где m — масса пара, а V — объём воздуха; единица измерения — кг/м³ или г/м³. Эта величина позволяет узнать, сколько пара фактически содержится в заданном объёме.

Относительная влажность — отношение фактической плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Её обозначают φ: φ = (ρ/ρнас) · 100%, где ρнас — плотность насыщенного пара. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению, и помогает сравнивать влажность при разных температурах.

Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух при неизменном содержании водяного пара, чтобы пар стал насыщенным. При этой температуре относительная влажность достигает 100%, и начинается конденсация. Понятие точки росы помогает предсказать, появятся ли капли на охлаждённом стекле или другой поверхности.

Как это устроено

Водяной пар появляется в воздухе, когда молекулы покидают поверхность воды при испарении. Обратный процесс, конденсация, происходит, когда молекулы пара возвращаются в жидкость. Если при данной температуре число молекул, покидающих жидкость за время, становится равным числу возвращающихся, устанавливается динамическое равновесие и пар называют насыщенным.

Насыщение наступает не при одном и том же количестве пара для любой температуры. При нагревании молекулы движутся быстрее, и большее их число может оставаться в газообразном состоянии над водой. Поэтому плотность насыщенного пара при более высокой температуре больше: тёплый воздух может содержать больше водяного пара, прежде чем станет насыщенным.

Абсолютная влажность описывает фактическую массу пара в объёме, но не сообщает, близко ли это количество к пределу насыщения. Например, одна и та же абсолютная влажность при низкой температуре может соответствовать почти насыщенному воздуху, а при высокой — далёкому от насыщения. Чтобы оценить это различие, используют относительную влажность.

Для её нахождения фактическое содержание пара сравнивают с предельным для той же температуры. В формуле φ = (ρ/ρнас) · 100% отношение плотностей показывает долю от насыщения, а умножение на 100% переводит её в проценты. Например, φ = 50% означает, что фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара при этой температуре.

Если воздух охлаждать, не добавляя и не удаляя водяной пар, его фактическое содержание пара остаётся прежним, а предельное содержание уменьшается. Поэтому относительная влажность растёт. Когда она достигает 100%, воздух достигает точки росы; дальнейшее охлаждение приводит к конденсации, например к появлению росы на траве или запотеванию холодной поверхности.

Влажность измеряют, в частности, гигрометром и психрометром. У психрометра есть сухой термометр и смоченный термометр, резервуар которого обёрнут влажной тканью. Вода с ткани испаряется и отнимает тепло, поэтому смоченный термометр обычно показывает более низкую температуру; чем суше воздух, тем интенсивнее испарение и тем больше разность показаний. По этой разности и температуре сухого термометра находят относительную влажность в психрометрической таблице.

Величины и понятия, характеризующие влажность воздуха

Сначала определите, что именно требуется найти: массу пара в объёме, долю от насыщения или температуру начала конденсации. Затем выберите соответствующую формулу или таблицу и обязательно учитывайте температуру. Для психрометра нужны оба показания термометров: одной температуры недостаточно.

Разбор задач

В комнате объёмом 50 м³ содержится 500 г водяного пара. Найдём абсолютную влажность воздуха. Здесь известны масса пара и объём, поэтому используем определение абсолютной влажности: делим массу на объём. Массу удобно оставить в граммах, чтобы сразу получить результат в г/м³.

1. Записываем данные: m = 500 г, V = 50 м³.
2. Используем формулу ρ = m/V.
3. Подставляем значения: ρ = 500 г / 50 м³ = 10 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность воздуха равна 10 г/м³. Проверка: при умножении найденной влажности на объём получается исходная масса — 10 г/м³ · 50 м³ = 500 г.

При данной температуре плотность насыщенного водяного пара равна 20 г/м³, а фактическая плотность — 10 г/м³. Требуется найти относительную влажность. Сравнивать нужно именно плотности при одной и той же температуре: первая показывает фактическое содержание, вторая — максимально возможное. Их отношение переведём в проценты.

1. Записываем данные: ρнас = 20 г/м³, ρ = 10 г/м³.
2. Используем формулу φ = (ρ/ρнас) · 100%.
3. Подставляем: φ = (10/20) · 100% = 50%.

Ответ: относительная влажность равна 50%. Это означает, что при указанной температуре фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара.

По показаниям сухого и смоченного термометров психрометра и таблице требуется определить относительную влажность, а затем выяснить, начнётся ли конденсация при охлаждении помещения до заданной температуры. Числовые показания термометров и температура охлаждения в условии не приведены, поэтому численный результат получить нельзя. Алгоритм решения состоит из поиска влажности, а затем точки росы по таблицам.

1. Записываем температуру сухого термометра и температуру смоченного термометра.
2. Вычитаем из показания сухого термометра показание смоченного и по этой разности вместе с температурой сухого термометра находим φ в психрометрической таблице.
3. По найденным температуре и влажности определяем точку росы: это температура насыщения при фактическом содержании пара.
4. Сравниваем заданную температуру охлаждения с точкой росы. Если она равна точке росы или ниже неё, начинается конденсация.

Ответ: относительную влажность берут из психрометрической таблицы, а наличие конденсации определяют сравнением температуры охлаждения с точкой росы. Без показаний приборов и заданной температуры численный ответ и однозначный вывод о конденсации невозможны.

Типичные ошибки

Первая ошибка — путать абсолютную влажность с относительной. Их смешивают, потому что обе величины описывают содержание водяного пара, но первая измеряется массой на объём, а вторая — в процентах от насыщения. Проверьте себя по единицам и смыслу: г/м³ относится к абсолютной влажности, знак % — к относительной.

Вторая ошибка — сравнивать фактическую плотность пара с плотностью насыщенного пара при другой температуре. Предельное содержание зависит от температуры, поэтому такое отношение не показывает верную степень насыщения. Перед вычислением проверьте, что в знаменателе стоит ρнас именно для температуры воздуха из условия.

Третья ошибка — считать, что при нагревании воздуха количество водяного пара обязательно увеличивается. Нагрев сам по себе не добавляет воду; масса пара может остаться прежней, если не происходит испарение или поступление влаги. Проверьте условие: при неизменном содержании пара меняется его отношение к новому пределу насыщения, а не обязательно фактическая масса.

Четвёртая ошибка — принимать 0 °C за обязательную температуру начала конденсации. Точка росы определяется исходным содержанием пара и может быть как выше, так и ниже нуля. Чтобы проверить решение, найдите температуру насыщения по фактической влажности, а затем сравните с ней температуру охлаждения.

Связь с другими темами

Для изучения влажности нужны понятия массы, объёма и плотности, а также представление об агрегатных состояниях вещества. Тема напрямую связана с испарением, конденсацией и насыщенным паром: эти процессы объясняют появление росы, тумана и облаков. Знание относительной влажности и точки росы помогает разбираться в работе гигрометров и психрометров и решать задачи о состоянии водяного пара.

Что запомнить

• Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма.
• Относительная влажность показывает, насколько фактическое содержание пара близко к насыщению.
• Относительную влажность выражают в процентах.
• Максимально возможное содержание водяного пара увеличивается с температурой.
• При охлаждении воздуха без изменения количества пара его относительная влажность растёт.
• При достижении точки росы водяной пар начинает конденсироваться.