"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)
В воздухе всегда может содержаться водяной пар, количество которого влияет на погоду, самочувствие и образование облаков. Абсолютная влажность показывает, сколько пара находится в заданном объёме воздуха, а относительная — насколько это количество близко к насыщению при данной температуре. При охлаждении воздуха относительная влажность растёт и может достигнуть 100%: тогда начинается конденсация. Температуру начала конденсации называют точкой росы, а влажность измеряют специальными приборами.
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 выражают через плотность пара ρ. Проще говоря, она показывает фактическое количество пара в данном объёме, а не то, насколько воздух близок к насыщению. Обычно её измеряют в граммах на кубический метр. Это понятие нужно, чтобы оценить содержание водяного пара независимо от сравнения с возможным максимумом.
Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в равновесии с жидкой водой. При данной температуре его плотность ρнас и давление имеют наибольшие возможные значения. Равновесие означает, что за одинаковое время испаряется и конденсируется примерно одинаковое количество воды. Понятие насыщения задаёт предел, с которым сравнивают фактическое содержание пара.
Относительная влажность — отношение плотности водяного пара в воздухе к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Её обозначают φ и находят по формуле φ = ρ/ρнас · 100%. Например, значение 50% означает, что плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара при этой температуре. Эта величина помогает понять, насколько вероятны конденсация и образование капель.
Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы содержащийся в нём водяной пар стал насыщенным. Если охлаждение продолжается, часть пара превращается в жидкость. Точка росы зависит от того, сколько пара уже есть в воздухе: чем его больше, тем до более высокой температуры достаточно охладить воздух. Она нужна для оценки условий, при которых появятся роса, туман или конденсат.
Водяной пар попадает в атмосферу главным образом при испарении воды с поверхности водоёмов, почвы и растений. При испарении отдельные молекулы покидают жидкость, поэтому количество пара в воздухе может меняться. Одновременно молекулы пара возвращаются в жидкость: этот процесс называется конденсацией. Если при данной температуре испарение и конденсация у поверхности воды уравновешены, пар становится насыщенным.
Максимальное количество пара в воздухе зависит от температуры, потому что при нагревании молекулы воды движутся быстрее. Поэтому больше молекул может находиться в газообразном состоянии, прежде чем установится равновесие с жидкостью. Иными словами, плотность насыщенного пара при более высокой температуре больше. Значит, одно и то же фактическое количество пара может составлять большую или меньшую долю от возможного предела в зависимости от температуры.
Чтобы найти относительную влажность, фактическую плотность пара ρ делят на плотность насыщенного пара ρнас при той же температуре и умножают на 100%: φ = ρ/ρнас · 100%. Деление показывает, какую часть от предельного значения составляет имеющийся пар, а умножение переводит эту долю в проценты. Вместо плотностей можно использовать парциальное давление водяного пара и давление насыщенного пара при той же температуре. Нельзя сопоставлять величины, относящиеся к разным температурам, поскольку предел насыщения при них различается.
Если воздух охлаждать и не добавлять в него пар, его фактическое содержание пара до начала конденсации почти не меняется. При этом плотность насыщенного пара уменьшается, поэтому отношение ρ/ρнас растёт. Когда оно становится равным единице, относительная влажность достигает 100%, и воздух оказывается насыщенным. Дальнейшее охлаждение приводит к конденсации избытка пара, а температура в момент достижения насыщения называется точкой росы.
Для измерения влажности применяют гигрометры и психрометры. У психрометра есть сухой термометр и термометр, резервуар которого обёрнут влажной тканью. Вода испаряется с ткани и забирает тепло у влажного термометра, поэтому его показание обычно ниже. Чем суше окружающий воздух, тем быстрее идёт испарение и тем сильнее охлаждается влажный термометр; по разности показаний с помощью таблицы определяют относительную влажность.
| Понятие или способ | Что характеризует | Обозначение или принцип | Единицы или результат |
|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | Фактическую массу пара в объёме воздуха | Плотность ρ | кг/м³ или г/м³ |
| Насыщенный водяной пар | Состояние равновесия пара и жидкости | Плотность ρнас максимальна при данной температуре | Плотность или давление |
| Относительная влажность | Степень близости к насыщению | φ = ρ/ρнас · 100% | Проценты |
| Точка росы | Температуру начала насыщения при охлаждении | Температура, при которой φ = 100% | °C |
| Психрометр | Влажность по разности температур | Сравнивают сухой и влажный термометры | Относительная влажность, % |
Сначала определите, о какой величине спрашивается: фактическое содержание пара выражает абсолютная влажность, а близость к насыщению — относительная. Для расчёта используйте плотность насыщенного пара именно при температуре воздуха. Психрометр даёт относительную влажность по разности показаний термометров.
При температуре воздуха плотность водяного пара равна 8 г/м³, а плотность насыщенного пара — 20 г/м³. Найдём относительную влажность. Эти плотности уже относятся к одной температуре, поэтому их можно подставлять в формулу напрямую. Поскольку фактическая плотность меньше насыщенной, ответ должен быть меньше 100%.
Ответ: относительная влажность воздуха равна 40%. Проверка здравого смысла: фактическая плотность составляет две пятых от плотности насыщенного пара, значит и процент должен быть равен двум пятым от 100%.
Воздух при неизменном содержании водяного пара охлаждают. Нужно определить, как изменится относительная влажность и что произойдёт при достижении 100%. Фактическое количество пара в объёме до начала конденсации считаем неизменным. При этом температура уменьшается, а вместе с ней меняется допустимая плотность насыщенного пара.
Ответ: относительная влажность растёт; при 100% начинается конденсация водяного пара. Температура, при которой воздух впервые стал насыщенным, — точка росы.
При температуре 20 °C относительная влажность равна 50%. По таблице плотность насыщенного пара при 20 °C составляет примерно 17,3 г/м³. Сначала найдём фактическую плотность пара, а затем используем её как плотность насыщенного пара при точке росы. Так мы переводим известную относительную влажность в значение, по которому можно определить температуру начала конденсации.
Ответ: абсолютная влажность равна примерно 8,65 г/м³, точка росы — около 9 °C. При охлаждении воздуха до этой температуры относительная влажность достигнет 100%, после чего начнётся конденсация.
Путают абсолютную и относительную влажность. Это происходит потому, что обе величины описывают водяной пар, но отвечают на разные вопросы: сколько пара содержится и насколько воздух близок к насыщению. Проверьте, есть ли в задаче сравнение с насыщенным паром или проценты: это признаки относительной влажности. Если дана масса пара в объёме, речь идёт об абсолютной влажности.
Сравнивают плотности, относящиеся к разным температурам. Так делают, забывая, что плотность насыщенного пара меняется при нагревании и охлаждении. Перед подстановкой убедитесь, что ρнас взята для температуры воздуха в задаче. Если температуры не совпадают, сравнение не даёт правильной относительной влажности.
Считают, что нагревание само добавляет водяной пар. Нагретый воздух способен содержать больше насыщенного пара, но это не означает, что пар автоматически появляется. При нагревании без испарения дополнительной воды фактическое количество пара может остаться прежним, а относительная влажность изменится из-за роста ρнас. Для проверки отдельно проследите, что происходит с числителем и знаменателем формулы.
Не учитывают охлаждение влажного термометра психрометра. Его показание ниже из-за испарения воды с ткани, а не из-за неисправности прибора. Чем суше воздух, тем активнее испарение и больше разность температур; при высокой влажности разность меньше. Проверьте, какой термометр влажный, и используйте разность показаний, а не только температуру сухого термометра.
Для понимания влажности нужно знать, как происходят испарение и конденсация, что такое тепловое равновесие и как температура влияет на насыщенный пар. Эти процессы связывают молекулярное движение с наблюдаемыми явлениями погоды. В круговороте воды испарившийся пар переносится в атмосфере и затем может конденсироваться, образуя облака и туман. Точка росы помогает объяснить появление росы и конденсата, а влажность учитывают при прогнозе погоды. Формулы плотности и отношения величин позволяют вычислять влажность и понимать показания приборов.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность показывает фактическую плотность водяного пара в воздухе. Относительная влажность сравнивает её с плотностью насыщенного пара при той же температуре и выражается в процентах.
Почему относительная влажность меняется при нагревании воздуха, даже если пара не добавляли?
При нагревании плотность насыщенного пара увеличивается, а количество водяного пара само по себе может остаться прежним. Поэтому отношение фактической плотности пара к плотности насыщенного обычно уменьшается.
Что происходит с водяным паром, когда относительная влажность достигает 100%?
Воздух становится насыщенным водяным паром. Если охлаждение продолжается, часть пара конденсируется в жидкую воду, например в виде капель тумана или росы.
Как по точке росы понять, выпадет ли роса?
Сравните температуру поверхности с точкой росы: если поверхность охладится до этой температуры или ниже, воздух рядом с ней станет насыщенным и пар начнёт конденсироваться. На поверхности могут появиться капли воды.
Почему показания сухого и влажного термометров психрометра различаются?
Вода с поверхности влажного термометра испаряется и забирает тепло, поэтому он охлаждается. Чем суше воздух, тем быстрее испарение и тем больше разность показаний; при насыщенном воздухе разность близка к нулю.
§ 45. Влажность воздуха
