"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Влажность воздуха показывает, сколько водяного пара содержится в воздухе и насколько это количество близко к насыщению. Она важна для описания погоды, образования росы и облаков, а также для оценки условий в помещении. Абсолютную влажность находят по массе пара в единице объёма, а относительную — сравнивая её с плотностью насыщенного пара при той же температуре. Для расчётов нужны плотность пара, температура и объём воздуха.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе. Она характеризует именно пар, потому что капли воды — это уже жидкость, а не газообразная часть смеси. Поэтому наличие тумана или капель само по себе не заменяет измерение количества пара. Понятие влажности нужно, чтобы описывать состояние воздуха и предсказывать испарение или конденсацию.
Абсолютная влажность — плотность водяного пара в воздухе; её обозначают ρ и измеряют в кг/м³. Иными словами, это масса пара, приходящаяся на единицу объёма. По абсолютной влажности можно узнать, сколько пара фактически находится в данном объёме воздуха. Для вычисления используют массу пара и объём воздуха.
Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: за одинаковое время из жидкости испаряется столько же молекул, сколько возвращается в неё. При данной температуре плотность насыщенного пара максимальна. Это понятие задаёт предел, с которым сравнивают реальное содержание пара. Сам предел зависит от температуры.
Относительная влажность — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Её обозначают φ. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению, а не просто сообщает массу пара. Для сравнения обязательно берут плотности при одинаковой температуре.
Водяной пар попадает в воздух при испарении воды с поверхности луж, почвы, водоёмов и других влажных тел. Удаляется он при конденсации, когда молекулы пара переходят обратно в жидкость. Поэтому количество пара в воздухе определяется соотношением этих процессов: если испарение идёт быстрее конденсации, пара становится больше. Если быстрее конденсация, его количество уменьшается.
В насыщенном паре при данной температуре испарение и конденсация уравновешены. Это не значит, что молекулы перестали переходить между жидкостью и паром: обмен продолжается, но в среднем количество каждой фазы не меняется. При нагревании молекулы движутся быстрее, и больше из них может покинуть жидкость. Поэтому для равновесия при более высокой температуре требуется больше молекул пара, а его предельная плотность возрастает.
Абсолютную влажность находят как отношение массы водяного пара к объёму воздуха: ρ = m/V. Относительную влажность рассчитывают по формуле φ = ρ/ρн · 100%, где ρн — плотность насыщенного пара. Она нужна как опорное значение: показывает, сколько пара могло бы находиться в воздухе при насыщении. Если фактическая плотность равна половине ρн, относительная влажность составляет 50%.
Плотность насыщенного пара для заданной температуры определяют по таблице. Для расчёта относительной влажности важно взять значение именно при температуре воздуха, потому что насыщенная плотность меняется при нагревании и охлаждении. Если подставить значение для другой температуры, сравнение будет неверным. Поэтому сначала устанавливают температуру, затем находят соответствующую ей ρн.
При охлаждении влажного воздуха плотность насыщенного пара становится меньше. Если фактическое количество пара пока не изменилось, относительная влажность растёт, пока воздух не достигнет насыщения. После этого часть пара превращается в жидкие капли — начинается конденсация. Температуру, до которой нужно охладить воздух, чтобы появились первые капли, называют точкой росы.
| Величина | Обозначение | Определение или формула | Единица измерения | Что показывает |
|---|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | ρ | ρ = m/V | кг/м³ | Массу пара в единице объёма воздуха |
| Плотность насыщенного пара | ρн | Максимальная плотность пара при данной температуре | кг/м³ | Предельное содержание пара при этой температуре |
| Относительная влажность | φ | φ = ρ/ρн · 100% | % | Долю от насыщения |
Сначала определите, что требуется найти: массу пара в объёме характеризует абсолютная влажность, а близость к насыщению — относительная. Для ρн используйте значение при температуре воздуха. Перед подстановкой проверьте, что единицы массы и объёма согласованы.
Задача 1. В комнате объёмом 60 м³ содержится 600 г водяного пара. Найдите абсолютную влажность воздуха. Нужно найти массу пара на каждый кубический метр, поэтому применяем формулу плотности ρ = m/V. Сначала переведём массу в килограммы, чтобы результат получить в единицах СИ.
Ответ: ρ = 0,01 кг/м³.
Задача 2. При температуре воздуха плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³, а абсолютная влажность — 8,65 г/м³. Найдите относительную влажность. Обе плотности даны в одинаковых единицах, поэтому их можно сразу подставить в формулу. Отношение покажет долю насыщения, которую затем выражаем в процентах.
Ответ: относительная влажность равна 50%.
Задача 3. При температуре 20 °C относительная влажность воздуха равна 50%. Плотность насыщенного пара при этой температуре — 17,3 г/м³. Найдите массу пара в комнате объёмом 40 м³. Сначала найдём фактическую плотность пара по относительной влажности, а затем восстановим массу по формуле m = ρV. Поскольку плотность задана в граммах на кубический метр, массу получим в граммах.
Ответ: в комнате содержится 346 г водяного пара.
Первая ошибка — путать абсолютную и относительную влажность. Абсолютная описывает массу пара в единице объёма, а относительная — долю от насыщения; их можно перепутать, потому что обе относятся к одному и тому же пару. Перед расчётом проверьте вопрос задачи: если нужна масса на объём, ищите ρ, если доля в процентах — φ.
Вторая ошибка — не умножить отношение плотностей на 100%, хотя ответ требуется в процентах. Причина в том, что частное вроде 0,5 уже выглядит как готовый результат, но это доля, а не процент. Самопроверка проста: 0,5 соответствует 50%, а не 0,5%.
Третья ошибка — использовать плотность насыщенного пара не при той температуре. Табличное значение меняется при нагревании и охлаждении, поэтому даже правильно выполненное деление даст неверный результат. Сверьте температуру в условии и в таблице до подстановки в формулу.
Четвёртая ошибка — считать, что относительная влажность больше 100% невозможна при любых условиях. В некоторых случаях пар может быть пересыщенным, хотя избыток обычно приводит к началу конденсации. Проверяйте, не описывает ли условие момент перед образованием капель или особые условия, при которых конденсация ещё не началась.
Для расчёта абсолютной влажности нужны понятие плотности и умение переводить единицы массы и объёма. Испарение, конденсация и тепловое движение молекул объясняют, как возникают насыщенный пар и изменения влажности. Эти знания помогают понять точку росы, образование облаков и изменение погоды. Влажность также измеряют специальными приборами и учитывают при оценке микроклимата в помещениях.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность — это масса водяного пара в единице объёма воздуха, то есть его плотность. Относительная влажность показывает, какую долю от плотности насыщенного пара составляет эта величина при той же температуре.
Почему при одной и той же абсолютной влажности относительная влажность зависит от температуры?
При нагревании плотность насыщенного пара увеличивается, поэтому прежняя плотность водяного пара составляет меньшую долю от предельной. При охлаждении эта доля растёт, хотя количество пара сначала может оставаться прежним.
Как найти относительную влажность, если известны плотность пара и температура воздуха?
По таблице находят плотность насыщенного пара ρн при заданной температуре. Затем вычисляют φ = ρ/ρн · 100%, где ρ — фактическая плотность водяного пара.
Что происходит с влажностью воздуха при его охлаждении?
Если количество пара не меняется, а воздух охлаждается, плотность насыщенного пара уменьшается и относительная влажность растёт. Когда достигается насыщение, избыток пара начинает конденсироваться в капли.
Почему для определения влажности используют таблицы плотности насыщенного пара?
Плотность насыщенного пара зависит от температуры, поэтому её нельзя считать одной и той же для всех условий. Таблица позволяет взять значение, соответствующее температуре воздуха, и правильно вычислить относительную влажность.
44. Влажность
