§ 72. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Водяной пар — вода в газообразном состоянии, которая входит в состав воздуха. В обычных условиях его не видно, но он присутствует вокруг нас и может переходить в жидкость при конденсации. Понимание этого перехода помогает объяснить появление росы, тумана и капель на холодном стекле.

Абсолютная влажность воздуха — масса водяного пара в единице объёма воздуха; её обозначают ρ. Обычно её измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³), а в бытовых задачах часто используют граммы на кубический метр (г/м³). Эта величина показывает, сколько именно пара содержится в заданном объёме.

Относительная влажность — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре. Её обозначают φ и выражают в процентах: φ = ρ/ρ_нас · 100%. Она показывает не просто количество пара, а насколько воздух близок к насыщению, поэтому удобна для описания условий, при которых возможна конденсация.

Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы водяной пар в нём стал насыщенным и началась конденсация. Это не обязательно текущая температура воздуха: речь идёт о температуре, которую он достигнет при охлаждении. По точке росы можно судить о том, когда на поверхностях начнут появляться капли воды.

Как это устроено

Водяной пар попадает в воздух, когда вода испаряется с поверхности водоёмов, почвы, растений или мокрых предметов. При испарении отдельные молекулы воды покидают жидкость и переходят в газообразное состояние. Одновременно пар может конденсироваться обратно в жидкость, поэтому его количество зависит от того, насколько интенсивны оба процесса.

При каждой температуре существует предельная плотность водяного пара, которую может содержать воздух, не переходя к конденсации. Когда эта граница достигнута, пар называют насыщенным. В закрытом пространстве при насыщении испарение и конденсация продолжаются, но в среднем уравновешивают друг друга: количество пара остаётся постоянным.

Предельная плотность пара зависит от температуры: чем теплее воздух, тем больше пара может находиться в нём в насыщенном состоянии. При нагревании молекулы движутся быстрее, и переход молекул из жидкости в пар становится интенсивнее. Поэтому одинаковая фактическая плотность пара может составлять большую долю от предельной в холодном воздухе и меньшую — в тёплом.

Относительную влажность вычисляют как отношение фактической плотности пара к плотности насыщенного пара при той же температуре: φ = ρ/ρ_нас · 100%. Например, если фактическая плотность равна половине плотности насыщенного пара, влажность составляет 50%. Если известны давления, используют аналогичное отношение: фактическое давление пара делят на давление насыщенного пара и умножают на 100%.

Если воздух охлаждается, а водяной пар не добавляется и не удаляется, его фактическая плотность остаётся прежней. Но плотность насыщенного пара при снижении температуры уменьшается, поэтому относительная влажность растёт. Когда обе плотности сравняются, наступает точка росы; дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию избытка пара.

Характеристики влажности воздуха

Пользуйтесь таблицей, чтобы сначала определить, какую именно величину спрашивают: массу пара в объёме или степень насыщения. Для абсолютной влажности нужны масса и объём, а для относительной — фактическая и насыщенная плотности. В задаче всегда проверяйте, что сравниваются значения при одной и той же температуре.

Разбор задач

Абсолютная влажность

В комнате объёмом 50 м³ содержится 0,5 кг водяного пара. Нужно найти абсолютную влажность воздуха. Искомая величина показывает массу пара в каждом кубическом метре, поэтому массу следует разделить на объём. Удобно перевести килограммы в граммы, чтобы получить ответ в привычных г/м³.

1. Запишем данные: m = 0,5 кг = 500 г, V = 50 м³.
2. Используем формулу абсолютной влажности: ρ = m/V.
3. Подставим значения: ρ = 500 г / 50 м³ = 10 г/м³.

Деление на объём распределяет общую массу пара поровну по каждому кубическому метру комнаты. Если оставить массу в килограммах, тот же результат получится как 0,01 кг/м³. Ответ: абсолютная влажность равна 10 г/м³.

Относительная влажность

При данной температуре плотность насыщенного пара равна 20 г/м³, а фактическая плотность — 12 г/м³. Требуется найти относительную влажность. Сравним фактическое содержание с максимально возможным при этой температуре; поскольку обе плотности указаны в одинаковых единицах, их можно сразу делить. Затем долю переведём в проценты.

1. Запишем данные: ρ_нас = 20 г/м³, ρ = 12 г/м³.
2. Применим формулу: φ = ρ/ρ_нас · 100%.
3. Вычислим: φ = 12/20 · 100% = 60%.

Полученная доля меньше единицы, значит, воздух ещё не достиг насыщения. При той же температуре в нём может находиться больше водяного пара, прежде чем начнётся конденсация. Ответ: относительная влажность равна 60%.

Точка росы

Воздух при температуре 20 °C имеет относительную влажность 60%; нужно определить температуру начала появления росы по таблице плотности насыщенного пара. Сначала найдём фактическую плотность пара по насыщенной плотности при 20 °C, взятой из таблицы. Затем будем искать в таблице более низкую температуру, при которой насыщенная плотность совпадает с найденной.

1. По таблице при 20 °C определим плотность насыщенного пара; она составляет примерно 17,3 г/м³.
2. Найдём фактическую плотность: ρ = φ · ρ_нас/100% = 0,60 · 17,3 ≈ 10,4 г/м³.
3. В таблице найдём температуру, при которой плотность насыщенного пара близка к 10,4 г/м³. Это примерно 12 °C.

При охлаждении содержание пара до начала конденсации не меняется, а насыщенная плотность уменьшается. Когда она сравняется с фактической плотностью, воздух станет насыщенным. Ответ: воздух нужно охладить примерно до 12 °C; точное значение зависит от таблицы и округления.

Типичные ошибки

Путают абсолютную и относительную влажность. Это происходит потому, что обе величины описывают содержание водяного пара, но отвечают на разные вопросы. Проверьте себя: абсолютная влажность измеряется в единицах массы на объём, а относительная — в процентах и показывает степень близости к насыщению.

Меняют местами плотности в формуле относительной влажности. Если разделить плотность насыщенного пара на фактическую, получится не доля от предельно возможного содержания. Для равновесного ненасыщенного воздуха результат φ не должен превышать 100%; если расчёт дал больше, проверьте порядок деления и исходные данные.

Считают, что при нагревании обязательно увеличивается количество пара. Так бывает, если вода дополнительно испаряется, но само нагревание не добавляет водяной пар в воздух. При отсутствии обмена его фактическая масса сохраняется, а меняется плотность насыщенного пара; проверьте, есть ли в условии источник влаги.

Принимают точку росы за текущую температуру воздуха. Такое смешение возникает из-за того, что обе величины измеряются в градусах. Точка росы — температура охлаждения, при которой начнётся конденсация; чтобы проверить ответ, сравните фактическую плотность пара с плотностью насыщенного при найденной температуре.

Связь с другими темами

Для решения задач на влажность нужны понятия массы, объёма и плотности: абсолютная влажность вычисляется как отношение массы пара к объёму воздуха. Также важно представлять, как происходят испарение и конденсация. Эти процессы относятся к тепловым явлениям и фазовым переходам, при которых вещество меняет агрегатное состояние.

Знания о влажности используют в метеорологии, прогнозе погоды и оценке микроклимата помещений. Они помогают объяснить образование росы, тумана и конденсата на стенах или окнах. Поэтому влажность связана и с повседневными наблюдениями, и с практическими задачами, например выбором условий для хранения продуктов.

Что запомнить

• Абсолютная влажность равна массе водяного пара в единице объёма.
• Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению.
• Относительную влажность выражают в процентах.
• Плотность насыщенного водяного пара возрастает с температурой.
• При охлаждении воздуха относительная влажность обычно увеличивается.
• При достижении точки росы начинается конденсация водяного пара.