"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Влажность воздуха показывает, сколько водяного пара содержится в воздухе и насколько его количество близко к максимально возможному при данной температуре. Абсолютную влажность измеряют в граммах на кубический метр, а относительную выражают в процентах. Температура особенно важна: при нагревании воздух может вместить больше пара, а при охлаждении избыток влаги конденсируется. Эти знания помогают объяснить образование росы, облаков и осадков, а также оценить микроклимат в помещении.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водяной пар — газообразная вода, присутствующая в воздухе. Он образуется, когда при испарении молекулы покидают поверхность жидкой воды и переходят в газ. Количество пара в воздухе влияет на влажность и на то, насколько легко вода будет испаряться дальше.
Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в равновесии с жидкой водой: за одинаковое время из жидкости вылетает столько же молекул, сколько возвращается в неё. При данной температуре насыщенному состоянию соответствует предельное содержание пара. Чем выше температура, тем больше эта предельная величина.
Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её обозначают ρ и обычно измеряют в г/м³; вычисляют как ρ = m/V, где m — масса пара, а V — объём воздуха. Эта величина показывает фактическое содержание влаги, но сама по себе не говорит, близок ли воздух к насыщению.
Относительная влажность — отношение фактической плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре. Её обозначают φ и выражают в процентах: φ = ρ/ρн · 100%, где ρн — плотность насыщенного пара. Показатель позволяет сравнить фактическое содержание пара с максимально возможным при текущей температуре.
Вода испаряется не только при кипении: при любой температуре часть молекул на поверхности жидкости движется достаточно быстро, чтобы покинуть её. Одновременно некоторые молекулы пара возвращаются в жидкость — происходит конденсация. Если жидкость и пар находятся в закрытом объёме, со временем скорости испарения и конденсации сравниваются. Установившееся динамическое равновесие означает, что пар стал насыщенным.
Максимальное содержание пара зависит от температуры, потому что при нагревании молекулы движутся быстрее. Больше молекул может покинуть жидкость, а равновесие устанавливается при большей концентрации пара над ней. Поэтому плотность насыщенного пара растёт с температурой, причём рост нелинейный: при высоких температурах она увеличивается особенно быстро. По графику можно оценить ρн для заданной температуры и увидеть, почему нагретый воздух способен содержать больше водяного пара.
Относительная влажность сравнивает фактическое содержание воды с предельным, а предельное значение зависит от температуры. Например, одинаковая абсолютная влажность в холодном и тёплом воздухе даст разные значения φ: в тёплом воздухе ρн больше, поэтому та же масса пара составляет меньшую долю насыщения. По этой причине абсолютная влажность отвечает на вопрос «сколько пара есть», а относительная — «насколько воздух близок к насыщению». В бытовых прогнозах обычно используют именно относительную влажность.
Если воздух охлаждать, плотность насыщенного пара уменьшается, хотя количество пара сначала может оставаться прежним. В некоторый момент фактическая плотность сравняется с предельной; эту температуру называют точкой росы. При дальнейшем охлаждении избыток пара конденсируется в капли на поверхностях или в воздухе. Так появляется роса на траве и запотевание холодного стекла.
Для измерения влажности используют психрометр или гигрометр. В психрометре один термометр измеряет температуру воздуха, а резервуар второго обёрнут влажной тканью. Вода испаряется с ткани и охлаждает второй термометр; в сухом воздухе испарение сильнее и разность показаний больше. По температуре сухого термометра и этой разности с помощью таблицы определяют относительную влажность.
| Величина | Обозначение и единица | Смысл | Основная формула или зависимость |
|---|---|---|---|
| Абсолютная влажность | ρ, г/м³ | Масса водяного пара в единице объёма воздуха | ρ = m/V |
| Плотность насыщенного водяного пара | ρн, г/м³ | Максимальная плотность пара при данной температуре | Растёт с увеличением температуры |
| Относительная влажность | φ, % | Доля фактического содержания пара от насыщенного | φ = ρ/ρн · 100% |
| Точка росы | tр, °C | Температура начала конденсации при охлаждении воздуха | При ней ρ = ρн |
| Приборы для измерения влажности | Психрометр, гигрометр | Определяют влажность воздуха | Психрометр: по показаниям двух термометров |
Сначала выберите в таблице нужную величину и проверьте её единицу: плотность измеряется в г/м³, а относительная влажность — в процентах. Для вычислений абсолютной влажности понадобятся масса и объём, а для относительной — ещё и плотность насыщенного пара при температуре воздуха. Если требуется найти конденсат при охлаждении, сравните предельные массы пара до и после изменения температуры.
Условие. В 1 м³ воздуха содержится 10 г водяного пара. Найдите абсолютную влажность воздуха. Здесь уже известны масса пара и объём, поэтому используем определение абсолютной влажности, а не формулу для относительной.
Ответ: абсолютная влажность равна 10 г/м³.
Условие. При температуре 20 °C абсолютная влажность равна 8,65 г/м³, а плотность насыщенного пара — 17,3 г/м³. Определите относительную влажность. Значения относятся к одной температуре, поэтому их можно подставлять в формулу напрямую.
Ответ: относительная влажность равна 50%.
Условие. В комнате объёмом 50 м³ температура понизилась с 20 °C до 10 °C. Воздух изначально был насыщенным. Нужно найти массу воды, которая сконденсируется. Из графика плотности насыщенного пара берём ρн = 17,3 г/м³ при 20 °C и ρн = 9,4 г/м³ при 10 °C.
Ответ: сконденсируется 395 г воды.
Путать абсолютную и относительную влажность. Это легко сделать, потому что обе величины описывают содержание воды в воздухе, но одна измеряется в г/м³, а другая — в процентах. Проверка проста: для ρ нужны масса и объём, а для φ — отношение двух плотностей и умножение на 100%.
Брать плотность насыщенного пара не при той температуре. Табличные значения меняются с температурой, поэтому подстановка ρн для другого состояния искажает результат. Перед вычислением сверьте температуру в условии и убедитесь, что ей соответствует выбранное значение ρн.
Считать, что при нагревании обязательно становится больше самого пара. Нагревание увеличивает возможное предельное содержание влаги, но не создаёт водяной пар автоматически. Если воздух нагрели без испарения или добавления влаги, масса пара остаётся прежней; проверьте это, отдельно рассуждая о фактической массе и плотности насыщения.
Понимать 100% влажности как отсутствие воздуха или наличие в нём только воды. Процент означает, что пар достиг насыщения относительно воды при этой температуре, а не то, что воздух заменён водой. При проверке смысла сопоставьте фактическую плотность пара с плотностью насыщенного: при 100% они равны, а воздух по-прежнему состоит из смеси газов.
Для понимания влажности нужны представления об испарении, конденсации, плотности, массе и объёме. Эти знания связывают тепловые явления с точкой росы, образованием облаков и выпадением осадков: охлаждение воздуха может привести к конденсации пара. На практике влажность измеряют в метеорологии и бытовых гигрометрах, а также учитывают при проектировании вентиляции и поддержании комфортного микроклимата помещений.
Почему относительная влажность меняется при нагревании воздуха без добавления или удаления пара?
При нагревании масса водяного пара может остаться прежней, но плотность насыщенного пара увеличивается. Поэтому фактическое содержание пара составляет меньшую долю от возможного максимума, и относительная влажность падает.
Может ли относительная влажность быть больше 100%?
В обычном равновесном состоянии относительная влажность не превышает 100%: лишний пар конденсируется. Кратковременно воздух может оказаться пересыщенным, но такое состояние неустойчиво и обычно приводит к образованию капель.
Почему при охлаждении воздуха выпадает роса?
При охлаждении уменьшается максимальное количество пара, которое может находиться в воздухе. Когда воздух достигает точки росы, он становится насыщенным, а часть пара конденсируется на охлаждённых поверхностях.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность — это масса водяного пара в единице объёма воздуха, обычно в г/м³. Относительная влажность — доля этой массы от плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженная в процентах.
Как психрометр определяет влажность воздуха?
Психрометр имеет сухой и влажный термометры. Вода с влажного термометра испаряется и охлаждает его, причём чем суше воздух, тем интенсивнее испарение и тем больше разность показаний. По этой разности и температуре сухого термометра находят относительную влажность.
§ 55. Влажность воздуха
