§ 34. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: число испаряющихся молекул в среднем равно числу конденсирующихся. Поэтому количество пара над жидкостью при неизменной температуре в среднем не меняется. Это понятие помогает понять, почему существует предел содержания пара в воздухе.

Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха; её обозначают ρ и измеряют в кг/м³ или г/м³. Она показывает фактическое количество пара в данном объёме. По ней можно сравнить содержание пара в двух порциях воздуха одинакового объёма.

Относительная влажность — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре; обозначается φ и выражается в процентах. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению, а не просто сколько в нём воды. Это удобно для оценки вероятности конденсации и самочувствия в помещении.

Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы водяной пар стал насыщенным и началась конденсация. Если поверхность холоднее этой температуры, на ней могут появиться капли воды. Точка росы связывает влажность воздуха с образованием росы и конденсата.

Как это устроено

Молекулы жидкости движутся с разными скоростями, и часть из них покидает её поверхность: происходит испарение. Одновременно молекулы пара возвращаются в жидкость, то есть конденсируются. В закрытом объёме поначалу испарение может идти быстрее, но концентрация пара растёт и конденсация усиливается. Равенство средних скоростей этих процессов означает динамическое равновесие и насыщение пара.

При нагревании молекулы движутся быстрее, поэтому больше из них может покинуть жидкость за то же время. В результате при равновесии над жидкостью устанавливается большая концентрация пара, а значит, растёт плотность насыщенного пара. Именно поэтому воздух при более высокой температуре способен содержать больше водяного пара до начала конденсации. Зависимость нелинейная: с ростом температуры плотность насыщенного пара быстро увеличивается.

Чтобы найти абсолютную влажность, нужно разделить массу водяного пара на объём воздуха: ρ = m/V. Например, если в одном кубическом метре находится 2 г пара, абсолютная влажность равна 2 г/м³. Формула похожа на определение плотности вещества, но здесь учитывается именно водяной пар, смешанный с воздухом. Перед вычислением проверь, согласованы ли единицы массы и объёма.

Само значение абсолютной влажности не говорит, близок ли воздух к насыщению: одинаковая масса пара при разных температурах означает разную степень насыщения. Поэтому фактическую плотность ρ сравнивают с плотностью насыщенного пара ρнас при той же температуре. Относительная влажность вычисляется так: φ = ρ/ρнас · 100%. Например, значение 50% означает, что фактическая плотность составляет половину плотности насыщенного пара при этой температуре.

Если воздух охлаждать, плотность насыщенного пара уменьшается, а количество пара вначале может оставаться прежним. Когда температура достигает точки росы, воздух становится насыщенным; дальнейшее охлаждение приводит к конденсации. На траве или стекле возникают капли росы и конденсата, а в воздухе — мельчайшие капли тумана. Влажность измеряют гигрометром, а психрометр определяет её по показаниям двух термометров — сухого и смоченного; разность их температур используют для оценки влажности.

Основные характеристики влажности воздуха

Сначала определите, какая именно величина требуется: масса пара в объёме, степень насыщения или температура начала конденсации. Для относительной влажности и точки росы важно использовать плотность насыщенного пара при соответствующей температуре. Таблица помогает быстро выбрать формулу и проверить, в каких единицах должен быть ответ.

Разбор задач

Задача 1. В воздухе объёмом 1 м³ содержится 2 г водяного пара. Найдите абсолютную влажность воздуха.
Решение:
1. Ищем массу пара и объём: m = 2 г, V = 1 м³.
2. Используем определение: ρ = m/V.
3. Подставляем данные: ρ = 2 г / 1 м³ = 2 г/м³.
Ответ: 2 г/м³. Здесь не нужно искать насыщенную плотность: она понадобится для относительной влажности.

Задача 2. При 20 °C плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³, фактическая — 8,65 г/м³. Найдите относительную влажность.
Решение:
1. Записываем формулу φ = ρ/ρнас · 100%.
2. Подставляем плотности, относящиеся к одной температуре: φ = 8,65/17,3 · 100%.
3. Так как 8,65 — половина от 17,3, получаем φ = 0,5 · 100% = 50%.
Ответ: 50%. Это означает, что фактическая плотность составляет половину насыщенной при 20 °C.

Задача 3. При 20 °C относительная влажность равна 60%. Найдите приблизительную точку росы по таблице плотности насыщенного пара.
Решение:
1. По таблице при 20 °C находим ρнас = 17,3 г/м³.
2. Переводим проценты в долю и находим фактическую плотность: ρ = 0,60 · 17,3 = 10,38 г/м³.
3. Ищем в таблице температуру, при которой плотность насыщенного пара близка к 10,38 г/м³. По таблице это примерно 12 °C.
4. При охлаждении до этой температуры пар станет насыщенным, поэтому начнётся конденсация.
Ответ: точка росы приблизительно равна 12 °C. Точное значение зависит от шага и точности таблицы.

Типичные ошибки

Путать абсолютную и относительную влажность — значит смешивать массу пара в объёме с отношением двух плотностей. Так происходит, потому что обе величины описывают влажность, но только одна измеряется в г/м³. Проверь себя: если ответ выражен в процентах, это относительная влажность; если в единицах плотности — абсолютная.

Ошибочно считать, что при нагревании относительная влажность обязательно растёт. Обычно при неизменной массе пара она уменьшается, потому что плотность насыщенного пара с повышением температуры увеличивается. Проверь рассуждение: если знаменатель ρнас вырос, а числитель ρ не изменился, отношение стало меньше.

В формуле относительной влажности иногда берут плотность насыщенного пара при другой температуре. Это искажает сравнение: предел насыщения зависит от температуры воздуха. Перед вычислением сверь температуру фактического состояния и значение ρнас; они должны соответствовать друг другу.

Точку росы принимают за температуру окружающего воздуха, хотя это температура охлаждения до начала конденсации. Ошибку провоцирует само слово «точка»: речь идёт не о текущей температуре, а о пороге. Чтобы проверить себя, спроси: до какой температуры надо охладить воздух, чтобы он насытился?

Связь с другими темами

Для понимания влажности нужны знания о молекулярном строении вещества, испарении, конденсации, плотности и относительных величинах. Эти понятия связывают движение молекул с наблюдаемыми явлениями, например с появлением капель на холодном стекле. Влажность также относится к тепловым явлениям и фазовым переходам.

В атмосфере изменение влажности связано с образованием облаков и осадков: при охлаждении водяной пар конденсируется. В метеорологии данные о влажности помогают описывать погоду и оценивать вероятность тумана или дождя. В быту эти знания применяют при устройстве вентиляции и отопления, а также при хранении материалов, чувствительных к влаге.

Что запомнить

• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
• Абсолютная влажность равна массе водяного пара в единице объёма воздуха.
• Плотность насыщенного пара увеличивается с повышением температуры.
• Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению.
• Формула относительной влажности: φ = ρ/ρнас · 100%.
• При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация.
• Влажность измеряют гигрометрами и психрометрами.