15. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Воздух содержит водяной пар — невидимое газообразное состояние воды. Его количество в воздухе может меняться: например, вода испаряется с поверхности водоёмов и мокрых предметов. Зная содержание пара, можно описать влажность воздуха и оценить, насколько вероятно появление росы или тумана.

Абсолютная влажность воздуха — это масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её обозначают ρ и вычисляют по формуле ρ = m/V, где m — масса пара, а V — объём воздуха. Эта величина показывает именно количество пара в заданном объёме, например в одном кубическом метре.

Относительная влажность показывает отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре. Её обозначают φ и находят по формуле φ = (ρ/ρнас)·100%. Эта величина нужна, чтобы понять, насколько воздух близок к насыщению, а не только сколько в нём пара.

Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух при неизменном содержании водяного пара, чтобы пар стал насыщенным. При достижении этой температуры начинается конденсация — превращение пара в жидкие капли. Понятие точки росы помогает определить, когда при охлаждении воздуха могут появиться роса или туман.

Как это устроено

С поверхности воды постоянно вылетают молекулы — это испарение. В то же время часть молекул пара возвращается в жидкость, то есть происходит конденсация. Если над водой накапливается достаточно пара, молекулы чаще возвращаются обратно; при динамическом равновесии скорости испарения и конденсации равны, хотя оба процесса продолжаются.

При каждой температуре есть предел количества пара, которое может находиться в воздухе в равновесии с жидкой водой. Когда этот предел достигнут, пар называют насыщенным. Если пара меньше предельного количества, воздух ненасыщенный, и вода ещё может испаряться быстрее, чем конденсироваться.

Плотность насыщенного пара зависит от температуры, потому что при нагревании молекулы движутся быстрее. Больше молекул может покинуть жидкость, а равновесие между испарением и конденсацией устанавливается при большем количестве пара над поверхностью. Поэтому с повышением температуры растёт ρнас: тёплый воздух может содержать больше водяного пара до насыщения, чем холодный.

Относительная влажность сравнивает фактическую плотность пара с предельной плотностью при той же температуре. Например, одинаковая масса пара может дать разные значения φ в тёплом и холодном воздухе: при нагревании ρнас возрастает, и отношение ρ к ρнас уменьшается. Поэтому относительная влажность показывает степень насыщения, а не просто абсолютное количество водяного пара.

Если воздух охлаждать, не добавляя и не удаляя водяной пар, плотность насыщенного пара будет уменьшаться. В какой-то момент фактическая плотность пара сравняется с предельной — это и есть достижение точки росы. При дальнейшем охлаждении воздух уже не может удерживать весь пар в газообразном состоянии, и его избыток конденсируется в капли воды.

Величины и явления, характеризующие влажность воздуха

Сначала определите, о какой величине спрашивают: массу пара в объёме воздуха или степень его насыщения. Затем проверьте, что плотности для относительной влажности сравниваются при одинаковой температуре. В задачах с точкой росы проследите, что происходит при охлаждении воздуха и начале конденсации.

Разбор задач

Задача 1. В воздухе объёмом 2 м³ содержится 20 г водяного пара. Найти абсолютную влажность. Здесь нужно разделить массу пара на объём, но сначала удобно привести массу к килограммам, чтобы получить плотность в кг/м³.

1. Переведём массу: 20 г = 0,020 кг.
2. Используем формулу абсолютной влажности: ρ = m/V.
3. Подставим значения: ρ = 0,020 кг / 2 м³ = 0,010 кг/м³. Это также 10 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность равна 0,010 кг/м³, или 10 г/м³. Результат имеет подходящие единицы: масса, делённая на объём. Запись в граммах на кубический метр удобна для сравнения с табличными значениями.

Задача 2. При данной температуре плотность водяного пара равна 10 г/м³, а плотность насыщенного пара — 20 г/м³. Найти относительную влажность. Обе плотности относятся к одной температуре, поэтому их можно подставить в формулу. Отношение плотностей умножают на 100%, чтобы выразить результат в процентах.

1. Запишем формулу: φ = (ρ/ρнас)·100%.
2. Подставим значения: φ = (10/20)·100%.
3. Вычислим: φ = 0,5·100% = 50%.

Ответ: относительная влажность равна 50%. Значит, фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара при этой температуре. До насыщения воздух может содержать ещё водяной пар.

Задача 3. При охлаждении воздуха водяной пар начинает конденсироваться при 12 °C. Объяснить, что произойдёт с воздухом и как изменится относительная влажность при дальнейшем охлаждении. Начало конденсации означает, что воздух достиг насыщения. Поэтому 12 °C — точка росы для воздуха в данных условиях.

1. При температуре 12 °C относительная влажность достигает 100%: фактическая плотность пара равна плотности насыщенного.
2. При дальнейшем охлаждении предельная плотность насыщенного пара уменьшается.
3. Избыток водяного пара конденсируется в капли, поэтому содержание пара в газообразном состоянии уменьшается.

Ответ: точка росы равна 12 °C. При дальнейшем охлаждении образуются капли воды, а воздух остаётся насыщенным, если конденсация успевает идти; относительная влажность при этом составляет около 100%.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать абсолютную и относительную влажность одной величиной. Так путают их, потому что обе описывают водяной пар в воздухе. Проверь себя: абсолютная влажность имеет смысл массы на объём, а относительная выражается в процентах и сравнивает два значения плотности.

Вторая ошибка — сравнивать плотности насыщенного и ненасыщенного пара при разных температурах. Её допускают, забывая, что предельная плотность зависит от температуры. Чтобы проверить расчёт, убедись, что ρ и ρнас относятся к одной и той же температуре.

Третья ошибка — подставлять в формулу плотность всего воздуха вместо плотности водяного пара. Это может казаться логичным, потому что речь идёт о воздухе, но влажность характеризует именно содержащийся в нём пар. Перед вычислениями проверь, что в условии дана масса или плотность водяного пара.

Четвёртая ошибка — думать, что при относительной влажности 100% испарение полностью прекращается. При насыщении испарение продолжается, но ему равна по скорости конденсация. Проверить себя можно по определению динамического равновесия: оба процесса идут одновременно, а не исчезают.

Связь с другими темами

Для вычисления абсолютной влажности нужны понятия массы, объёма, плотности и умение переводить единицы. Связь испарения и конденсации с тепловым движением молекул помогает понять, почему возникает насыщение и как образуется роса. Влажность используют при объяснении атмосферных явлений и прогнозировании погоды. Её также измеряют с помощью психрометра — прибора, работа которого основана на различии показаний термометров.

Что запомнить

• Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
• Плотность насыщенного водяного пара зависит от температуры.
• Относительная влажность выражает степень насыщения воздуха водяным паром.
• При относительной влажности 100% пар насыщен.
• Точка росы — температура, при которой начинается конденсация при охлаждении воздуха.