§ 19. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Водяной пар — вода в газообразном состоянии. В отличие от жидкой воды он не имеет собственной формы и равномерно распространяется в воздухе. Именно количество водяного пара определяет влажность воздуха.

Абсолютная влажность воздуха — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Она обозначается ρ и вычисляется по формуле ρ = m/V, где m — масса пара, а V — объём воздуха; единица измерения — г/м³. Эта величина показывает фактическое содержание пара.

Насыщенный водяной пар находится в равновесии с водой: за одно и то же время примерно одинаковое число молекул испаряется и возвращается в жидкость. При данной температуре такой пар содержит максимально возможное количество водяного пара. Его плотность обозначают ρнас.

Относительная влажность воздуха — отношение фактической абсолютной влажности к влажности насыщенного пара при той же температуре. Она обозначается φ и определяется формулой φ = ρ/ρнас · 100%. Величина показывает, насколько воздух близок к насыщению.

Как это устроено

Молекулы воды постоянно покидают поверхность жидкости: это испарение. Попавшие в воздух молекулы образуют водяной пар, поэтому при испарении его количество увеличивается. Обратный процесс называется конденсацией: молекулы пара возвращаются в жидкость, и содержание пара в воздухе уменьшается.

Если температура не меняется, объём воздуха остаётся прежним, а пара становится больше, масса m увеличивается. По формуле ρ = m/V это приводит к росту абсолютной влажности. Например, после кипячения воды в комнате масса пара может увеличиться, хотя объём помещения не изменился.

Насыщенность пара связана с движением молекул. При нагревании молекулы воды движутся быстрее, поэтому больше из них может перейти из жидкости в газ и оставаться в воздухе. Поэтому тёплый воздух способен содержать больше водяного пара, чем холодный, а максимально возможная плотность насыщенного пара растёт с температурой.

Абсолютная и относительная влажность описывают воздух с разных сторон. Абсолютная показывает реальную массу пара в объёме, а относительная сравнивает её с пределом, зависящим от температуры. При охлаждении предел уменьшается, поэтому при неизменной массе пара относительная влажность возрастает.

Когда воздух охлаждается до состояния насыщения, лишний пар начинает превращаться в капли воды. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. Если поверхность холоднее точки росы, на ней образуется роса, а в помещении могут запотеть окна.

Величины и характеристики влажности воздуха

Сначала определите, какая величина известна и что требуется найти. Затем проверьте единицы: массу для формулы удобно переводить в граммы, а объём — в кубические метры.

Для относительной влажности плотность насыщенного пара берут при той же температуре, что указана в условии. Если требуется найти точку росы, фактическую абсолютную влажность сравнивают с табличными значениями ρнас.

Разбор задач

Задача 1

В помещении объёмом 50 м³ содержится 0,5 кг водяного пара. Требуется найти абсолютную влажность. Она равна массе пара, делённой на объём помещения.

1. Переведём массу: 0,5 кг = 500 г.
2. Подставим данные в формулу: ρ = m/V = 500 г / 50 м³.
3. Выполним деление: ρ = 10 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность воздуха равна 10 г/м³.

Задача 2

При температуре 20 °C абсолютная влажность равна 10 г/м³, а плотность насыщенного пара — 17,3 г/м³. Нужно сравнить фактическое содержание пара с максимально возможным при этой температуре.

1. Используем формулу φ = ρ/ρнас · 100%.
2. Подставим значения: φ = 10/17,3 · 100%.
3. Получим примерно 57,8%, после округления — 58%.

Ответ: относительная влажность воздуха примерно равна 58%.

Задача 3

Воздух при температуре 25 °C имеет относительную влажность 60%. Определим, до какой температуры его нужно охладить, чтобы началась конденсация. Сначала найдём фактическую абсолютную влажность, используя табличное значение насыщенного пара при 25 °C: ρнас ≈ 23 г/м³.

1. Вычислим фактическую влажность: ρ = 0,60 · 23 = 13,8 г/м³.
2. По таблице найдём температуру, при которой ρнас примерно равна 13,8 г/м³.
3. Такое значение соответствует примерно 16 °C. При дальнейшем охлаждении воздух станет пересыщенным, и начнётся конденсация.

Ответ: воздух нужно охладить примерно до 16 °C; это его точка росы.

Типичные ошибки

Путают абсолютную и относительную влажность. Первая измеряется в г/м³ и показывает массу пара, вторая выражается в процентах и показывает степень насыщения. Проверьте единицу ответа: проценты относятся к φ, а г/м³ — к ρ.

Берут влажность насыщенного пара при другой температуре. Плотность насыщенного пара быстро меняется с температурой, поэтому такое сравнение будет неверным. Всегда сверяйте ρнас с температурой, указанной для данного состояния воздуха.

Забывают перевести единицы. Если в формулу подставить 0,5 вместо 500, когда масса дана в килограммах, результат окажется в тысячу раз меньше. Перед вычислением запишите массу в граммах, а объём — в м³.

Считают, что при охлаждении количество пара обязательно увеличивается. При охлаждении растёт относительная влажность из-за уменьшения предельного содержания пара, а не из-за его прибавления. После достижения насыщения часть пара конденсируется, поэтому его масса уменьшается.

Связь с другими темами

Для понимания влажности нужны знания об испарении, конденсации и агрегатных состояниях вещества. Также пригодятся формулы массы, объёма и плотности, поскольку абсолютная влажность является плотностью водяного пара.

Эта тема объясняет образование росы, тумана и облаков: во всех случаях воздух охлаждается до насыщения, после чего пар конденсируется. Влажность измеряют, например, с помощью психрометра.

Понятия влажности применяются при изучении погоды и климата. Они помогают понять влияние воздуха на самочувствие человека и причины изменения тепловых явлений в атмосфере.

Что запомнить

• Водяной пар — вода в газообразном состоянии.
• Абсолютная влажность показывает массу водяного пара в 1 м³ воздуха.
• Насыщенный пар содержит максимально возможное количество водяного пара при данной температуре.
• Относительная влажность равна отношению абсолютной влажности к влажности насыщенного пара, умноженному на 100%.
• При повышении температуры влажность насыщенного пара увеличивается.
• При охлаждении воздуха относительная влажность возрастает.
• При достижении насыщения начинается конденсация водяного пара.