§ 25. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе и степень его насыщения. Водяной пар появляется, когда вода испаряется с поверхности рек, почвы, растений и других тел. Понятие влажности помогает описать, сколько пара есть в воздухе и близко ли его количество к предельному.

Абсолютная влажность — масса водяного пара в одном кубическом метре воздуха. Её обозначают ρ и измеряют в г/м³. Эта величина показывает фактическое содержание пара, поэтому по ней можно сравнивать, сколько водяного пара находится в одинаковых объёмах воздуха.

Насыщенный водяной пар — пар, который при данной температуре находится в равновесии с водой и не может накапливаться в большем количестве. Это не значит, что испарение прекращается: одновременно столько же пара может возвращаться в жидкость. Понятие насыщения нужно, чтобы определить предельное содержание пара при конкретной температуре.

Относительная влажность — отношение фактической плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Её обозначают φ, а вычисляют по формуле φ = ρ/ρнас · 100%. Она показывает, какая доля от возможного максимума уже занята водяным паром.

Как это устроено

Вода непрерывно испаряется: её молекулы покидают поверхность и переходят в воздух. Одновременно часть молекул водяного пара возвращается в жидкость — это конденсация. Если испарение преобладает, пара в воздухе становится больше; при равновесии число молекул, покидающих воду, равно числу возвращающихся.

Максимальное содержание пара зависит от температуры, потому что при нагревании молекулы воды движутся быстрее и больше из них могут перейти из жидкости в газ. Поэтому тёплый воздух при насыщении может содержать больше водяного пара, чем холодный. Однако сам нагрев не добавляет воду в воздух: без испарения количество пара может остаться прежним.

Чтобы найти относительную влажность, сравнивают фактическую плотность пара с плотностью насыщенного при той же температуре. Сначала определяют или узнают по таблице ρнас, затем подставляют значения в формулу φ = ρ/ρнас · 100%. Например, если фактическая плотность составляет половину насыщенной, относительная влажность равна 50%.

При охлаждении воздуха плотность насыщенного пара уменьшается, хотя фактическое количество пара сначала может оставаться прежним. Температура, при которой воздух становится насыщенным, называется точкой росы. При дальнейшем охлаждении избыток пара конденсируется в капли: так появляются роса и туман, а на холодном стекле образуется запотевание.

Влажность измеряют гигрометром, а один из его видов — психрометр — использует два термометра. Сухой термометр показывает температуру воздуха, а влажный обёрнут тканью, смоченной водой. Испарение охлаждает влажный термометр; чем суше воздух, тем быстрее испарение и тем больше разность показаний. По показаниям обоих термометров и психрометрической таблице определяют относительную влажность.

Величины и способы характеристики влажности воздуха

Для расчётов сначала определите, какая именно характеристика дана и какую требуется найти. При вычислении относительной влажности используйте плотность насыщенного пара именно при указанной температуре. Показания психрометра сами по себе не равны влажности: их сопоставляют с психрометрической таблицей.

Разбор задач

Задача 1. В 1 м³ воздуха содержится 10 г водяного пара. Определите абсолютную влажность воздуха. Здесь известны масса пара и объём, поэтому нужно применить определение плотности — разделить массу на объём. Единица ответа должна быть г/м³.

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

Ответ: абсолютная влажность равна 10 г/м³. Проверка проста: масса указана для одного кубического метра, поэтому её численное значение совпадает с плотностью.

Задача 2. При данной температуре плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³, а абсолютная влажность — 8,65 г/м³. Найдите относительную влажность. Сравниваем фактическую плотность с максимально возможной при этой же температуре. Важно не менять местами числитель и знаменатель: фактическую плотность делят на насыщенную.

1. Запишем данные: ρнас = 17,3 г/м³, ρ = 8,65 г/м³.
2. Применим формулу: φ = ρ/ρнас · 100%.
3. Вычислим: φ = 8,65/17,3 · 100% = 0,5 · 100% = 50%.

Ответ: относительная влажность равна 50%. Это означает, что фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара при данной температуре.

Задача 3. При температуре 20 °C относительная влажность воздуха равна 60%. Плотность насыщенного пара при этой температуре — 17,3 г/м³. Найдите абсолютную влажность и объясните, что произойдёт при охлаждении ниже точки росы. Чтобы найти фактическое содержание пара, преобразуем формулу относительной влажности; при охлаждении нужно учитывать момент достижения насыщения.

1. Запишем данные: φ = 60%, ρнас = 17,3 г/м³.
2. Из формулы φ = ρ/ρнас · 100% выразим ρ: ρ = φ · ρнас / 100%.
3. Подставим значения: ρ = 60 · 17,3 / 100 = 10,38 г/м³.
4. При охлаждении плотность насыщенного пара уменьшается. Когда она станет равна фактической плотности, воздух достигнет точки росы; при дальнейшем охлаждении начнётся конденсация.

Ответ: абсолютная влажность равна 10,38 г/м³. Ниже точки росы часть пара превращается в капли воды, поэтому возможны туман, роса или запотевание поверхностей.

Типичные ошибки

Путают абсолютную и относительную влажность. Это случается потому, что обе величины описывают водяной пар, но отвечают на разные вопросы. Абсолютная влажность — масса в объёме, её единица г/м³; относительная — доля от насыщения, её единица процент. Проверьте себя: если в ответе на вопрос о массе в кубометре стоят проценты, величины перепутаны.

Делят насыщенную плотность на фактическую. Ошибка возникает, если формулу запоминают как набор чисел, не понимая смысла сравнения. Относительная влажность показывает долю фактического содержания от максимального, поэтому φ = ρ/ρнас · 100%. Проверка: при одинаковых значениях ρ и ρнас должно получиться 100%, а не число больше 100%.

Считают, что при нагревании обязательно увеличивается количество водяного пара. Путают возможность воздуха вместить больше пара с реальным добавлением пара. Без испарения или другого источника воды фактическое содержание не обязано меняться, хотя плотность насыщенного пара растёт. Спросите себя, откуда в воздух поступила дополнительная вода: если источника нет, утверждать, что пара стало больше, нельзя.

Берут плотность насыщенного пара не для той температуры. Так бывает, когда находят подходящее табличное значение, не учитывая условия задачи. Плотность насыщенного пара зависит от температуры, поэтому в формуле сравнивают значения при одной и той же температуре. Перед вычислением сверьте температуру, при которой дана фактическая влажность, с температурой табличного значения.

Связь с другими темами

Для работы с влажностью нужны знания о массе, объёме, плотности и единицах измерения. Испарение и конденсация объясняют, как вода переходит между жидким и газообразным состояниями, а зависимость насыщения от температуры связывает тему с тепловыми явлениями. Влажность помогает понимать образование облаков, тумана и осадков, а также работу бытовых увлажнителей и метеорологических приборов. Психрометр показывает, как физические процессы можно использовать для измерения.

Что запомнить

• Абсолютная влажность показывает массу водяного пара в 1 м³ воздуха.
• Насыщенный пар содержит максимально возможное количество пара при данной температуре.
• Чем выше температура, тем больше плотность насыщенного водяного пара.
• Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению.
• Формула относительной влажности: φ = ρ/ρнас · 100%.
• При охлаждении до точки росы начинается конденсация водяного пара.
• Влажность измеряют гигрометрами и психрометрами.