§ 35. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Водяной пар в воздухе — невидимый газ, который присутствует в воздухе в разном количестве. Он появляется при испарении воды и исчезает из воздуха при конденсации. Это понятие нужно, чтобы объяснить влажность и образование капель воды.

Абсолютная влажность — масса водяного пара в одном кубическом метре воздуха: ρ = m/V. Её измеряют в граммах на кубический метр (г/м³). Величина показывает фактическое содержание пара, не сравнивая его с возможным максимумом.

Насыщенный водяной пар при определённой температуре содержит предельно возможное количество пара. Если пара станет больше или воздух охладится, лишняя часть начнёт превращаться в жидкость. Плотность насыщенного пара нужна для сравнения с фактической влажностью.

Относительная влажность — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах: φ = ρ/ρнас × 100%. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению. При 100% воздух насыщен, а при меньших значениях ещё может принять некоторое количество пара.

Как это устроено

Водяной пар попадает в воздух, когда молекулы воды с поверхности получают достаточно энергии и покидают жидкость: это испарение. Обратный процесс называется конденсацией: молекулы пара теряют энергию, сближаются и образуют жидкие капли. Поэтому влажность увеличивается над испаряющейся водой и уменьшается, когда пар превращается в воду или лёд.

Насыщение зависит от температуры, потому что при нагревании молекулы движутся быстрее и воздуху соответствует большая предельная плотность пара. Поэтому тёплый воздух может содержать больше водяного пара до начала конденсации, чем холодный. Если количество пара осталось прежним, нагревание обычно уменьшает относительную влажность, а охлаждение увеличивает её.

При охлаждении воздух постепенно приближается к насыщению. Температура, при которой содержащийся пар становится насыщенным, называется точкой росы. При дальнейшем охлаждении избыток пара конденсируется на холодных поверхностях в виде росы или мелких капель тумана.

Чтобы найти относительную влажность, абсолютную влажность сравнивают с плотностью насыщенного пара, взятой для той же температуры. Сначала находят или используют значение ρ и определяют ρнас по таблице. Затем вычисляют φ = ρ/ρнас × 100%; например, отношение 0,6 соответствует влажности 60%.

Психрометр состоит из сухого и смоченного термометров. Вода со смоченного термометра испаряется, поэтому он охлаждается сильнее при сухом воздухе, а разность показаний получается больше. Измерив обе температуры, находят их разность и по психрометрической таблице определяют относительную влажность.

Величины и способы определения влажности воздуха

Таблица помогает выбрать нужную величину и не смешать её с другими характеристиками. Для расчёта относительной влажности сначала найдите плотность насыщенного пара при той же температуре, что указана в условии.

При работе с психрометром сначала вычисляют разность показаний термометров, а затем находят результат на пересечении соответствующих значений в таблице.

Разбор задач

Задача 1. В одном кубическом метре воздуха содержится 10 г водяного пара. Найдём абсолютную влажность. Объём уже равен единице, поэтому дополнительных переводов делать не требуется.

1. Записываем определение: ρ = m/V.
2. Подставляем данные: ρ = 10 г / 1 м³.
3. Получаем ρ = 10 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность равна 10 г/м³. Смысл результата прост: в каждом кубическом метре воздуха находится 10 г водяного пара.

Задача 2. При данной температуре плотность насыщенного пара равна 20 г/м³, а абсолютная влажность — 12 г/м³. Нужно определить, какую часть от возможного максимума составляет фактическое содержание пара. Используем формулу относительной влажности.

1. Записываем формулу: φ = ρ/ρнас × 100%.
2. Подставляем значения: φ = 12/20 × 100%.
3. Вычисляем отношение 12/20 = 0,6 и получаем φ = 60%.

Ответ: относительная влажность равна 60%. Это означает, что при этой температуре воздух содержит 60% от максимально возможного количества пара.

Задача 3. Психрометр показывает разные температуры сухого и смоченного термометров. По таблице требуется определить относительную влажность и выяснить, будет ли конденсация при охлаждении до указанной температуры. Численные показания в условии не приведены, поэтому выполним общий алгоритм.

1. Вычитаем из показания сухого термометра показание смоченного и получаем разность температур.
2. В психрометрической таблице находим строку с температурой сухого термометра и столбец с полученной разностью.
3. Сравниваем температуру охлаждения с найденной точкой росы: при достижении или понижении точки росы начинается конденсация.

Ответ: конкретное значение влажности находят по таблице, а конденсация произойдёт, если указанная температура не выше точки росы. Чем больше разность показаний термометров, тем суше воздух и тем обычно меньше его относительная влажность.

Типичные ошибки

Смешивают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность измеряется в г/м³, а относительная является процентным отношением. Проверьте себя: если в ответе стоит процент, речь идёт об относительной влажности.

Не учитывают температуру. Плотность насыщенного пара меняется при нагревании и охлаждении, поэтому одного значения фактической влажности недостаточно. Убедитесь, что ρнас взята именно для температуры из условия.

Забывают умножить отношение на 100%. Число 0,6 — это доля, а не окончательный процентный ответ. После вычисления отношения перенесите запятую на два знака вправо и запишите 60%.

Путают точку росы с температурой воздуха. Точка росы показывает не текущую температуру, а предел охлаждения, при котором начинается конденсация. Проверьте смысл величины: сравнивать нужно температуру охлаждения с точкой росы.

Связь с другими темами

Для изучения влажности нужны знания об испарении, конденсации, плотности и температуре. Испарение и конденсация объясняют изменение количества пара, плотность используется в формулах, а температура определяет предел насыщения.

Влажность связана с тепловыми явлениями и наблюдениями за погодой. Она помогает объяснить появление облаков, тумана, росы и осадков, поэтому данные о влажности учитывают при составлении прогноза погоды.

Что запомнить

• В воздухе содержится водяной пар, количество которого может изменяться.
• Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха.
• Насыщенный пар соответствует максимально возможному содержанию пара при данной температуре.
• Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению.
• Относительную влажность выражают в процентах.
• При охлаждении до точки росы начинается конденсация.
• Психрометр определяет влажность по показаниям сухого и смоченного термометров.