§ 30. Влажность воздуха

Определения и обозначения

Водяной пар — вода в газообразном состоянии, которая присутствует в воздухе. Он бывает ненасыщенным, если до насыщения в воздухе может находиться ещё пар, и насыщенным, если достигнут предел при данной температуре. Это различие нужно, чтобы понять, возможны ли дальнейшее испарение и начало конденсации.

Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её обычно обозначают ρ и выражают в г/м³; чтобы найти её, массу пара делят на объём воздуха. Эта величина показывает фактическое содержание пара, не сравнивая его с возможным пределом.

Насыщенный водяной пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: испарение и конденсация происходят с одинаковой скоростью. При данной температуре он не может содержать больше пара, чем соответствует плотности насыщенного пара. Это понятие задаёт верхний предел, с которым сравнивают фактическую влажность.

Относительная влажность — отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах: φ = (ρ/ρнас) · 100%. Здесь ρнас — плотность насыщенного пара. Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению, поэтому позволяет сравнивать состояние воздуха при разных температурах.

Как это устроено

Водяной пар попадает в воздух при испарении с поверхности воды, а удаляется из воздуха при конденсации — переходе газа в жидкость. Эти процессы могут идти одновременно, потому что часть молекул покидает поверхность жидкости, а часть молекул пара возвращается к ней. Пока испарение идёт быстрее конденсации, количество пара растёт; при равных скоростях устанавливается динамическое равновесие.

С температурой связаны и скорость испарения, и предел возможного содержания водяного пара. При нагревании молекулы воды движутся быстрее, поэтому больше из них может покинуть жидкость, а плотность насыщенного пара возрастает. Значит, тёплый воздух может содержать больше пара, чем холодный, прежде чем наступит насыщение. Поэтому одного значения абсолютной влажности недостаточно, чтобы понять, насколько воздух близок к пределу: нужно учитывать температуру.

Если воздух охлаждается, а водяной пар пока не удаляется, абсолютная влажность остаётся прежней. При этом плотность насыщенного пара становится меньше, и прежнее количество пара составляет всё большую долю от предела; относительная влажность растёт. Когда она достигает 100%, пар насыщен. Дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию: часть пара превращается в капли, и абсолютная влажность уменьшается.

Температуру, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным и начинается конденсация, называют точкой росы. Её можно представить так: воздух охлаждают, не добавляя в него пар, и отмечают температуру, при которой появляется первая жидкая вода. Если поверхность холоднее точки росы, пар рядом с ней конденсируется. Так образуется роса, а во всём объёме воздуха конденсация может приводить к появлению тумана или облаков.

Влажность определяют гигрометрами и психрометрами. Психрометр состоит из сухого и смоченного термометров: вода с поверхности смоченного термометра испаряется и забирает тепло, поэтому он обычно показывает меньшую температуру. Чем суше воздух, тем быстрее испарение и тем заметнее охлаждение; при высокой влажности разность показаний меньше. Сравнив показания и воспользовавшись таблицей, находят относительную влажность.

Величины, характеризующие влажность воздуха

Сначала выберите величину, которую нужно найти, и проверьте, какие данные для неё известны. Для относительной влажности плотность насыщенного пара берут именно при заданной температуре. В задачах о точке росы обращайте внимание на условие начала конденсации.

Разбор задач

Задача 1. В комнате объёмом 2 м³ содержится 20 г водяного пара. Найдите абсолютную влажность воздуха. Здесь известны масса пара и объём, поэтому используем определение: абсолютная влажность равна массе, делённой на объём.

1. Записываем данные: m = 20 г, V = 2 м³.
2. Подставляем в формулу: ρ = m/V = 20 г / 2 м³ = 10 г/м³.
3. Проверяем единицы: граммы разделили на кубические метры, как и требуется для абсолютной влажности.

Ответ: 10 г/м³.

Задача 2. При температуре воздуха плотность насыщенного водяного пара равна 17,3 г/м³, а абсолютная влажность — 8,65 г/м³. Найдите относительную влажность. Сравним фактическую плотность пара с максимально возможной при этой же температуре и выразим отношение в процентах.

1. Записываем данные: ρнас = 17,3 г/м³, ρ = 8,65 г/м³.
2. Применяем формулу: φ = (ρ/ρнас) · 100%.
3. Вычисляем: φ = (8,65 / 17,3) · 100% = 0,5 · 100% = 50%.

Ответ: 50%. Это означает, что фактическая плотность пара составляет половину плотности насыщенного пара при указанной температуре.

Задача 3. Воздух при 20 °C имеет относительную влажность 60%. Плотность насыщенного пара при этой температуре равна 17,3 г/м³. Сколько воды сконденсируется из 1 м³ воздуха при охлаждении до 10 °C, если плотность насыщенного пара там равна 9,4 г/м³? Сначала найдём исходное содержание пара, затем проверим, какая его часть останется в воздухе после охлаждения до насыщения.

1. Находим абсолютную влажность исходного воздуха: ρ = 0,60 · 17,3 = 10,38 г/м³.
2. При 10 °C в 1 м³ насыщенного воздуха может остаться 9,4 г пара. Поскольку 10,38 г/м³ больше этого предела, избыток сконденсируется.
3. Вычитаем: m = (10,38 − 9,4) г/м³ · 1 м³ = 0,98 г.

Ответ: сконденсируется 0,98 г воды. Умножение на объём нужно, чтобы перейти от разности плотностей к массе конденсата.

Типичные ошибки

Ошибка: считать абсолютную и относительную влажность одной величиной. Абсолютная влажность показывает массу пара в объёме, а относительная — долю от возможного содержания; путаница возникает из-за общего слова «влажность». Проверьте ответ по единицам: г/м³ относятся к абсолютной влажности, проценты — к относительной.

Ошибка: вычислять относительную влажность, не учитывая температуру. Плотность насыщенного пара меняется с температурой, поэтому без неё нельзя выбрать правильный предел; часто в формулу подставляют случайное табличное значение. Проверьте, что ρнас относится к температуре из условия.

Ошибка: при охлаждении всегда сохранять прежнее количество пара. Это верно только до достижения точки росы; дальше избыток конденсируется. Сравните исходную абсолютную влажность с плотностью насыщенного пара при конечной температуре: если первая больше, их разность соответствует сконденсировавшемуся пару.

Ошибка: забывать умножить отношение влажностей на 100% или записывать относительную влажность в г/м³. Такое случается, когда смешивают формулу отношения с формулой абсолютной влажности. Проверьте, что процентный ответ получен умножением на 100%, а его единица — %.

Связь с другими темами

Для понимания влажности нужны знания об испарении, конденсации и агрегатных состояниях вещества. Эти процессы объясняют, как вода переходит из жидкости в пар и обратно. Изменение температуры и влажности помогает понять появление росы, тумана и облаков. Те же понятия используют при изучении погоды и работы бытовых приборов, которые измеряют или регулируют влажность воздуха.

Что запомнить

• В воздухе всегда может содержаться водяной пар.
• Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма.
• Насыщенный пар соответствует максимально возможному содержанию пара при данной температуре.
• Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению.
• При охлаждении воздуха относительная влажность увеличивается.
• При достижении точки росы начинается конденсация водяного пара.
• Влажность воздуха измеряют гигрометром или психрометром.