Влажность

Определения и обозначения

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: молекулы одновременно покидают жидкость и возвращаются в неё. При данной температуре его плотность и давление максимально возможны, потому что при дальнейшем накоплении пара конденсация в среднем будет уравновешивать испарение. Это понятие помогает понять, когда воздух уже не может удерживать больше пара без образования капель.

Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в состоянии насыщения; его обозначают pнас. Оно зависит от температуры: чем теплее жидкость и пар, тем выше давление насыщенного пара. Эта величина нужна, чтобы сравнить фактическое давление водяного пара с предельным при заданной температуре.

Абсолютная влажность ρ — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Её вычисляют по формуле ρ = m/V, где m — масса пара, а V — объём воздуха. Единицы измерения — кг/м³ или г/м³; абсолютная влажность позволяет узнать, сколько именно пара содержится в данном объёме.

Относительная влажность φ — отношение фактической влажности к влажности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. Формула имеет вид φ = (ρ/ρнас) · 100 %, где ρнас — плотность насыщенного пара. Можно также сравнивать давления: φ = (p/pнас) · 100 %; эта величина показывает, насколько воздух близок к насыщению.

Как это устроено

Поверхность жидкости состоит из молекул, которые непрерывно движутся. Некоторые молекулы получают достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседей и вылететь в пространство над жидкостью: так происходит испарение. Поэтому сначала число молекул пара над жидкостью увеличивается, а вместе с ним растёт и вероятность возвращения молекул обратно в жидкость.

Возвращение молекул пара в жидкость называется конденсацией. Чем больше молекул находится над поверхностью, тем чаще они сталкиваются с ней и тем больше из них конденсируется за одно и то же время. В закрытом сосуде наступает момент, когда число молекул, покидающих жидкость за секунду, в среднем равно числу возвращающихся. Такой баланс называют динамическим равновесием: процессы не прекращаются, но количество пара перестаёт изменяться.

После установления равновесия добавление пара при неизменной температуре не приводит к неограниченному росту его плотности. Избыток молекул начинает конденсироваться, поэтому состояние насыщения задаёт предельные плотность и давление пара. Если температура меняется, этот предел тоже меняется: при нагревании молекулы движутся быстрее, чаще и энергичнее покидают жидкость. Поэтому насыщенный пар при более высокой температуре может иметь большую плотность и создавать большее давление.

Относительная влажность сопоставляет фактическое содержание пара с предельным содержанием при той же температуре. Для одного и того же объёма отношение плотностей ρ/ρнас соответствует отношению давлений p/pнас, поэтому влажность можно рассчитывать любым из этих способов. Например, 50 % означает, что фактическая плотность пара равна половине плотности насыщенного пара при текущей температуре. Чем ближе значение к 100 %, тем ближе воздух к насыщению.

Влажность измеряют гигрометрами и психрометрами. Психрометр состоит из сухого и влажного термометров: вода на влажном термометре испаряется и отнимает тепло, поэтому его показание обычно ниже. Чем суше воздух, тем быстрее идёт испарение и тем больше разность температур термометров. По этой разности и температуре сухого термометра в психрометрической таблице находят относительную влажность.

Основные характеристики влажности воздуха

Сначала определите, какую величину требуется найти, и выберите соответствующую строку таблицы. Для относительной влажности обязательно берите насыщенное значение при той же температуре, что и фактическое. Проверьте, что единицы массы и объёма согласованы перед вычислениями.

Разбор задач

Абсолютная влажность

В комнате объёмом 60 м³ содержится 600 г водяного пара. Нужно определить абсолютную влажность воздуха. Поскольку абсолютная влажность показывает массу пара в каждом кубическом метре, следует разделить всю массу на объём. Результат получится в г/м³, так как масса дана в граммах, а объём — в кубических метрах.

1. Запишем данные: m = 600 г, V = 60 м³.
2. Используем формулу абсолютной влажности: ρ = m/V.
3. Подставим значения: ρ = 600 г / 60 м³ = 10 г/м³.

Ответ: абсолютная влажность воздуха равна 10 г/м³.

Относительная влажность

При 20 °C плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³, а фактическая абсолютная влажность — 8,65 г/м³. Требуется найти относительную влажность. Сравниваем эти плотности, потому что обе относятся к одной температуре, и выражаем полученную долю в процентах. Если фактическая плотность составляет половину насыщенной, влажность должна быть 50 %.

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

Ответ: относительная влажность воздуха равна 50 %.

Начнётся ли конденсация при охлаждении?

При 20 °C относительная влажность воздуха равна 50 %. Воздух постепенно охлаждают до 5 °C, где плотность насыщенного пара составляет 6,8 г/м³. Чтобы выяснить, начнётся ли конденсация, найдём фактическую плотность пара при 20 °C и сравним её с предельной плотностью при 5 °C. Предполагаем, что до начала конденсации количество пара в воздухе не меняется.

1. При 20 °C плотность насыщенного пара равна 17,3 г/м³ (по данным задачи о влажности при этой температуре).
2. Найдём фактическую плотность: ρ = (φ/100 %) · ρнас = 0,50 · 17,3 = 8,65 г/м³.
3. Сравним с насыщенным значением при 5 °C: 8,65 г/м³ > 6,8 г/м³. Воздух не может сохранить весь пар в газообразном состоянии при такой температуре.
4. Избыток пара конденсируется, пока плотность не станет соответствовать насыщенному значению.

Ответ: при охлаждении до 5 °C конденсация начнётся.

Типичные ошибки

Абсолютную влажность иногда путают с относительной: обе описывают водяной пар, но первая является массой в единице объёма, а вторая — отношением в процентах. Такая путаница возникает из-за похожих названий. Проверьте себя по единицам: г/м³ или кг/м³ указывают на абсолютную влажность, знак % — на относительную.

При вычислении относительной влажности могут взять плотность насыщенного пара при другой температуре. Тогда сравниваются несопоставимые значения, потому что насыщенная плотность меняется с температурой. Перед подстановкой убедитесь, что фактическая и насыщенная величины относятся к одной температуре.

Насыщение иногда понимают как остановку испарения. Это неверно: испарение продолжается, но ему в среднем соответствует равное по скорости возвращение молекул в жидкость. Чтобы проверить рассуждение, вспомните о динамическом равновесии: отдельные молекулы движутся, хотя общее количество пара не меняется.

Можно ошибочно считать, что охлаждение не влияет на относительную влажность. При снижении температуры уменьшается насыщенная плотность, а фактическое содержание пара сначала может остаться прежним, поэтому отношение растёт. Проверьте, не превысила ли фактическая плотность насыщенную при новой температуре: если достигнут предел, начинается конденсация.

Связь с другими темами

Для расчётов влажности нужны понятия плотности вещества и давления газа: по ним находят массу пара в объёме и описывают его давление. Модель движения молекул помогает объяснить испарение, конденсацию и динамическое равновесие. Поэтому важно представлять, что частицы вещества непрерывно движутся и взаимодействуют.

Тема связана с испарением и конденсацией, а также с зависимостью состояния вещества от температуры. При охлаждении воздуха водяной пар может достичь насыщения и перейти в жидкие капли. Так возникают роса, туман и облака.

Знания о влажности используют при изучении погоды и прогнозировании образования облаков и тумана. В помещениях влажность учитывают при работе кондиционеров и систем вентиляции. Понимание относительной влажности помогает объяснить, почему одинаковое количество пара в тёплом и холодном воздухе ощущается по-разному.

Что запомнить

• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
• Давление насыщенного пара зависит главным образом от температуры.
• Абсолютная влажность равна массе водяного пара в единице объёма.
• Относительная влажность показывает степень близости воздуха к насыщению.
• Относительная влажность вычисляется как отношение фактической влажности к насыщенной при той же температуре, умноженное на 100 %.
• При относительной влажности 100 % воздух насыщен, и при дальнейшем охлаждении начинается конденсация.