Влажность воздуха
Влажность воздуха характеризует содержание водяного пара в атмосфере. Для решения задач важно различать абсолютную влажность — массу пара в единице объёма — и относительную влажность, показывающую, насколько воздух близок к насыщению.
Водяной пар и влажность воздуха
В воздухе постоянно присутствует некоторое количество водяного пара. Он образуется при испарении воды и возвращается в жидкость при конденсации. Водяной пар может быть ненасыщенным или насыщенным. В ненасыщенном паре испарение преобладает над конденсацией, а в насыщенном паре эти процессы в среднем уравновешены.
Влажность воздуха — это содержание водяного пара в воздухе. Её описывают абсолютной и относительной влажностью.
Количество пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры. При нагревании воздух способен вместить больше водяного пара, а при охлаждении избыток пара конденсируется в капли воды. Температуру, при которой начинается конденсация, называют точкой росы.
Абсолютная влажность
Абсолютная влажность показывает, какая масса водяного пара содержится в единице объёма воздуха. Обычно её обозначают буквой \(\rho\) и измеряют в \(\text{кг/м}^3\) или, чаще в школьных задачах, в \(\text{г/м}^3\).
Здесь \(m\) — масса водяного пара, \(V\) — объём воздуха. Если масса дана в граммах, а объём — в кубических метрах, результат сразу получится в \(\text{г/м}^3\).
Массу водяного пара можно найти по формуле \(m = \rho V\), а объём — по формуле \(V = \frac{m}{\rho}\). Перед вычислениями необходимо привести величины к согласованным единицам.
Абсолютная влажность сама по себе не показывает, насколько воздух насыщен. Например, абсолютная влажность \(10\ \text{г/м}^3\) при разных температурах означает разную степень насыщения: тёплый воздух может вместить ещё много пара, а более холодный может оказаться почти насыщенным. Подробное определение и примеры приведены на странице абсолютная влажность.
Относительная влажность
Относительная влажность показывает, какую долю составляет фактическая абсолютная влажность от максимально возможной при данной температуре. Максимально возможная плотность пара — это плотность насыщенного пара при той же температуре.
Здесь \(\varphi\) — относительная влажность, \(\rho\) — абсолютная влажность воздуха, \(\rho_{\text{н}}\) — плотность насыщенного водяного пара при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах и обычно находится от \(0\%\) до \(100\%\).
Относительная влажность — отношение плотности водяного пара в воздухе к плотности насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах.
Если \(\varphi=100\%\), пар насыщенный и дальнейшее охлаждение вызывает конденсацию. Если \(\varphi=50\%\), фактическое содержание пара вдвое меньше максимально возможного при этой температуре. Иногда в задачах используют отношение парциального давления пара \(p\) к давлению насыщенного пара \(p_{\text{н}}\):
При одинаковой температуре можно применять либо плотности пара, либо его давления — результат будет одним и тем же. При постоянном количестве пара нагревание обычно уменьшает относительную влажность, а охлаждение увеличивает её.
В воздухе содержится \(8\ \text{г/м}^3\) водяного пара, а плотность насыщенного пара при этой температуре равна \(16\ \text{г/м}^3\). Чему равна относительная влажность?
Измерение влажности
Влажность измеряют гигрометрами и психрометрами. Гигрометр может использовать свойство обезжиренного человеческого волоса изменять длину при изменении влажности или регистрировать конденсацию пара на охлаждаемой поверхности. Психрометр состоит из двух термометров: сухого и влажного.
| Прибор или часть прибора | Что измеряют | Особенность |
|---|---|---|
| Гигрометр | Относительную влажность | Показывает значение по шкале или цифровому датчику |
| Сухой термометр психрометра | Температуру воздуха | Показывает обычную температуру воздуха |
| Влажный термометр психрометра | Температуру испаряющейся воды | Обычно показывает меньшую температуру |
| Психрометрическая таблица | Относительную влажность | Использует показания сухого и влажного термометров |
Влажный термометр обёрнут тканью, смоченной водой. Вода испаряется и охлаждает термометр. Чем суше воздух, тем интенсивнее испарение, тем больше разность показаний сухого и влажного термометров. При относительной влажности \(100\%\) испарение практически прекращается, поэтому показания термометров совпадают.
Сначала найдите разность температур \(t_{\text{сух}}-t_{\text{влаж}}\). Затем в таблице выберите строку с температурой сухого термометра и столбец с этой разностью. На пересечении будет относительная влажность в процентах.
Расчётные задачи
Задачи на влажность обычно сводятся к трём действиям: найти абсолютную влажность, определить относительную влажность по табличному значению плотности насыщенного пара или вычислить неизвестную массу/объём.
В комнате объёмом \(V=50\ \text{м}^3\) находится \(m=250\ \text{г}\) водяного пара. При температуре комнаты плотность насыщенного пара равна \(\rho_{\text{н}}=20\ \text{г/м}^3\). Найдём абсолютную и относительную влажность.
Следовательно, в каждом кубическом метре комнаты содержится \(5\ \text{г}\) водяного пара, а воздух использует четверть от возможного содержания пара при этой температуре.
Если в условии после охлаждения указана точка росы, нужно использовать таблицу плотности насыщенного пара или давление насыщенного пара для этой температуры. При достижении точки росы относительная влажность становится равной \(100\%\), а часть пара может перейти в жидкость.
Не путайте массу пара \(m\) с абсолютной влажностью \(\rho\). Не подставляйте в формулу относительной влажности температуру вместо плотности насыщенного пара. Не забывайте умножать отношение на \(100\%\). Значение \(\rho_{\text{н}}\) нужно брать для той же температуры, что и фактическая влажность. Если объём дан в литрах, переведите его в кубические метры: \(1\ \text{л}=0{,}001\ \text{м}^3\).
Как рассуждать в экзаменационной задаче
- Выпишите известные величины и определите, что требуется найти.
- Проверьте единицы измерения массы и объёма.
- Для абсолютной влажности примените \(\rho=\frac{m}{V}\).
- Для относительной влажности найдите из таблицы или условия \(\rho_{\text{н}}\) и примените \(\varphi=\frac{\rho}{\rho_{\text{н}}}\cdot100\%\).
- Оцените ответ: относительная влажность не должна превышать \(100\%\), если конденсация отдельно не указана.
Проверь себя
Главное
- Абсолютная влажность: \(\rho=\frac{m}{V}\), единицы — \(\text{г/м}^3\) или \(\text{кг/м}^3\).
- Относительная влажность: \(\varphi=\frac{\rho}{\rho_{\text{н}}}\cdot100\%\); она показывает степень насыщения воздуха.
- Плотность насыщенного пара зависит от температуры и обычно берётся из таблицы.
- Психрометр измеряет влажность по разности показаний сухого и влажного термометров.
- При достижении точки росы относительная влажность равна \(100\%\), а избыток пара конденсируется.