О чем эта статья

Определение

Кроме относительной влажности воздуха , существует также такая величина как абсолютная влажность. Количество водяного пара в единице объема воздуха получило название абсолютной влажности воздуха. Так как в качестве единицы измерения количества взята масса, и ее значения для пара в кубическом метре воздуха небольшие, то было принято измерять абсолютную влажность в г/м³. Эти показатели изменяются от частей единицы измерения до более 30 г/м³, в зависимости от времени года и географического положения поверхности, над которой измеряется влажность.

Абсолютная влажность, это главный показатель, характеризующий состояние воздуха, и большое значение для определения его свойств имеет сопоставление влажности с окружающей температурой, так как эти параметры взаимосвязаны. Например, водяной пар при понижении температуры доходит до состояния насыщенности, после которого начинается процесс конденсации. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы.

Приборы для определения абсолютной влажности

Определение значения абсолютной влажности основывается на его вычислениях по показаниям термометров. В частности, по показаниям психрометра Августа , состоящего из двух ртутных термометров - один из которых сухой, а другой влажный(на рисунке изображение A). Испарение воды с поверхности, косвенно контактирующей с кончиком термометра, приводит к снижению его показаний. Разница между показаниями обоих термометров и лежит в основе формулы Августа, по которой определяется абсолютная влажность. На погрешность таких измерений могут оказывать потоки воздуха и тепловые излучения.

Более точен аспирационный психрометр, предложенный Ассманом (на рисунке изображение Б). В его конструкции предусмотрена защитная трубка, ограничивающая влияние тепловых излучений, и аспирационный вентилятор, который создает стабильный воздушный поток. Абсолютная влажность определяется по формуле, отображающей ее зависимость от показаний термометров и барометрического давления в этот период времени.

Значение измерений абсолютной влажности

Контроль значений абсолютной влажности необходим в метеорологии, так как эти показания играют большую роль в прогнозировании возможных осадков. Также психрометрами пользуются и в шахтах горных выработок. Необходимость постоянного контроля абсолютной влажности во многих системах автоматизации является предпосылкой для создания более современных измерителей. Это электронные датчики, которые производят необходимые измерения, анализируют показания и отображают уже вычисленное значение абсолютной влажности.

Влажность воздуха является важной характеристикой окружающей среды. Но не все до конца понимают, что подразумевается под подаваемых в сводках погоды. и абсолютная влажность - это связанные понятия. Разобраться в сути одного без понимания другого не представляется возможным.

Воздух и влага

Воздух содержит смесь веществ, находящихся в газообразном состоянии. В первую очередь это азот и кислород. Их в общем составе (100 %) содержится приблизительно 75 % и 23 % по массе соответственно. Около 1,3 % аргона, менее 0,05 % - это углекислый газ. Остаток (недостающая около 0,005% суммарно) приходится на долю ксенона, водорода, криптона, гелия, метана и неона.

Также в воздухе постоянно содержится какое-то количество влаги. В атмосферу она попадает после испарения молекул воды из мирового океана, с увлажненной почвы. В замкнутом пространстве содержание ее может отличаться от внешней среды и зависит от наличия дополнительных источников поступления и потребления.

Для более точного определения физических характеристик и количественных показателей применяется два понятия: относительная влажность и абсолютная влажность. В быту избыточный образуется при сушке белья, в процессе приготовления пищи. Люди и животные выделяют его с дыханием, растения в результате газообмена. В производстве изменение соотношения водяного пара может быть связано с конденсацией при перепаде температур.

Абсолютная и особенности употребления термина

Насколько важны знания точного количества водяного пара в атмосфере? По этим параметрам рассчитываются прогнозы погоды, возможности выпадения осадков и их объем, пути перемещения фронтов. На базе этого определяются риски возникновения циклонов и особенно ураганов, могущих представлять серьезную опасность для региона.

В чем разница двух понятий? Общее то, что и относительная влажность, и абсолютная влажность показывают содержание в воздухе водяного пара. Но первый показатель определяется расчетным путем. Второй же может быть измерен физическими методами с результатом в г/м 3 .

Однако с изменением температуры окружающей среды эти показатели меняются. Известно, что в воздухе максимально может содержаться определенное количество водяного пара - абсолютная влажность. Но для режимов +1°C и +10°C эти значения будут разными.

Зависимость количественного содержания водяного пара в воздухе от температуры отображается в показателе относительной влажности. Она рассчитывается по формуле. Результат выражается в процентном соотношении (объективный показатель от максимально возможного значения).

Влияние условий среды

Как изменится абсолютная и относительная влажность воздуха с повышением температуры, к примеру, с +15°C до +25°C? С ее увеличением давление водяного пара вырастает. А значит, в единице объема (1 м куб.) молекул воды поместится больше. Следовательно, вырастает и абсолютная влажность. Относительная при этом снизится. Это объясняется тем, что фактическое содержание водяного пара осталось на том же уровне, а максимально возможное значение увеличилось. По формуле (разделив одно на другое и умножив результат на 100 %) в итоге получится уменьшение показателя.

Как изменится абсолютная и относительная влажность при понижении температуры? Что происходит при уменьшении с +15°C до +5°C? Абсолютная влажность при этом снизится. Соответственно в 1 м куб. воздушной смеси водяного пара максимально может поместиться меньшее количество. Расчет по формуле покажет увеличение итогового показателя - процент относительной влажности увеличится.

Значение для человека

При наличии избыточного количества паров воды чувствуется духота, при недостатке - ощущается сухость кожных покровов и жажда. Очевидно, что влажность сырого воздуха выше. При избытке лишняя вода не удерживается в газообразном состоянии и переходит в жидкую или твердую среду. В атмосфере она устремляется вниз, это проявляется осадками (туман, изморозь). В помещении на предметах интерьера образуется слой конденсата, на поверхности травы по утрам роса.

Повышение температуры легче переносить в сухом помещении. Однако тот же режим, но при относительной влажности выше 90 % вызывает быстрое перегревание тела. Организм борется с этим явлением одинаково - происходит выделение тепла с потом. Но на сухом воздухе он быстро испаряется (высыхает) с поверхности тела. Во влажной среде этого практически не происходит. Наиболее подходящий (комфортный) для человека режим - это 40-60 %.

Для чего это необходимо? В сыпучих материалах в сырую погоду содержание сухого вещества в единице объема уменьшается. Эта разница не столь существенна, но при больших объемах может «вылиться» в реально определяемое количество.

Продукция (зерно, мука, цемент) имеет допустимый порог влажности, при которой она может храниться без потери качества или технологических свойств. Поэтому контроль показателей и поддержание их на оптимальном уровне обязательны для хранилищ. Снижением влажности в воздухе добиваются уменьшения ее и в продукции.

Приборы

На практике фактическая влажность измеряется гигрометрами. Раньше существовало два подхода. Один основан на изменении растяжимости волоса (человеческий или животного). Другой - на разности показаний термометров в сухой и влажной среде (психрометрический).

В волосном гигрометре стрелка механизма связана с натянутым на рамке волосом. Он в зависимости от влажности окружающего воздуха меняет физические свойства. Стрелка отклоняется от эталонного значения. Ее перемещения отслеживаются по нанесенной шкале.

Относительная влажность и абсолютная влажность воздуха, как известно, зависят от температуры окружающей среды. Эта особенность используется в психрометре. При определении снимаются показания двух рядом расположенных термометров. Колба одного (сухого) находится в обычных условиях. У другого (мокрого) она окутана фитилем, который связан с резервуаром с водой.

В таких условиях термометр измеряет среду с учетом испаряющейся влаги. А этот показатель зависит от количества водяного пара в воздухе. Определяется разность показаний. Значение относительной влажности определяется по специальным таблицам.

В последнее время большее применение имеют датчики, использующие изменения электрических характеристик определенных материалов. Для подтверждения результатов и сверки приборов существуют эталонные установки.

Относительная влажность

Отношение действительного значения абсолютной влажности к максимально возможному ее значению при той же температуре называется о т н о с и т е л ь н о й влажностью.

Обозначают относительную влажность φ :

Как правило, относительную влажность выражают в процентах, тогда

∙ 100, % и ∙ 100, %.

Для сухого воздуха φ = 0%, влажный насыщенный воздух имеет φ = 100%.

Увеличение относительной влажности воздуха происходит за счет добавления в него количества водяного пара. В тоже время, если охлаждать влажный воздух при неизменном парциальном давлении водяного пара, то φ будет увеличиваться вплоть до φ = 100%.

Температуру, при которой достигается состояние насыщения влаж- ного воздуха, называют т е м п е р а т у р о й т о ч к и р о с ы и обозначают t р .

При температуре ниже t р воздух будет оставаться насыщенным, избыточная же влага выпадает из влажного воздуха в виде капель воды или тумана. Это свойство положено в основу принципа определения t р прибором, называемым гигрометром.

При обработке влажного воздуха (подогрев, охлаждение) количество сухого воздуха в нем не изменяется, поэтому целесообразно все удельные величины относить к 1 кг сухого воздуха.

Массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха, называютют в л а г о с о д е р ж а н и е м.

Обозначают влагосодержание через d , измеряют в г/кг.

Из определения следует:

При допущении, что водяной пар и сухой воздух являются идеальными газами, можно записать:

p п V п = m п R п Т п и p с V c = m c R c T с.

Почленно разделим их и, учитывая особенности газовых смесей (пар и сухой воздух занимают один и тот же объем и имеют одинаковую температуру), т.е. V п = V c и T п = Т с ), получим:

(3.5)

Из уравнения (3.5) следует, что влагосодержание при заданном барометрическом давлении (р бар) зависит только от парциального давления водяного пара. В выражение (3.5) можно ввести значение относительной влажности φ: так, с учетом (3.3)

. (3.6)

Из уравнения (3.5) определим парциальное давление водяного пара во влажном воздухе через влагосодержание:

. (3.7)

3.2.2. Диаграмма id влажного воздуха

Определение параметров влажного воздуха и расчет процессов тепло- и массообмена значительно упрощается при использовании id – диаграммы, которая была предложена в 1918 г Л.К.Рамзиным. Диаграмма (рис. 3.3) построена для барометрического давления 745 мм рт. ст., т.е. 99,3 кПа (среднее годовое давление в Центральной части России), но ею можно пользоваться и при других барометрических давлениях в пределах допустимой точности.

При построении диаграммы по оси ординат отложена удельная энтальпия сухого воздуха – i, а по оси абсцисс влагосодержании – d . С целью расширения наиболее используемой для расчетов области, соответствующей насыщенному влажному воздуху, угол между осями выбран равным 135 0 . Горизонтально проведена вспомогательная ось, на которую спроецированы значения влагосодержания с наклонной оси. Хотя ось абсцисс на диаграмму обычно не наносится, изоэнтальпы идут параллельно ей, поэтому они на диаграмме изображаются наклонными прямыми. Линии d = const проведены параллельно оси ординат.

Значения d = const и i = const образуют координатную сетку, на которую наносятся линии постоянных температур (изотермы) и кривые линии относительной влажности (φ=const).

Для построения изотерм необходимо выразить энтальпию через влагосодержание. Энтальпия влажного воздуха на основании условия аддитивности выразится как

I = I c + I п .

Поделим величины данного уравнения на массу сухого воздуха, получим:

i = i c + .

Если второе слагаемое умножить и разделить на массу пара, то будем иметь:

(3.8)

Отсчитывая энтальпию от 0 0 С, выражение (3.8) можно записать:

i = c pc t + d (r 0 + c p п t ), (3.9)

где c pc и c p п – массовые теплоемкости сухого воздуха и пара;

r 0 – теплота фазового перехода воды в пар при 0 0 С;

t – текущее значение температуры.

При допущении, что теплоемкости сухого воздуха и пара в диапазоне измеряемых температур постоянны, для фиксированного t уравнение (3.9) представляет линейную зависимость i от d. Следовательно, изотермы в координатах i d будут прямыми линиями.

Используя выражение (3.6) и табличные зависимости давления насыщенного пара от температуры p н = f(t), несложно построить кривые относительной влажности. Так, при построении кривой для конкретного φ выбирают несколько значений температур, из таблиц для них определяют p н и по (3.6) вычисляют d. Соединив точки с координатами t i , d i линией, получим кривую φ = const. Линии (φ = const) имеют вид расходящихся кривых, которые претерпевают излом при t = 99,4 0 С (температура кипения воды при давлении 745 мм рт. ст), и дальше идут вертикально. Кривая φ=100% делит площадь диаграммы на две части. Выше кривой располагается область влажного воздуха с ненасыщенным паром, а ниже – область влажного воздуха с насыщенным и частично – с конденсированным паром. Изотермы, соответствующие температурам адиабатного насыщения воздуха (t м), на диаграмме проходят под небольшим углом к изоэнтальпам и изображены пунктирными линиями. Они измеряются "мокрым" термометром и обозначаются t м. На кривой φ = 100 % в одной точке пересекаются изотермы сухого и мокрого термометров. В нижней части диаграммы по уравнению (3.7) построена зависимость р п = f(d) для р бар = 745 мм рт ст.

По id-диаграмме, зная два любых параметра, можно определит все остальные параметры влажного воздуха. Так, например, для состояния A

(см рис. 3.6) имеем t a , i a , φ a , d a , p па, t p . Значения температуры t a , энтальпии i a и влагосодержания d a есть проекция точки А на оси i, d и t. Величина относительной влажности характеризуется значением на кривой, проходящей через данное состояние.

Для определения температуры точки росы необходимо точку A спроецировать на кривую φ = 100%. Изотерма, проходящая через эту проекцию, дает значение t p . Давление пара определяется по влагосодержанию d a и линией p п = f(d).

При нагревании воздуха его влагосодержание не изменяется (d=const), а энтальпия возрастает, поэтому процесс нагрева на id-диаграмме изображается вертикальной прямой AB.

Процесс охлаждения воздуха также происходит при d=const; энтальпия уменьшается (линия CE), а относительная влажность возрастает вплоть до точки росы, являющейся пересечением прямой охлаждения CE с кривой φ = 100 %.

В процессе сушки материала воздух увлажняется. Если при этом теплота, истраченная на испарение влаги, берется из воздуха, то этот процесс приближенно (без учета энтальпии воды) считают изоэнтальпным, так как израсходованная теплота снова возвращается воздуху вместе с испаренной влагой. Поэтому на id – диаграмме процесс сушки изображается прямой CR, параллельной линиям i = const.

При увлажнении воздуха паром (линия КМ) энтальпия влажного воздуха увеличивается. Параметры состояния (i м, d м) определяются по начальным (i к, d к),. из теплового и материального балансов процесса смешения

i м = i к + d п i п и d м = d к + d п,

где i п и d п – энтальпия и количество подаваемого пара на 1 кг сухого воздуха, соответственно.

При смешивании потоков влажного воздуха параметры смеси определяются на основании балансов массы, энтальпии и влаги. Если расходы влажного воздуха в смешиваемых потоках и , а энтальпии и влагосодержания, соответственно, i 1 , d 1 и i 2 , d 2 , то уравнения для определения энтальпии и влагосодержания смеси следующие:

i см = (i 1 m 1 + i 2 m 2)/(m 1 +m 2) ,

d см = (d 1 m 1 +d 2 m 2)/(m 1 +m 2).

При смешении двух потоков воздуха относительная влажность смеси не может быть больше 100 %.

Когда речь идет о нашем здоровье, то знание относительной влажности воздуха и формулы ее определения становится на первое место. Впрочем, точную формулу знать не обязательно, но неплохо хотя бы в общих чертах представлять себе, что это такое, зачем измерять влажность в доме, и какими способами это можно сделать.

Какой должна быть оптимальная влажность

Влажность в помещении, где человек работает, проводит досуг или спит, имеет особое значение. Наши органы дыхания созданы таким образом, что слишком сухой или насыщенный водяными парами воздух для них губителен. Поэтому существуют государственные стандарты, которые регламентируют, какой должна быть влажность воздуха в помещении.

Зона оптимальной влажности

В целом существует с десяток способов проконтролировать влажность воздуха и привести его в норму. Это создаст самые благоприятные условия для учебы, сна, занятий спортом, повысит работоспособность и улучшит самочувствие.

Рассмотрим теперь устройство и принцип действия психрометра – более точного прибора для измерения влажности воздуха. Психрометр имеет два термометра: сухой и влажный. Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду (см. рисунок). Испарение воды с поверхности марли приводит к понижению её температуры. Второй же, «сухой» термометр показывает обычную температуру воздуха. Измеренные психрометром значения температур перевести в значение относительной влажности воздуха можно по таблице (см. ниже).

Рассмотрим пример. Допустим, в комнате температура 20 °С, а влажный термометр показывает 15 °С. То есть разность показаний термометров 5 °С. В таблице, по строке «20», движемся до колонки «5». Читаем там число: 59. Следовательно, относительная влажность воздуха в той комнате, где висит психрометр, составляет именно 59 %.

Если в воздухе, где находится психрометр, мало водяных паров, то парообразование с поверхности марли идёт интенсивно. Согласно формуле Q=rm (см. § 6-г), на это расходуется теплота «отбираемая» у воды на марле, и она охлаждается согласно формуле $Q=C\cdot m\cdot \Delta t^o$ (см. § 6-в). Поэтому влажный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Если воздух настолько влажный, что содержащийся в нём водяной пар является насыщенным, то испарения воды с поверхности марли не будет. Следовательно, оба термометра будут показывать равные температуры, и это будет означать, что относительная влажность воздуха равна 100%.

Проверьте, как вы усвоили материал:

1. Цель этого параграфа – рассмотреть...
2. Влажность воздуха важна не только для здоровья человека, но и для...
3. Почему важно, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар не был (почти) насыщенным?
4. Вводимая нами новая физическая величина должна показывать, ...
5. Относительная влажность воздуха вычисляется отношением плотности водяного пара в воздухе к...
6. Волосяной гигрометр является...
7. На изменение относительной влажности воздуха в гигрометре реагирует...
8. Гигрометр позволяет (способен) измерять относительную влажность воздуха, так как...
9. Удобство использования гигрометра для измерений влажности состоит в том, что его стрелка...
10. Вместо гигрометра часто применяют психрометр в качестве...
11. Почему правый термометр психрометра обычно показывает более низкую температуру?
12. Специально составленную так называемую психрометрическую таблицу, применяют, чтобы...
13. Если температура воздуха в комнате 30 °С, а на влажном термометре 25 °С, то...
14. При каком условии испарение воды с поверхности марли идёт быстро?
15. Влажная марля, а вместе с ней и правый термометр охлаждаются, так как...
16. При каком условии оба термометра будут показывать равные температуры?