… как относительная влажность воздуха влияет на параметры сушки водных лакокрасочных материалов?
Относительная влажность воздуха - оказывает существенное влияние и на скорость, и на полноту сушки водного лакокрасочного покрытия.
Относительная влажность является параметром, который определяет сколько еще воды воздух готов принять ввиде пара.
Относительная влажность
Относительная влажность воздуха - отношение количества водяного пара находящегося в воздухе к максимально возможному количеству пара при данной температуре.
Из определения, как минимум становится понятным, что воздух может содержать только ограниченное количество воды и это количество зависит от температуры.
Когда влажность воздуха 100% - это означает, что в воздухе находится максимально возможное количество водяного пара и больше воздух принять не может. Другими словами испарение воды в данных условиях невозможно.
Чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше воды может перейти в пар и тем выше скорость испарения. Но этот процесс не бесконечен, - если испарение происходит в замкнутом пространстве (например, в сушке нет вытяжки), то в какой-то момент испарение прекратится.
Абсолютная влажность
В таблице приведены значения абсолютной влажности воздуха с относительной влажностью 100% в интересующем нас температурном диапазоне и поведение параметра относительные влажности воздуха с повышением температуры.
| Температура, °C | Абсолютная влажность, г/м³ | Относительная влажность, % 5 °C | Относительная влажность, % 15 °C |
| - 20 | 1,08 | - | - |
| - 15 | 1,61 | - | - |
| - 10 | 2,36 | - | - |
| - 5 | 3,41 | - | - |
| 0 | 4,85 | - | - |
| 5 | 6,80 | 100 | - |
| 10 | 9,40 | 72,35 | - |
| 15 | 12,83 | 53,01 | 100 |
| 20 | 17,30 | 39,31 | 74,17 |
| 25 | 23,04 | 29,52 | 55,69 |
| 30 | 30,36 | 22,40 | 42,26 |
| 35 | 39,58 | 17,19 | 32,42 |
Из приведенных данных видно, что при сохранении значения абсолютной влажности, при повышении температуры значение относительной влажности понижается.
Значение максимальной абсолютной влажности при определенной температуре дает возможность рассчитать эффективность сушилки, или если быть точнее, неэффективность сушилки без приточной вентиляции.
Допустим у нас сушилка - помещение 7 на 4 и высотой 3 метра, что составляет 84 куб.м. И предположим, что мы хотим в этом помещении высушить 100 штук профилей ПВХ для окон или 160 фасадных плит из стекла или фиброцементных плит размером 600 на 600 мм; что составляет около 60 кв.м. поверхности.
Для окраски такой поверхности израсходуется 6 литров краски; для полного высыхания краски должно испариться примерно 2 литра воды. В то же время, согласно таблице, при температуре 20 °C 84 куб.м. воздуха могут содержать максимум 1,5 литра воды.
То есть, если даже воздух изначально имел нулевую абсолютную влажность, водная краска в данном помещении без приточной вентиляции не высохнет.
Уменьшение относительной влажности
Поскольку для полимеризации лакокрасочного покрытия на водной основе необходимым условием является полное испарение воды, то значение относительной влажности воздуха оказывает существенное влияние на скорость сушки и даже на эксплуатационные качества полимерного покрытия.
Но все не так страшно, как может показаться. Например, если закачивать воздух снаружи, который имеет 100% относительную влажность и температуру 5 °C, и разогревать его до 15 °C, воздух будет иметь всего 53% относительную влажность.
Влага из воздуха никуда не исчезла, то есть абсолютная влажность не изменилась, но воздух готов принять в два раза больше воды, чем при низкой температуре.
То есть, нет необходимости, для получения приемлемых параметров сушки лакокрасочного покрытия, использовать осушители или конденсаторы - достаточно поднять температуру выше температуры окружающей среды.
Чем больше разница температур между воздухом снаружи и воздухом который подается в сушилку, тем меньше относительная влажность последнего.
Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры. Поэтому при изобарическом (то есть при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана , росы или кристалликов льда . Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы : процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).
Относительная влажность - единственный гигрометрический показатель воздуха, допускающий прямое приборное измерение .
Оценка относительной влажности
Относительная влажность водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T ) и температура точки росы (T d ), по следующей формуле:
R H = P s (T d) P s (T) × 100 % , {\displaystyle RH={{P_{s}(T_{d})} \over {P_{s}(T)}}\times 100\%,}где P s - давление насыщенного пара для соответствующей температуры, которое может быть вычислено по формуле Ардена Бака :
P s (T) = 6.1121 exp ((18.678 − T / 234.5) × T 257.14 + T) , {\displaystyle P_{s}(T)=6.1121\exp \left({\frac {(18.678-T/234.5)\times T}{257.14+T}}\right),}Приближённое вычисление
Относительную влажность приближённо можно вычислить по следующей формуле:
R H ≈ 100 − 5 (T − 25 T d) . {\displaystyle R\!H\approx 100-5(T-25T_{d}).}То есть, с каждым градусом Цельсия разницы температуры воздуха и температуры точки росы относительная влажность уменьшается на 5%.
Дополнительно относительную влажность можно оценить по психрометрической диаграмме .
Пересыщенный водяной пар
В отсутствие центров конденсации при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, то есть относительная влажность становится более 100 %. В качестве центров конденсации могут выступать ионы или частицы аэрозолей , именно на конденсации пересыщенного пара на ионах , образующихся при прохождении заряженной частицы в таком паре, основан принцип действия камеры Вильсона и диффузионных камер: капельки воды, конденсирующиеся на образовавшихся ионах, образуют видимый след (трек) заряженной частицы.
Другим примером конденсации пересыщенного водяного пара являются инверсионные следы самолётов, возникающие при конденсации пересыщенного водяного пара на частицах сажи выхлопа двигателей.
Средства и методы контроля
Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются психрометрами и гигрометрами . Психрометр Августа состоит из двух термометров - сухого и влажного. Влажный термометр показывает температуру ниже, чем сухой, так как его резервуар обмотан тканью, смоченной в воде, которая, испаряясь, охлаждает его. Интенсивность испарения зависит от относительной влажности воздуха. По показаниям сухого и влажного термометров находят относительную влажность воздуха по психрометрическим таблицам. В последнее время стали широко применяться интегральные датчики влажности (как правило, с выходом по напряжению), основанные на свойстве некоторых полимеров изменять свои электрические характеристики (такие, как диэлектрическая проницаемость среды) под действием содержащихся в воздухе паров воды.
Определяется комфортная для человека влажность воздуха такими документами, как ГОСТ и СНИП. Они регламентируют, что зимой в помещении оптимальная влажность для человека составляет 30-45 %, летом – 30-60 %. Данные по СНИП немного отличаются: 40-60 % для любого времени года, максимальный уровень 65 %, но для очень влажных регионов – 75 %.
Для определения и подтверждения метрологических характеристик приборов для измерения влажности применяют специальные эталонные (образцовые) установки - климатические камеры (гигростаты) или динамические генераторы влажности газов.
Значение
Относительная влажность воздуха - важный экологический показатель среды. При слишком низкой или слишком высокой влажности наблюдается быстрая утомляемость человека, ухудшение восприятия и памяти. Высыхают слизистые оболочки человека, движущиеся поверхности трескаются, образуя микротрещины, куда напрямую проникают вирусы, бактерии, микробы. Низкая относительная влажность (до 5-7 %) в помещениях квартиры, офиса отмечена в регионах с продолжительным стоянием низких отрицательных температур наружного воздуха. Обычно продолжительность до 1-2 недель при температурах ниже −20 °С приводит к высушиванию помещений. Значительным ухудшающим фактором в поддержании относительной влажности является воздухообмен при низких отрицательных температурах. Чем больше воздухообмен в помещениях, тем быстрее в этих помещениях создаётся низкая (5-7 %) относительная влажность.
Проветривание помещений в мороз с целью увеличения влажности является грубой ошибкой - это наиболее эффективный способ добиться обратного. Причина широко укоренившегося заблуждения в восприятии цифр относительной влажности, известных всем из прогнозов погоды. Это проценты от некоего числа, но это число для комнаты и улицы разное! Узнать это число можно из таблицы, связывающих температуру и абсолютную влажность. Например 100 % влажность уличного воздуха при −15 °С означает 1,6 г воды в кубометре, но этот же воздух (и эти же граммы) при +20 °С означает лишь 8 % влажности.
Пищевые продукты, строительные материалы и даже многие электронные компоненты допускается хранить в строго определённом диапазоне относительной влажности воздуха. Многие технологические процессы происходят только при строгом контроле содержания паров воды в воздухе производственного помещения.
Влажность воздуха в помещении можно изменять.
Для повышения влажности применяются увлажнители воздуха.
Функции осушения (понижения влажности) воздуха реализованы в большинстве кондиционеров и в виде отдельных приборов - осушителей воздуха.
В цветоводстве
Относительная влажность воздуха в оранжереях и используемых для культивирования растений жилых помещениях подвержена колебаниям, что обусловлено временем года, температурой воздуха, степенью и частотой поливки и опрыскивания растений, наличием увлажнителей , аквариумов или других ёмкостей с открытой поверхностью воды, системой проветривания и обогрева. Кактусы и многие суккулентные растения легче переносят сухой воздух, чем многие тропические и субтропические растения.
Как правило, для растений родиной которых являются влажные тропические леса, оптимальной является 80-95 % относительная влажность воздуха (зимой может быть снижена до 65-75 %). Для растений тёплых субтропиков - 75-80 %, холодных субтропиков - 50-75 % (левкои , цикламены , цинерарии и др.)
При содержании растений в жилых помещениях многие виды страдают от сухости воздуха. В первую очередь это отражается на листьях ; у них наблюдается быстрое и прогрессирующее засыхание верхушек.
В предыдущем разделе мы использовали ряд физических терминов. Ввиду их большой важности вспомним школьный курс физики и поясним, что же такое влажность воздуха, точка росы и как их измерить.
Первичным объективным физическим параметром является абсолютная (фактическая) влажность воздуха – массовая концентрация (содержание) газообразной воды (испарённой воды, водяных паров) в воздухе, например, количество килограммов воды, испарённом в одном кубическом метре воздуха (точнее, в одном кубическом метре пространства). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много – влажный. Но что значит много? Например, 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха – это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли – 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определённо сказать, что очень много, так много, что никогда не бывает.
Дело в том, что сколь угодно много испарить воды не удаётся, поскольку в обычных банных условиях вода всё же является жидкостью, и лишь очень незначительная часть её молекул вылетает из жидкой фазы через поверхность раздела в газовую фазу. Поясним это на примере того же условного макета турецкой бани – модельного сосуда («кастрюли»), дно (пол), стенки и крышка (потолок) которого имеют одну и ту же температуру. В технике такой изотермический сосуд называется термостатом (духовкой).
Нальём на дно модельного сосуда (на пол бани) воду и, изменяя температуру, измерим абсолютную влажность воздуха при различных температурах. Окажется, что при подъёме температуры абсолютная влажность воздуха быстро повышается, а при снижении температуры – быстро снижается (рис. 23). Это является результатом того, что с ростом температуры быстро (экспоненциально) растёт число молекул воды с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера фазового перехода. Рост числа газифицирующихся («испаряющихся») молекул приводит к увеличению количества (накоплению) молекул воды в воздухе (к росту количества водяных паров), что приводит в свою очередь к увеличению числа молекул воды, вновь «влетающих» в воду (ожижающихся). Когда скорость газификации воды сравнивается со скоростью ожижения водяных паров, наступает равновесие, которое и описывается кривой на рис. 23. Важно при этом иметь в виду, что в состоянии равновесия, когда кажется, что в бане ничего не происходит, ничего не испаряется и ничего не конденсируется, на самом деле в действительности газифицируются (и тут же ожижаются) тонны воды (и водяного пара соответственно). Однако в дальнейшем мы будем считать испарением именно результирующий эффект – превышение скорости газификации над скоростью ожижения, когда количество воды реально уменьшается, а количество водяных паров реально увеличивается. Если же скорость ожижения превышает скорость газификации, то такой процесс будем называть конденсацией.
Значения равновесной абсолютной влажности воздуха называются плотностью насыщенного пара воды и являются максимально возможными абсолютными влажностями воздуха при заданной температуре. При повышении температуры вода начинает испаряться (превращаться в газ), стремясь к повышенному значению плотности насыщенного пара. При снижении температуры происходит конденсация водяных паров либо на охлаждающихся стенках в виде мелких капель росы (затем сливающихся в крупные капли и стекающих в виде ручейков), либо в объеме охлаждающегося воздуха в виде мелких капель тумана размером менее 1 мкм (в том числе и в форме «клубов пара»).
Рис. 23. Абсолютная влажность воздуха do над водой в равновесных условиях (плотность насыщенного пара) и соответствующее давление насыщенного пара ро при различных температурах. Пунктирные стрелки – определение точки росы Тр для произвольного значения абсолютной влажности d.
Так, при температуре 40 °C равновесная абсолютная влажность воздуха над водой в изотермических условиях (плотность насыщенного пара) составляет 0,05 кг/м 3 . И наоборот, для абсолютной влажности 0,05 кг/м 3 температура 40 °C называется точкой росы, поскольку при этой абсолютной влажности и при этой температуре начинает появляться роса (при снижении температуры). С росой знакомы все по запотевшим стёклам и зеркалам в ванных комнатах. Абсолютная влажность воздуха однозначно определяет (по графику на рис. 23) точку росы воздуха и наоборот. Отметим, что точке росы 37 °C, равной нормальной температуре тела человека, соответствует абсолютная влажность воздуха 0,04 кг/м 3 .
Теперь рассмотрим случай, когда условие термодинамического равновесия нарушено. Например, вначале модельный сосуд вместе с находящейся в нём водой и воздухом был нагрет до 40 °C, а затем предположим чисто гипотетически, что температура стен, воды и воздуха вдруг резко поднялась до 70 °C. Вначале имеем абсолютную влажность воздуха 0,05 кг/м 3 , соответствующую плотности насыщенного пара при 40 °C. После подъёма температуры воздуха до 70 °C абсолютная влажность воздуха должна постепенно подняться до нового значения плотности насыщенного пара 0,20 кг/м 3 за счёт испарения добавочного количества воды. И на всём протяжении испарения абсолютная влажность воздуха будет ниже 0,20 кг/м 3 , но будет повышаться и стремиться к значению 0,20 кг/м 3 , которое рано или поздно установится при 70 °C.
Подобные неравновесные режимы перехода воздуха из одного состояния в другое описываются с помощью понятия относительной влажности, значение которой является расчётным и равно отношению текущей абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при текущей температуре воздуха. Таким образом, вначале мы имеет относительную влажность 100 % при 40 °C. Затем, при резком подъеме температуры воздуха до 70 °C, относительная влажность воздуха резко скачком снизилась до 25 %, после чего за счёт испарения вновь стала подниматься до 100 %. Поскольку понятие плотности насыщенного пара бессмысленно без указания температуры, то и понятие относительной влажности тоже бессмысленно без указания температуры. Так, абсолютная влажность воздуха 0,05 кг/м 3 соответствует относительной влажности воздуха 100 % при температуре воздуха 40 °C и 25 % при температуре воздуха 70 °C. Абсолютная же влажность воздуха является величиной чисто массовой и не требует привязки к какой‑либо температуре.
Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность воздуха равна 100 %, то воздух максимально влажен, абсолютная влажность воздуха равна плотности насыщенного пара. Если относительная влажность воздуха равна, например, 30 %, то это означает, что в воздухе испарено лишь 30 % того количества воды, которое в принципе можно испарить в воздухе при этой температуре, но пока не испарено (или пока не может быть испарено по причине отсутствия жидкой воды). Иными словами, численное значение относительной влажности воздуха указывает, может ли ещё испаряться вода и сколько её может испариться, то есть относительная влажность воздуха фактически характеризует потенциальную влагоёмкость воздуха. Подчеркнём, что термин «относительная» соотносит массу воды в воздухе не к массе воздуха, а к максимально возможному массовому содержанию водяных паров в воздухе.
Но что будет, если в сосуде не будет единой температуры? Например, дно (пол) будет иметь температуру 70 °C, а крышка (потолок) – всего 40 °C. Тогда единое понятие плотности насыщенного пара и относительной влажности ввести не удаётся. У дна сосуда абсолютная влажность воздуха стремится подняться до 0,20 кг/м 3 , а у потолка снизиться до 0,05 кг/м 3 . При этом вода на дне будет испаряться, а на потолке будут конденсироваться водяные пары и стекать затем в виде конденсата вниз, в частности на дно сосуда. Такой неравновесный процесс (но, может быть, вполне устойчивый во времени, то есть стационарный) называется в промышленности перегонкой. Этот процесс характерен для реальных турецких бань, в которых постоянно конденсируется роса на холодном потолке. Поэтому в турецких банях в обязательном порядке делают сводчатые потолки с желобами (канавками) для стока конденсата.
Неравновесность может иметь место и во многих иных (а практически во всех реальных) случаях, в частности, при равенстве всех температур, но при нехватке воды. Так, если в процессе испарения вода на дне сосуда исчезает (испаряется), то далее испаряться будет нечему, и абсолютная влажность зафиксируется на одном уровне. Ясно, что достичь относительной влажности воздуха 100 % в этом случае при повышенных температурах не удаётся, что является полезным фактором, в частности для получения сухой сауны или лёгкого пара в русской бане. Но если мы начнём снижать температуру, то при определённой пониженной температуре, называемой точкой росы, на стенках сосуда вновь появится вода в виде конденсата. В точке росы относительная влажность воздуха всегда равна 100 % (по самому определению точки росы).
На принципе появления конденсата при снижении температуры воздуха создан широко известный в промышленности прибор для определения точки росы в газах. В стеклянной камере, через которую пропускают с низкой скоростью исследуемый газ, монтируют полированную металлическую поверхность, которую медленно охлаждают (рис. 24). В момент появления росы (запотевания) измеряют температуру поверхности. Эта температура и принимается за точку росы. Точное определение момента появления росы возможно только при помощи микроскопа, поскольку капли росы в первичный момент очень малы. Охлаждение поверхности производят отбором тепла жидким теплоносителем или любым иным способом. Температуру поверхности, на которую выпадает роса, измеряют любым термометром, предпочтительно термопарным. Принцип действия прибора становится ясным, если «дыхнуть» на холодное зеркало, особенно принесённое с холода в тёплое помещение – по мере нагрева зеркала запотевание неуклонно снижается, а потом прекращается вовсе.
Всё это означает, что при температурах выше точки росы поверхность всегда сухая, а если воду всё же специально налить, то она непременно испарится, поверхность высохнет. А при температуре ниже точки росы поверхность всегда мокрая, а если поверхность всё же искусственно высушить (вытереть), то вода на ней тотчас возникнет «сама собой» в том смысле, что высадится из воздуха в виде росы (конденсата).
Рис. 24. Принцип устройства прибора для точного определения точки росы в газе. 1 – полированная металлическая поверхность для наблюдения факта появления капель росы, 2 – металлический корпус, 3 – стекло, 4 – вход и выход потока газа, 5 – микроскоп, 6 – лампа подсветки, 7 – термометр термопарный со спаем термопары, установленной в непосредственной близости к полированной поверхности, 8 – стакан с охлаждёной жидкостью (например, водоспиртовой сместью с твёрдой углекислотой – сухим льдом), 9 – подъёмник стакана.
Совершенно иная ситуация возникает в том случае, если поверхность является пористой (деревянной, керамической, цементно‑песчаной, волокнистой и т. п.). Пористые материалы характерны тем, что имеют пустоты, причём пустоты имеют вид каналов с малым поперечным размером (диаметром) вплоть до 1 мкм и даже меньше. Жидкость в таких каналах (капиллярах, порах) ведёт себя иначе, чем на непористой поверхности или в каналах с большим поперечным размером. В случае, если поверхность каналов смачивается водой, то вода с поверхности впитывается вглубь материала и испарить её потом, как все знают, будет трудно. А если поверхность каналов водой не смачивается, то вода вглубь материала не впитывается, а если её даже специально «впрыснуть» вглубь материала (например, шприцем), то она всё равно вытеснится (выпарится) наружу. Это происходит потому что в смачивающихся капиллярах образуется вогнутый мениск поверхности жидкости, и силы поверхностного натяжения втягивают жидкость в капилляр (рис. 25). Чем тоньше капилляры, тем сильней впитывается жидкость, причём высота подъёма столба жидкости в капилляре за счёт сил поверхностного натяжения может составлять десятки метров. Поэтому впитывающаяся жидкость постепенно распределяется по всему объёму пористого материала, что и используется деревьями для доставки питающих растворов из корней в листья кроны.
Рис. 25. Иллюстрация свойств пористого материала, представленного в виде совокупности каналов (капилляров, пор) разного поперечного размера d (диаметра). 1 – подложка непористая, 2 – вода, разлитая на подложке, 3 – капилляры пористого материала, всасывающие за счёт поверхностного натяжения F воду с подложки на тем большую высоту, чем тоньше капилляр (условный поперечный размер «канала» d0 для воды вне капилляра равен бесконечности). Чем тоньше капилляр, тем меньше в нём равновесное значение давления паров воды (равновесная абсолютная влажность воздуха, плотность насыщенного пара), вследствие чего пары воды, образующиеся у поверхности воды на подложке, конденсируются на поверхности воды в капилляре (движение паров показано штрих‑пунктирной стрелкой 4 – это явление увлажнения пористого материала парами воды из воздуха называется гигроскопичностью.
Пористые материалы имеют ещё одну важную особенность, обусловленную тем, что плотность насыщенного пара над вогнутой поверхностью воды меньше, чем над ровной плоской поверхностью воды, то есть меньше значений, указанных на рис. 23. Это вызвано тем, что молекулы воды из паровой фазы чаще влетают в компактную (жидкую) воду при вогнутом мениске (поскольку в большей степени «окружены» поверхностью компактной воды), и воздух обедняется водяным паром. Всё это приводит к тому, что вода с плоской поверхности испаряется и конденсируется внутри пористого материала в капиллярах со смачивающимися стенками. Такое свойство пористого материала увлажняться за счёт влажного воздуха называется гигроскопичностью. Ясно, что рано или поздно вся вода с непористых поверхностей «переконденсируется» в капилляры пористого материала. Это значит, что если непористые материалы сухие, то это вовсе не означает, что и пористые материалы в этих условиях тоже сухие.
Таким образом, даже при низкой влажности воздуха (например, при относительной влажности 20 %) пористые материалы могут быть увлажнены (даже при температуре 100 °C). Так, древесина является пористой, поэтому при хранении на складе никак не может стать абсолютно сухой, сколько бы времени её не сушили, а может быть только «воздушно‑сухой». Для получения абсолютно сухой древесины её необходимо нагреть до как можно более высоких температур (120–150 °C и выше) при относительной влажности воздуха как можно более низкой (0,1 % и ниже).
Воздушно‑сухая влажность древесины определяется не абсолютной влажностью воздуха, а относительной влажностью воздуха при заданной температуре. Подобная зависимость характерна не только для древесины, но и для кирпича, штукатурки, волокон (асбест, шерсть и т. п.). Способность пористых материалов поглощать воду из воздуха называется способностью «дышать». Способность «дышать» эквивалентна гигроскопичности. Это явление будет рассмотрено более подробно в разделе 7.8.
Некоторые органические пористые материалы (волокона) способны удлиняться в зависимости от собственной влажности. Например, можно подвесить на обычной шерстяной нитке грузик и, увлажняя нить, убедиться, что нитка удлинилась, а потом по мере высушивания вновь будет укорачиваться. Это даёт возможность, измеряя длину нити, определить влажность нити. А так как влажность нити определяется относительной влажностью воздуха, то по длине нити можно определить и относительную влажность воздуха (правда, ориентировочно, с некоторой погрешностью, увеличивающейся с повышением влажности воздуха). На этом принципе работают бытовые гигрометры (приборы для определения относительной влажности воздуха), в том числе и банные (рис. 26).
Рис. 26. Принцип устройства гигрометра. 1 – гигроскопическая нить, растягивающаяся при увлажнении (из натурального или искусственного материала), неподвижно закреплённая с двух концов на корпусе прибора, 2 – проволочная тяга регулируемой длины для калибровки прибора, 3 – ось вращения показывающей стрелки прибора, 4 – рычаг стрелки, 5 – натяжная пружина, 6 – стрелка, 7 – шкала.
При высыхании укорачиваются и волокна древесины. Этим объясняются эффекты изменения формы веток растений и коробление пиломатериалов при сушке. На гигроскопичности древесины основаны многочисленные конструкции самодельных деревенских гигрометров (рис. 27 и 28).
Таким образом, вогнутые поверхности воды в смачивающихся капиллярах определяют специфические свойства пористых материалов (в частности, гигроскопичность и изменение механических свойств). Не меньшую роль играют и выпуклые поверхности воды (на несмачи‑вающихся плоских поверхностях подложек и в несмачивающихся капиллярах), над которыми давление насыщенных паров воды больше, чем над плоскими и вогнутыми поверхностями воды. Это означает, что несмачивающиеся материалы являются более «сухими», чем смачивающиеся: вода испаряется с несмачивающихся материалов и затем образовавшиеся пары конденсируются на смачивающихся. На этом основано действие водоотталкивающих пропиток древесины, не допускающих не только проникновения жидкой воды в поры, но и конденсацию паров воды внутри древесины. Выпуклостью капель воды в воздухе объясняется лёгкое испарение тумана, а также затруднительность (по сравнению с росой) его образования при переохлаждении влажных газов (в частности, в банях, в облаках, в тучах и т. п.).
Рис. 27. Простейший самодельный гигрометр из высушенной и ошкуренной деревянной ветки. 1 – основной побег, обрезанный с двух сторон и прикреплённый к стене (расположенной в плоскости листа), 2 – вторичный боковой побег толщиной 3–6 мм и длиной 40–60 см, 3 – шкала, нанесённая на стене и построенная по градуированному аттестованному гигрометру (или по метеосводкам данной местности). При низкой относительной влажности древесина побега высыхает, продольное древесное волокно 4 укорачивается и оттягивает боковой побег от основного.
Рис. 28. Простейший самодельный гигрометр, основанный на увеличении массы увлажняющейся древесины при высоких относительных влажностях воздуха. 1 – коромысло (весы), 2 – нить подвески, 3 – груз из негигроскопичного материала (например, металла), 4 – груз из гигроскопичной древесины (тонкий кругляк из поперёк распиленной рыхлой лёгкой древесины типа липы или сетка с опилками и стружками). При повышении относительной влажности воздуха древесина увлажняется и увеличивается в весе, что приводит к наклону коромысла в сторону гигроскопичного груза.
В заключение отметим особенности бытовых понятий и профессиональных терминов, связанных с влажными газами. Очень многие любители бань до сих пор уверены, что каменки русских бань «выдают» при «взрывных» поддачах отнюдь не какие‑то там пары воды, а газовзвесь (пыль) мелких частиц горячей воды, причём самые микроскопические частицы горячей воды и есть тот самый «лёгкий пар». Поэтому сторонникам этой красивой бытовой теории приходится мучительно метаться между явной целесообразностью «турецкой» поддачи на большие, но умеренно горячие поверхности пола (дающей по этой теории, вроде бы самый «лёгкий» пар) и «полезностью» русской поддачи на относительно малые поверхности раскалённых камней. В соответствии с этой теорией и клубы «белого» пара из чайника представляются первичным актом «испарения» воды в чайнике. Затем эти крупные частицы «белого» пара «испаряются» (якобы диссоциируют) вновь уже с образованием микроскопических невидимых глазом частиц воды. Ясно, что все эти соображения являются следствием незнания молекулярной теории веществ, а отсюда и неспособности представить себе конденсированную воду в виде совокупности взаимопритягивающихся молекул, из которой, преодолевая барьер, могут вылетать в воздух отдельные наиболее энергичные молекулы воды (способные разорвать «узы» взаимного притяжения), как раз и образующие пар в виде газа.
В этой книге мы не имеем возможности обсуждать многочисленные бытовые (зачастую очень хитроумные, но дремучие) представления, столь характерные именно для бань. Эта книга предусматривает знакомство с физикой хотя бы на уровне школьной программы. Мы чётко отличаем компактную, жидкую воду, налитую в сосуд, от диспергированной (раздробленной) жидкой воды в виде крупных капель и брызг и/или в виде мелких капель – аэрозолей (медленно опускающихся в воздухе) и/или в виде ультрамелких капель‑тумана и дымки (практически не опускающихся в воздухе). Водяной же пар (водяные пары) – это не вода и не жидкость (пусть даже мелко раздробленная), а газ, это отдельные молекулы воды в пространстве, причём эти молекулы воды настолько далеки друг от друга, что практически не притягиваются друг другу (но иногда взаимодействуют в результате соударений и из‑за этого способны постоянно объединяться – конденсироваться при низких скоростях столкновений молекул). Молекулы воды (в виде водяного пара в бане) всегда находятся в среде молекул воздуха, образуя особый газ – влажный воздух, то есть смесь воздуха с водяным паром (смесь молекул воды, азота, кислорода, аргона и других компонентов, составляющих воздух). И если этот влажный воздух является горячим, то его в банях называют «паром». Диссоциированными же парами воды называются диссоциированные молекулы воды Н 2 О –> ОН + Н, образующиеся при температуре выше 2000 °C. При ещё более высоких температурах свыше 5000 °C образуются различные ионизированные пары воды Н 2 О –> ОН ‑ + Н + = ОН ‑ +Н 3 О + =ОН + Н + + е. Ионизация может происходить и при низких температурах паров, но при электронных или ионных облучениях, например, в тлеющем или коронных электрических разрядах в воздухе.
Пары воды, как и любой газ (или любой пар, например, испаряющегося бензина), невидимы, а туман, являясь не газом, а мелкими капельками воды, рассеивает свет и видим в виде белого «дыма». Каждый день мы можем наблюдать, как из чайника или из‑под крышки кастрюли выходит пар воды, охлаждающийся в воздухе. При выходе из чайника он, сначала невидимый (в виде газа), постепенно охлаждаясь в носике чайника, начинает конденсироваться и превращаться в струи тумана («клубы пара»). Затем капельки тумана смешиваются с воздухом и, если он достаточно сухой (то есть способен принять влагу), вновь испаряются и «пропадают». В банном быту под паром обычно правильно понимают именно невидимые пары воды в воздухе, в том числе паром называют сам горячий влажный воздух в бане: «в бане горячий пар» или «в бане холодный пар». Туман в бане в виде «клубов пара» является нежелательным явлением. Туман образуется при залповом проникновении холодного воздуха через раскрывающиеся двери во влажную баню, а также при поддачах на недостаточно прогретые камни при низких температурах воздуха в бане (точно так же, как туман образуется при выходе пара из чайника). В любом случае образование тумана можно предотвратить повышением температуры пара, а также повышением температуры и снижением влажности воздуха, в который поступает пар (см. раздел 7.5). Если в бане виден туман, то говорят, что пар в бане «сырой» (см. раздел 7.6). Если при входе в баню лицо чувствует влагу (потеет) и очки запотевают, то говорят, что пар «влажный», а если лицо не ощущает влагу – пар «сухой». Конечно же сам водяной пар (как газ) сухим, сырым или влажным быть не может, правильней было бы говорить сухой, сырой или влажный воздух. В профессиональном жаргоне сантехников зачастую применяют технические термины «мокрый» или «влажный» пар, когда хотят пояснить, что в магистральном паропроводе (например, подающем пар непосредственно в парилку городской бани) имеется конденсированная вода (в том числе в виде тумана). Термины «сухой», «перегретый» или «острый» пар используются тогда, когда труба магистрального паропровода внутри сухая, а пар внутри трубы не содержит тумана. Таким образом, терминология бывает совершенно разной, так что порой требуются дополнительные разъяснения. Научная, профессиональная и бытовая терминологии, как правило, не совпадают.
Вес, или точнее масса, водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха . Другими словами, это плотность водяного пара в воздухе. При одной и той же температуре воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь состояния полного насыщения. в состоянии его насыщения носит название влагоемкости .
Величина влагоемкости воздуха резко возрастает с увеличением его температуры. Отношение величины абсолютной влажности воздуха при данной температуре к величине его влагоемкости при той же температуре называется относительной влажностью воздуха .
Для определения температуры и относительной влажности воздуха пользуются специальным прибором - психрометром. Психрометр состоит из двух термометров. Шарик одного из них увлажняется с помощью марлевого чехла, конец которого опущен в сосуд с водой. Другой термометр остается сухим и показывает температуру окружающего воздуха. Смоченный термометр показывает температуру более низкую, чем сухой, так как влаги из марли требует определенного расхода тепла. Температура смоченного термометра носит название предела охлаждения . Разность между показаниями сухого и смоченного термометров называется психрометрической разностью .
Между величиной психрометрической разности и относительной имеется определенная зависимость. Чем больше психрометрическая разность при данной температуре воздуха, тем меньше относительная влажность воздуха и тем больше влаги может поглотить воздух. При разности равной нулю воздух насыщен и дальнейшего испарения влаги в таком воздухе не происходит .
Абсолютная влажность
(f) - это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1м 3 воздуха:f = m (масса содержащегося в воздухе водяного пара)/ V (объём )
Обычно используемая единица абсолютной влажности: (f) = г/м 3
Относительная влажность
Относительная влажность: φ = (абсолютная влажность)/(максимальная влажность)Относительная влажность обычно выражается в процентах. Эти величины связаны между собой следующим отношением:
φ = (f×100)/fmax
Что такое точка росы
Психрометр Августа состоит из двух ртутных термометров, укрепленных на штативе или расположенных в общем футляре. Шарик одного термометра обернут тонкой батистовой тканью, опущенной в стаканчик с дистиллированной водой.
При пользовании психрометром Августа вычисление абсолютной влажности производят по формуле Ренье:
A = f-a(t-t 1)H,
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (см. таблицу 2); а - психрометрический коэффициент, t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление в момент определения.
Если воздух совершенно неподвижен, то а=0,00128. При наличии слабого движения воздуха (0,4 м/с) а = 0,00110. Максимальную и относительную влажность рассчитывают, как указано на стр. 34.
| Температура воздуха (°С) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | |
| -20 - 15 -10 -5 -3 -4 0 +1 +2,0 +4,0 +6,0 +8,0 +10,0 +11,0 +12,0 |
0,94 1.44 2.15 3.16 3,67 4,256 4,579 4,926 5,294 6,101 7,103 8.045 9,209 9,844 10,518 |
+13,0 +14,0 +15,0 +16,0 +17,0 +18,0 +19,0 +20,0 +21,0 +22,0 +24,0 +25,0 +27,0 +30,0 +32,0 |
11,231 11,987 12,788 13,634 14,530 15,477 16.477 17,735 18,650 19,827 22,377 23,756 26,739 31,842 35,663 |
+35,0 +37,0 +40,0 +45,0 +55,0 +70,0 +100,0 |
42,175 47,067 55,324 71,88 118,04 233,7 760,0 |
аспирационного психрометра (в процентах)
Таблица 4. Определение относительной влажности воздуха по показаниям сухого и влажного термометров в психрометре Августа при обычных условиях спокойного и равномерного движения воздуха в комнате со скоростью 0,2 м/с
Для определения относительной влажности существуют специальные таблицы (таблицы 3, 4). Более точные показания дает психрометр Ассмана (рис. 3). Он состоит из двух термометров, заключенных в металлические трубки, через которые равномерно просасывается воздух с помощью заводного вентилятора, находящегося в верхней части прибора. Ртутный резервуар одного из термометров обернут кусочком батиста, который перед каждым определением смачивается дистиллированной водой при помощи специальной пипетки. После того как омочили термометр, заводят ключом вентилятор и вешают прибор на штатив. Через 4-5 мин записывают показания сухого и влажного термометров. Так как с поверхности ртутного шарика, смоченного термометра, происходит испарение влаги и поглощение тепла, то он будет показывать более низкую температуру. Вычисление абсолютной влажности производят по формуле Шпрунга:
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра; 0,5 - постоянный психрометрический коэффициент (поправка на скорость движения воздуха); t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление; 755 - среднее барометрическое давление (определяют по таблице 2).
Максимальную влажность (F) определяют с помощью таблицы 2 по температуре сухого термометра.
Относительную влажность (R) рассчитывают по формуле:
где R - относительная влажность; А - абсолютная влажность; F - максимальная влажность при температуре сухого термометра.
Для определения колебаний относительной влажности во времени пользуются прибором гигрографом. Прибор устроен аналогично термографу, но воспринимающей частью гигрографа является обезжиренный пучок волос.
Рис. 3. Аспирационный психрометр Ассмана:
1 - металлические трубки;
2 - ртутные термометры;
3 - отверстия для выхода просасываемого воздуха;
4 - зажим для подвешивания психрометра;
5 - пипетка для смачивания влажного термометра.