Влажность воздуха

Влажностью воздуха называют содержание в нем водяного пара. Эта величина характеризует насыщенность воздуха молекулами Н₂О.

Растения, животные и люди весьма чувствительны к этому показателю. Слишком сухой или излишне влажный воздух негативно сказывается на самочувствии человека. Оптимальные для здоровья значения влажности находятся в диапазоне от 30 до 60%.

Влажность атмосферного воздуха формируется за счет испарения и конденсации.

Испарение

Испарение — это процесс перехода жидкого вещества в газообразное состояние (в случае твердых веществ этот процесс носит название сублимации). Жидкости испаряются при любых температурах, но с разной интенсивностью. Например, вода быстрее всего испаряется при достижении температуры кипения.

На скорость испарения влияют следующие факторы:

• вид вещества. Например, спирт и нефть испаряются быстрее, чем вода, а масло и ртуть — медленнее воды;
• температура. Чем она выше, тем больше молекул ежесекундно вылетает из жидкости;
• площадь поверхности. Например, вся вода, налитая в широкое блюдце, испарится значительно быстрее, чем такое же количество воды, залитое в кувшин с узким горлышком.

Ветер тоже влияет на испарение. Чем он сильнее, тем интенсивнее идет процесс превращения жидкости в пар.

Насыщенный пар

Одновременно с испарением жидкости происходит и обратный процесс, при котором «убежавшие» молекулы возвращаются. Это возвращение «беглянок» (конденсация) обусловлено хаотическими столкновениями молекул друг с другом над поверхностью жидкости.

Когда количество вылетевших с поверхности жидкости молекул сравнивается с числом вернувшихся, достигается динамическое равновесие, при котором масса пара в воздухе перестает изменяться. Такой пар называется насыщенным.

Ненасыщенный пар характеризуется отсутствием динамического равновесия. Активное испарение продолжается, и концентрация вылетевших из жидкости молекул растет.

Вода на нашей планете ежесекундно испаряется и конденсируется. Лужи, ручьи, пруды, озера, реки, моря, океаны, даже льды и вечные горные снега выделяют водяной пар в атмосферу. Конденсация приводит к выпадению росы и образованию дождя. Эта постоянная циркуляция влаги формирует уровень влажности воздуха вокруг нас.

Абсолютная влажность

Эту физическую величину принято обозначать греческой буквой ρ («ро»). Абсолютная влажность — это масса водяного пара, содержащаяся в одном кубическом метре воздуха. Обычно измеряется в килограммах на метр кубический (кг/м³), но нередко используется и грамм на метр кубический (г/м³).

Очевидно, что абсолютная влажность совпадает с плотностью водяного пара, находящегося в заданном объеме воздуха. Обе эти величины рассчитываются по формуле:

M_пара — масса пара.

V — объем воздуха, в котором находится пар.

Относительная влажность воздуха

Относительную влажность воздуха обычно обозначают буквой φ («фи»). Эту величину определяют как выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при заданной температуре. Формула для расчета относительной влажности выглядит следующим образом:

ρ — абсолютная влажность.

ρ_н — плотность насыщенного пара.

Есть и другое определение, согласно которому φ — это выраженное в процентах отношение давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре. Использование обеих формул дает одинаковые результаты.

Значение относительной влажности воздуха не может быть больше 100%, так как плотность пара не может превышать плотность насыщенного пара. Если плотность ненасыщенного пара достигает значения, характерного для насыщенного, то благодаря конденсации устанавливается динамическое равновесие, и дальнейший рост плотности становится невозможным.

Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры

Каждой температуре соответствует свое давление и плотность насыщенного пара.

Таблица наглядно демонстрирует взаимосвязь между изменениями температуры, давления и плотности.

Оценка относительной влажности воздуха

Рассмотрим следующий пример. Известно, что при температуре 0°С плотность насыщенного водяного пара составляет 4,84 кг/м³. Чему равна относительная влажность, если измерения показали, что имеющая плотность пара равна 2 кг/м³?

Использование известной формулы дает следующий результат:

φ = 2 / 4,84 • 100% = 41,32%.

Приближенное вычисление

Для определения относительной влажности можно пользоваться таблицей.

Пример. Найти относительную влажность, если температура смеси воздуха и пара 20°С, а точка росы (то есть температура, при которой этот пар становится насыщенным) равна 12°С.

Решение

По таблице находим, что при 20°С давление насыщенного пара должно быть 2,34 кПа, а при температуре 12°С оно должно быть 1,4 кПа. Следовательно, давление водяного пара в условии задачи составляет 1,4 кПа, и для определения влажности воздуха φ мы можем воспользоваться формулой:

φ = (давление пара) / (давление насыщенного пара) • 100%

φ = 1,4 / 2,34 • 100% ≈ 60%.

Ответ: φ ≈ 60%.

Приборы для измерения влажности

Для измерения относительной влажности создан целый ряд гигрометров: механические, волосяные, пленочные, электронные, конденсационные, психрометрические, портативные датчики влажности. Рассмотрим особенности основных моделей.

Психрометрический гигрометр

Метод основан на сравнении температуры сухого и влажного термометров. При этом относительная влажность воздуха определяется по таблице для разности измеренных температур. Этот способ очень прост и достаточно точен, поэтому он широко применяется в метеорологии.

Например, если сухой термометр показывает 20°С, а влажный 18°С, то разность показаний будет 20-18 = 2. По таблице находим, что этому значению соответствует φ = 83%.

Волосяной гигрометр

Другое название — гигрометр натяжения. В качестве чувствительного элемента используется обезжиренный человеческий волос, натянутый между двумя держателями.

Изменения влажности окружающего воздуха вызывают удлинение или сокращение волоса, что приводит к смещению стрелок индикатора. Погрешность показаний довольно велика, но благодаря простоте конструкции такие гигрометры до сих пор распространены.

Конденсационный гигрометр

Работа прибора основывается на охлаждении датчика до точки росы (когда начинается конденсация капель). Полученная температура точки росы измеряется, и гигрометр автоматически вычисляет соответствующую относительную влажность.

Конденсационные модели отличаются высокой точностью, но имеют сложную конструкцию и требуют тщательного обслуживания.

Пересыщенный водяной пар

Относительная влажность не может быть более 100%. Но при определенных условиях можно добиться некоторого превышения. Такой пар называется пересыщенным. Он возникает, когда охлаждение воздуха происходит быстрее, чем успевают конденсироваться капли воды.

Другой способ получения пересыщенного пара заключается в увеличении давления пара в некотором объеме воздуха, полностью освобожденном от пылинок и ионов, которые могут служить центрами конденсации.

Пересыщенный пар нестабилен, и малейшее возмущение вызывает обильную конденсацию. На этом основана работа камеры Вильсона, используемой для обнаружения заряженных частиц. Быстродвижущаяся частица пролетает через пересыщенный пар и оставляет за собой четко видимый след из сконденсировавшихся капель.

Зачем измерять влажность воздуха

Все живые организмы и многие вещи очень чувствительны к содержанию влаги в окружающем воздухе. Например, строгое поддержание постоянного уровня относительной влажности необходимо для сохранения книг, картин, исторических артефактов. Оптимальное значение φ для библиотек: 45–55%.

Производственные технологии в таких отраслях, как электроника, фармацевтика, пищевая промышленность тоже должны протекать при определенных значениях относительной влажности.

Использование в цветоводстве

Относительная влажность сильно влияет на растения. Для оптимального развития каждому виду требуются свои значения φ. Например, орхидея фаленопсис нуждается в 60–80%, тогда как кактус маммиллярия требует 30–40%. Чтобы получить хороший урожай помидоров в теплице, нужно поддерживать φ на уровне 60–70%.

В оранжереях и теплицах производится постоянный контроль содержания влаги в воздухе. При необходимости влажность повышают или понижают.

Нормальная влажность воздуха для человека

Оптимальным считается диапазон 40–60%. Такая относительная влажность воздуха поддерживает хорошее самочувствие, предотвращает раздражение слизистых оболочек и кожи, облегчает дыхание, снижает риск простудных заболеваний, создает комфортные условия для работы, отдыха, сна.

Заключение

Влажность воздуха оказывает сильное воздействие на все процессы, протекающие на Земле. Она влияет на здоровье, производительность труда, сохранность материальных ценностей, урожайность растений. Контроль увлажненности воздуха — важная задача, от решения которой зависит качество жизни человека и сохранение окружающей среды.