Влажность

Влажность

Физика изучает окружающий мир. Тепловые явления легко наблюдать в природе: идёт дождь или снег, утром появляется туман. Эти процессы входят в курс физики восьмого класса.

Одно из ключевых понятий в тепловых явлениях — энергия: при фазовых переходах меняется энергетическое состояние вещества. Продолжим разговор о тепловых явлениях и их проявлениях. Тема урока – влажность.

Влажность — содержание водяного пара в атмосфере. Она характеризует, насколько воздух сухой или влажный. Физические величины позволяют описывать влажность количественно.

Различают абсолютную и относительную влажность. Относительная влажность обозначается буквой \varphi\text{.}

Абсолютная влажность воздуха

Абсолютная влажность воздуха показывает, какая масса водяного пара содержится в одном кубическом метре воздуха. Иными словами, это плотность водяного пара

\rho_{\text{в.п.}} = \frac{m}{V}

В повседневной жизни чаще используется относительная влажность.

Пример

В школьном курсе физики встречается много относительных величин: относительное удлинение, относительный показатель преломления, относительная влажность воздуха. Такая величина представляет собой отношение одноимённых величин. Например, относительный показатель преломления показывает, во сколько раз уменьшается скорость света при переходе в среду.

Относительное удлинение показывает, насколько изменилась длина по сравнению с первоначальной. То есть слово «относительное» не только применительно к влажности, а вообще говорит об отношении одноимённых величин. В тепловых явлениях также используются удельные величины: удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и удельная теплота парообразования. В их определениях количество теплоты при заданных условиях относится к одному килограмму массы. Относительные и удельные величины следует различать: первые выражаются отношением одноимённых величин, а рассмотренные удельные величины связаны с отношением к массе.

Относительная влажность воздуха

Относительную влажность воздуха обозначают буквой \varphi и определяют по двум формулам.

Относительная влажность воздуха — отношение плотности водяного пара к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах

\varphi = \frac{\rho_{\text{п}}}{\rho_{\text{нас.п.}}} \cdot 100\%

Относительную влажность также можно найти как отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах

\varphi = \frac{p}{p_{\text{нас.п.}}} \cdot 100\%

Водяной пар

Водяной пар может быть ненасыщенным и насыщенным. В атмосфере часто находится ненасыщенный водяной пар. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Динамическое равновесие можно представить как замкнутый объём, часть которого занимает испаряющаяся жидкость. Над её поверхностью накапливаются молекулы пара. Одновременно часть молекул возвращается в жидкость. При установлении равновесия эти процессы компенсируют друг друга.

Насыщенный пар

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Такое равновесие часто возникает в замкнутом объёме.

Пример

Чили вытянута вдоль побережья и имеет очень длинную береговую линию, рядом с которой находится пустыня. Близость воды и её испарение сами по себе не обеспечивают высокую влажность на суше. Рядом находятся горы. Воздушные массы, спускаясь с них, уходят на водную поверхность, а у подножия образуется пустыня с низкой влажностью. Круговорот воды существует, но направлен в другую сторону.

Плотность и давление насыщенного пара при разных температурах определяются по таблицам. Для расчёта влажности также используется понятие парциального давления.

Парциальное давление

Парциальное давление — давление, которое оказывал бы газ или пар в отсутствие всех остальных газов. Если бы в комнате был только кислород, его давление было бы парциальным давлением кислорода. Аналогично определяется парциальное давление водяного пара.

По закону Дальтона давление смеси газов равно сумме парциальных давлений её компонентов.

На шкале относительной влажности от 0\% до 100\% можно выделить характерные интервалы.

От 0\% до 40\% — сухой воздух. При низкой влажности быстро пересыхают слизистые оболочки и возникает дискомфорт. Зимой влажность в помещениях заметно падает при включении отопительных приборов.

Для повышения влажности используют увлажнители воздуха или открытые ёмкости с водой. Испарение воды увлажняет воздух в комнате. Комфортный интервал относительной влажности — от 40\% до 60\%\text{.}

Интервал от 60\% до 100\% соответствует высокой влажности: воздух становится сырым

Пример

Влажность нужно знать не только для комфортной жизни: она играет большую роль на производствах. В первую очередь это кондитерское производство. Если мука или сахар-песок находятся во влажных условиях, мука комкуется, а сахар впитывает воду.

Качество сахарного песка можно оценить по сыпучести: сухой сахар легко пересыпается, а отсыревший впитывает воду, слипается и падает комками. Поэтому контроль влажности важен для кондитерского производства.

Пример

Определённую влажность поддерживают и на ткацком производстве. Это необходимо для работы с нитями. В сухом воздухе нити, используемые для создания ткани, быстро электризуются и притягиваются друг к другу. Разноимённые электрические заряды притягиваются. Нити слипаются и могут рваться, что снижает качество полотна. Поэтому на ткацком производстве поддерживают определённую влажность.

Пример

Влажность важна в библиотеках и архивах, где хранится бумага. При повышенной влажности плесень может повредить или уничтожить документы. Хотя многое переносится на электронные носители, бумажные исторические документы сохраняют свою ценность. В музеях хранятся первые печатные книги и подлинные рукописи, например работы Александра Сергеевича Пушкина. Сохранение таких документов — ещё один пример практического значения влажности воздуха.

Задача

Условие

Где легче переносится очень сильная жара, например + 42 или + 45{^\circ}C в тени: в Санкт-Петербурге или в Ашхабаде, столице Туркменистана?

Решение

Жара + 45{^\circ}C легче переносится в Ашхабаде. В Санкт-Петербурге, расположенном у Невы, Финского залива и Балтийского моря, влажность выше. При высокой влажности жара переносится хуже из-за особенностей испарения пота.

При высокой температуре организм выделяет пот. Капли на поверхности кожи испаряются, и тело охлаждается. Так организм защищается от перегрева.

Во влажном климате Санкт-Петербурга пот испаряется медленнее, поэтому тело хуже охлаждается и возникает дискомфорт. В сухом климате Ашхабада испарение идёт быстрее и эффективнее охлаждает организм.

Ответ в сухом климате Ашхабада жара переносится легче, поскольку пот испаряется быстрее и охлаждает тело.

Задача

Условие

В южных азиатских республиках местные жители иногда носят меховые папахи и тёплые стёганые халаты с длинными рукавами даже при + 45{^\circ}C\text{.} Зачем нужна такая одежда в жару?

Решение

Здесь идёт обратный процесс: тёплый стёганый халат нужен, чтобы горячий воздух не попадал к человеку, чтобы уменьшить передачу тепла от тёплой окружающей среды к телу.

Ответ тёплый халат уменьшает передачу тепла от горячей окружающей среды к телу.

Как измеряется влажность воздуха?

Относительную влажность выражают в процентах и измеряют специальными приборами.

Точка росы

Познакомимся с одним вспомогательным термином. Точка росы — температура, при которой водяной пар становится насыщенным. С появлением росы при утреннем охлаждении воздуха связано понятие точки росы. При утреннем понижении температуры меняются физические параметры воздуха. При достижении точки росы водяной пар становится насыщенным, и образуется роса.

Для расчётов используются табличные значения, а для измерения влажности — специальные приборы.

Одна из групп приборов для измерения влажности — гигрометры. К ней относятся конденсационный и волосяной гигрометры.

Конденсационный гигрометр позволяет определить температуру, при которой пар становится насыщенным. При достижении условий насыщения центральная часть гигрометра покрывается мелкими каплями конденсата — росой. Определённая таким образом температура позволяет судить о содержании водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность — плотность водяного пара, а не плотность всего воздуха.

В волосяном гигрометре используется волос, например конский. Его длина меняется при изменении влажности воздуха. Прибор измеряет относительную влажность \varphi\text{.}

Конденсационный гигрометр позволяет определить абсолютную влажность через точку росы, а волосяной — относительную влажность. Изменение длины волоса передаётся стрелке. При обрыве волоса прибор выходит из строя.

Психрометр — прибор для измерения влажности, состоящий из двух термометров: сухого и влажного.

Пример

В опыте один термометр можно обернуть влажным ватным диском. Сухой термометр покажет температуру в комнате, а влажный — более низкую, поскольку испарение приводит к охлаждению. При испарении жидкость покидают молекулы со скоростью выше средней. Средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, поэтому температура жидкости понижается.

К двум термометрам обязательно прилагается таблица — она называется психрометрической. Задания на работу с психрометром часто включают в контрольные и экзамены.

Влажность по психрометру определяют в следующем порядке. Сначала определяются показания сухого и влажного термометров. Затем из температуры сухого термометра вычитается температура влажного

\Delta t = t_{\text{сух}} - t_{\text{вл}}

Далее относительная влажность определяется по психрометрической таблице.

Пример

В психрометрической таблице находят строку температуры сухого термометра и столбец разности показаний. Например, при температуре сухого термометра 20{^\circ}C выбирают столбец, соответствующий разности 2\text{,} 3\text{,} 4{^\circ}C и так далее. На пересечении получают относительную влажность.