ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА. ТОЧКА РОСЫ.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.

1.Атмосфера.

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, состоящая, в основном, из азота (более 75%), кислорода (чуть менее 15%) и других газов. Около 1% атмосферы приходится на водяной пар. Откуда же он берётся в атмосфере?

Большую долю площади земного шара занимают моря и океаны, с поверхности которых постоянно при любой температуре происходит испарение воды. Выделение воды происходит также при дыхании живых организмов.

От количества водяных паров, содержащихся в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, проведение технологических процессов на производстве, сохранность экспонатов в музее, сохранность зерна в хранилищах. Поэтому очень важен контроль за степенью влажности воздуха и умение, при необходимости, изменять её в помещении.

2.Абсолютная влажность.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха (плотность водяного пара).

или , где

m – масса водяного пара, V – объём воздуха, в котором содержится водяной пар. Р – парциальное давление водяного пара, μ – молярная масса водяного пара, Т – его температура.

Так как плотность пропорциональна давлению, то абсолютную влажность можно характеризовать и парциальным давлением водяного пара.

3.Относительная влажность.

На степень влажности или сухости воздуха влияет не только количество водяных паров, содержащихся в нём, но и температура воздуха. Даже если количество водяного пара одинаково, при более низкой температуре воздух будет казаться более влажным. Вот почему в холодном помещении возникает ощущение сырости.

Это объясняется тем, что при более высокой температуре в воздухе может содержаться большее максимальное количество водяного пара, а в воздухе содержится в том случае, когда пар является насыщенным . Поэтому, максимальное количество водяного пара , которое может содержаться в 1 м 3 воздуха при данной температуре, называется плотностью насыщенного пара при данной температуре.

Зависимость плотности и парциального давления насыщенного пара от температуры можно найти в физических таблицах.

Учитывая эту зависимость, пришли к выводу, что более объективной характеристикой влажности воздуха является относительная влажность .

Относительной влажностью называется отношение абсолютной влажности воздуха к тому количеству пара, которое необходимо для насыщения 1 м 3 воздуха при данной температуре.

ρ – плотность пара, ρ 0 – плотность насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.

Относительную влажность можно определить и через парциальное давление пара

Р – парциальное давление пара, Р 0 – парциальное давление насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.

4.Точка росы.

Если воздух, содержащий водяной пар, изобарно охлаждать, то при некоторой температуре водяной пар становится насыщенным, так как с понижением температуры максимально возможная плотность водяного пара в воздухе при данной температуре уменьшается, т.е. уменьшается плотность насыщенного пара. При дальнейшем понижении температуры излишки водяного пара начинают конденсироваться.

Температура , при которой данный водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы .

Это название связано с явлением, наблюдающимся в природе – выпадением росы . Объясняется выпадение росы следующим образом. В течение дня воздух, земля и вода в различных водоёмах прогреваются. Следовательно, идёт интенсивное испарение воды с поверхности водоёмов и почвы. Водяной пар, содержащийся в воздухе, при дневной температуре является ненасыщенным. Ночью, и особенно к утру, температура воздуха и поверхности земли понижается, водяной пар становится насыщенным, и излишки водяного пара конденсируются на различных поверхностях.

Δρ – тот излишек влаги, который выделяется, когда температура становится ниже точки росы.

Эту же природу имеет и туман. Туман – это мельчайшие капельки воды, образовавшиеся в результате конденсации пара, но не на поверхности земли, а в воздухе. Капельки настолько малы и легки, что могут удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии. На этих капельках происходит рассеяние лучей света, и воздух становится непрозрачным, т.е. видимость затрудняется.

При быстром охлаждении воздуха пар, становясь насыщенным, может, минуя жидкую фазу, сразу перейти в твёрдую. Этим объясняется появление на деревьях инея. Некоторые интересные оптические явления в небе (например, гало) обусловлены прохождением солнечных или лунных лучей через перистые облака, состоящие из мельчайших кристалликов льда.

5.Приборы для определения влажности.

Самыми простыми приборами для определения влажности являются гигрометры различных конструкций (конденсационный, плёночный, волосной) и психрометр.

Принцип действия конденсационного гигрометра основан на измерении точки росы и определении по ней абсолютной влажности в помещении. Зная температуру в помещении и соответствующую данной температуре плотность насыщенных паров, находим относительную влажность воздуха.

Действие плёночного и волосного гигрометров связано с изменением упругих свойств биологических материалов. С увеличением влажность упругость их понижается, и плёнка или волос растягиваются на бо " льшую длину.

Психрометр состоит из двух термометров, в одном из которых резервуар со спиртом обмотан влажной тканью. Так как с ткани постоянно происходит испарение влаги и, следовательно, отвод теплоты, то температура, показываемая этим термометром, будет всё время меньше. Чем менее влажный воздух в помещении, тем испарение идёт более интенсивно, термометр с влажным резервуаром охлаждается сильнее и показывает меньшую температуру. По разнице температур сухого и влажного термометров, используя соответствующую психрометрическую таблицу, определяют относительную влажность воздуха в данном помещении.

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:

где P s - давление насыщенного пара для соответствующей температуры, которое может быть вычислено по формуле Ардена Бака :

Приближённое вычисление

Относительную влажность приближённо можно вычислить по следующей формуле:

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

Абсолютная и относительная влажность

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.

Общие сведения

Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости . Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажности.

Единицы измерения и особенности определения понятия влажность

• Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность ) или её объёма (объёмная влажность ).

• Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью - количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.

Эту величину не всегда можно точно измерить, т.к. в ряде случаев невозможно удалить всю неконституционную воду и взвесить предмет до и после этой операции.

• Относительная влажность характеризует содержание влаги относительно максимального количества влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия . Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

Методы определения

Титратор Карла Фишера.

Установление степени влажности многих продуктов, материалов и т. п. имеет важное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и др.) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность животных и растительных организмов возможна только при определённых границах влажности и относительной влажности воздуха. Влажность может вносить существенную погрешность в вес предмета. Килограммы сахара или зерна с влажностью 5% и 10% будет содержать разное количество сухого сахара или зерна.

Измерение влажности определяется высушиванием влаги и титрованием влаги по Карлу Фишеру. Эти способы являются первичными. Помимо них разработано множество других, которые калибруются по результатам измерений влажности первичными способами и по стандартным образцам влажности.

Влажность воздуха

Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в различных частях атмосферы Земли.

Влажность воздуха - содержание водяного пара в воздухе ; одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата .

Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2% по объёму в высоких широтах до 2,5% в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мб (иногда лишь сотые доли мб) и летом ниже 5 мб; в тропиках же она возрастает до 30 мб, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5-10 мб.

Абсолютная влажность воздуха (f) - это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1м³ воздуха:

f = (масса содержащегося в воздухе водяного пара)/(объем влажного воздуха)

Обычно используемая единица абсолютной влажности: (f) = г/м³

Относительная влажность воздуха (φ) - это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре(см. таблицу)

φ = (абсолютная влажность)/(максимальная влажность)

Относительная влажность обычно выражается в процентах. Эти величины связаны между собой следующим отношением:

φ = (f×100)/fmax

Относительная влажность очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85% и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы. Низкие значения относительной влажности наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50% и ниже).

С высотой влажность быстро убывает. На высоте 1,5-2 км упругость пара в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу приходится 99% водяного пара атмосферы. В среднем над каждым квадратным метром земной поверхности в воздухе содержится около 28,5 кг водяного пара.

Литература

Усольцев В. А. Измерение влажности воздуха, Л., 1959.

Величины измерения влажности газа

Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:

Абсолютная влажность воздуха масса водяного пара, содержащаяся в единице объема воздуха, т.е. плотность содержащегося в воздухе водяного пара, [г/м³ ]; в атмосфере колеблется от 0,1-1,0 г/м³ (зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне); максимальная влажность воздуха (граница насыщения) количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при определенной температуре в термодинамическом равновесии (максимальное значение влажности воздуха при заданной температуре), [г/м³ ]. При повышении температуры воздуха его максимальная влажность увеличивается; давление пара давление, которое оказывает водяной пар, содержащийся в воздухе (давление водяного пара как часть атмосферного давления), [Па]; дефицит влажности разница между давлением насыщенного пара и давлением пара [Па], то есть между максимальной и абсолютной влажностью воздуха [г/м³ ]; относительная влажность воздуха отношение давления пара к давлению насыщенного пара, то есть абсолютной влажности воздуха к максимальной [% относительной влажности]; точка росы температура газа, при которой газ насыщается водяным паром °C . Относительная влажность газа при этом составляет 100 %. С дальнейшим притоком водяного пара или при охлаждении воздуха (газа) появляется конденсат . Таким образом, хотя роса и не выпадает при температуре −10 или −50°C, выпадает

Что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?

Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.

Водяной пар в атмосфере.

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью .

Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3).

Парциальное давление водяного пара

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара .

Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.

Относительная влажность.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность .

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р н. п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.

При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.

Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы .

По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометр.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них - психрометре .

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.

При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.

Значение влажности.

От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40-60%).

Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?

Очень важно знать влажность в метеорологии - в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.

В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.

Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.

Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.