§ 20. Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха

АБСОЛЮТНАЯ ВЛАЖНОСТЬ И ПЛОТНОСТЬ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

Большая часть поверхности нашей планеты покрыта Мировым океаном, морями, озёрами и реками. Под действием солнечного тепла вода непрерывно испаряется, поднимается в тропосферу, образует облака и вновь возвращается на сушу и в океаны в виде дождя и снега. В этом грандиозном вечном круговороте земная атмосфера всегда содержит некоторое количество невидимого глазу водяного пара.

Для количественной оценки содержания пара в воздухе физики ввели специальную величину:

• Абсолютная влажность воздуха (обозначается греческой буквой ρ — «ро») — это физическая величина, показывающая массу водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха при данных условиях.
• По своему физическому смыслу абсолютная влажность представляет собой обычную плотность водяного пара в воздухе.
• В Международной системе единиц (СИ) она измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³), однако на практике из-за небольшого содержания влаги её чаще выражают в граммах на кубический метр (г/м³).

Воздух не может удерживать бесконечно много пара: при каждой конкретной температуре существует строгий предел — максимальная плотность водяного пара ρ₀, при которой пар становится насыщенным (находится в динамическом равновесии со своей жидкостью).

При повышении температуры плотность насыщенного водяного пара ρ₀ быстро возрастает:

• При 0 °C один кубический метр воздуха может содержать не более 4,8 г водяного пара (ρ₀ = 4,8 · 10⁻³ кг/м³).
• При 10 °C плотность насыщения удваивается и достигает 9,4 г/м³.
• При комнатной температуре 20 °C в одном кубическом метре может поместиться уже до 17,3 г пара.
• При 30 °C предельное содержание пара подскакивает до 30,4 г/м³, а в горячем воздухе при 50 °C составляет внушительные 83,0 г/м³.

ПОЧЕМУ НУЖНА ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ: СУТЬ И ФОРМУЛА РАСЧЁТА

Одной только абсолютной влажности совершенно недостаточно, чтобы понять, насколько сырым или сухим ощущается воздух и как быстро в нём будут высыхать предметы.

Представим влажную русскую баню или прачечную, где воздух прогрет до 20 °C и содержит 17,3 г/м³ пара. Пар здесь насыщен (предел исчерпан): мокрое бельё сохнуть не будет вообще, потому что сколько молекул испаряется с ткани, ровно столько же за секунду возвращается обратно из воздуха. Если же тот же самый воздух с содержанием пара 17,3 г/м³ нагреть в парной до 50 °C (где предел насыщения равен 83,0 г/м³), пар окажется далёк от насыщения, и то же самое полотенце высохнет мгновенно!

Интенсивность испарения воды и физиологическое самочувствие человека зависят не от абсолютного количества влаги, а от того, насколько водяной пар в воздухе далёк от насыщения. Эту степень насыщения характеризует относительная влажность.

• Относительной влажностью воздуха (обозначается греческой буквой φ — «фи») называют отношение абсолютной влажности воздуха ρ к плотности насыщенного водяного пара ρ₀ при той же температуре, выраженное в процентах:

Через давление водяного пара (парциальное давление p) формула записывается абсолютно аналогично:

Где p₀ — давление насыщенного пара при данной температуре.

Практическое значение относительной влажности:

• Чем меньше относительная влажность, тем суше воздух, тем интенсивнее испаряется влага с поверхности почвы, кожи человека и листьев растений, и тем быстрее сохнут вещи.
• Для здоровья человека наиболее благоприятной и комфортной считается относительная влажность в пределах 40–60%. В сухом воздухе пересыхают слизистые оболочки дыхательных путей, а при чрезмерной влажности затрудняется естественное охлаждение тела через испарение пота.
• В музейном и архивном деле за влажностью следят особенно строго: при высокой влажности старинные деревянные скульптуры и рамы разбухают и деформируются, краска картин трескается, а бумагу книг разрушает плесень и бактерии. При чрезмерной сухости древесина усыхает и растрескивается.

ТОЧКА РОСЫ: ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОРОГ КОНДЕНСАЦИИ

Из формулы относительной влажности напрямую следует важная закономерность: увеличить относительную влажность можно двумя путями:

1. Добавить в воздух водяной пар (увеличить ρ при постоянной температуре).
2. Охладить воздух, оставив массу пара прежней (уменьшить знаменатель ρ₀).

Если постепенно охлаждать воздух с неизменной абсолютной влажностью, то значение плотности насыщенного пара ρ₀ будет непрерывно падать, а дробь ρ/ρ₀ — расти. При определённой температуре относительная влажность неизбежно достигнет 100%: имеющийся в воздухе пар превратится в насыщенный. При малейшем дальнейшем охлаждении избыток пара начнёт немедленно конденсироваться в микроскопические капельки жидкости.

• Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух данной влажности, чтобы содержащийся в нём водяной пар стал насыщенным.

Именно этот процесс мы наблюдаем ранним утром: за ночь воздух остывает до точки росы, и на траве, листьях и ветках щедро выпадает роса. Чем выше относительная влажность воздуха днём, тем ближе точка росы к фактической температуре, и тем быстрее начнётся конденсация при похолодании.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ: ГИГРОМЕТРЫ И ПСИХРОМЕТР

Для точного измерения влажности воздуха в метеорологии и лабораторной практике применяют специальные приборы:

• Волосной гигрометр: Его работа основана на удивительном свойстве обезжиренного человеческого волоса — он способен удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха и укорачиваться при её уменьшении. Волос натянут на металлическую рамку и связан через пружинку со стрелкой, которая перемещается по градуированной шкале и напрямую указывает относительную влажность в процентах.
• Конденсационный гигрометр: Представляет собой металлическую коробочку, закреплённую на штативе, передняя стенка которой отполирована до зеркального блеска. Вокруг неё расположено полированное металлическое кольцо, отделённое теплоизолирующей прокладкой (оно служит контрольным эталоном блеска). Внутрь коробочки наливают легколетучую жидкость (эфир), опускают точный термометр и с помощью резиновой груши продувают воздух. Эфир начинает бурно испаряться, коробочка сильно остывает. В тот момент, когда зеркальная поверхность полированной стенки запотевает (покрывается мельчайшими капельками росы), по термометру фиксируют температуру — это и есть точка росы. Зная точку росы, по справочной таблице мгновенно находят абсолютную влажность воздуха ρ.
• Психрометр Августа: Наиболее надёжный и распространённый прибор. Он состоит из двух одинаковых спиртовых или ртутных термометров, укреплённых на общем штативе:
  • Сухой термометр находится в обычном воздухе и показывает его истинную температуру.
  • Влажный термометр обёрнут кусочком тонкой ткани (батиста или марли), свободный конец которой опущен в резервуар с чистой дистиллированной водой. Вода поднимается по ткани и непрерывно испаряется, охлаждая резервуар термометра, поэтому влажный термометр всегда показывает температуру ниже сухого (или равную ей при 100% влажности).
  • Чем суше окружающий воздух, тем быстрее испаряется вода с ткани и тем больше разность температур между сухим и влажным термометрами.
  • Зная температуру сухого термометра и разность показаний обоих приборов, по специальной психрометрической таблице на пересечении строки и столбца за секунды находят точную относительную влажность воздуха.