Расчет абсолютной влажности. Влажность воздуха в окружающей среде

Влажность воздуха – это содержание парообразной воды в атмосфере. Эта характеристика во многом определяет самочувствие многих живых существ, а также влияет на погоду и климатические условия на нашей планете. Для нормальной работы человеческого организма она должна находиться в определённом диапазоне, вне независимости от температуры воздуха. Известны две основных характеристики влажности воздуха – абсолютная и относительная:

Абсолютная влажность – это масса водяного пара, содержащаяся в одном кубическом метре воздуха. Единица измерения абсолютной влажности - г/м3. Относительная влажность определяется как отношение текущего и максимального значения абсолютной влажности при определенной температуре воздуха.
Относительную влажность принято измерять в %. По мере увеличения температуры абсолютная влажность воздуха также растет от 0,3 при -30°С до 600 при +100°С. Величина относительной влажности зависит в основном от климатических зон Земли (средние, экваториальные или полярные широты) и сезона года (осень, зима, весна, лето).

Существуют вспомогательные термины для определения влажности. Например, влагосодержание (г/кг), т.е. вес водяных паров на один килограмм воздуха. Или температура «точки росы», когда воздух считается полностью насыщенным, т.е. его относительная влажность равна 100%. В природе и холодильной технике это явление можно наблюдать на поверхностях тел, температура которых меньше температуры точки росы в виде капель воды (конденсата), изморози или инея.

Энтальпия

Также существует такое понятие, как энтальпия. Энтальпия - это свойство тела (вещества), определяющее количество энергии, сохраненной в его молекулярной структуре, которая доступна для преобразования в теплоту при определённой температуре и давлении. Но не всю энергию можно преобразовать в теплоту, т.к. часть внутренней энергии тела остается в веществе для поддержания его молекулярной структуры.

Расчет влажности

Для расчета значений влажности применяют несложные формулы. Так, абсолютную влажность принято обозначать p и определять как

p = m вод. пара / V воздуха

где m вод. пара – масса водяного пара (г)
V воздуха - объем воздуха (м 3), в котором он содержится.

Общепринятое обозначение относительной влажности - φ. Относительную влажность рассчитывают по формуле:

φ = (p/p н) * 100%

где p и p н – текущее и максимальное значение абсолютной влажности. Наиболее часто применяется величина относительной влажности, так как на состояние человеческого организма в большей степени влияет не вес влаги в объеме воздуха (абсолютная влажность), а именно относительное содержание воды.

Влажность весьма важна для нормальной жизнедеятельности практически всех живых существ и, в особенности - человека. Ее величина (по опытным данным) должна находиться в пределах от 30 до 65%, вне зависимости от температуры. Например, низкая влажность зимой (по причине малого количества воды в воздухе) приводит к пересыханию у человека всех слизистых оболочек, тем самым увеличивается риск простудных заболеваний. Высокая влажность наоборот, ухудшает процессы терморегуляции и потоотделения через кожные покровы. При этом появляется ощущение духоты. Кроме того, поддержание влажности воздуха является важнейшим фактором:

для проведения многих технологических процессов на производстве;
эксплуатации механизмов и устройств;
сохранности от разрушения строительных конструкций зданий, элементов интерьера из древесины (мебели, паркета и т.п.), археологических и музейных артефактов.

Расчет энтальпии

Энтальпия это потенциальная энергия, которая содержится в одном килограмме влажного воздуха. Причем при равновесном состоянии газа она не поглощается и не излучается во внешнюю среду. Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпий составляющих его частей: абсолютно сухого воздуха, а также паров воды. Ее величину рассчитывают по следующей формуле:

I = t + 0,001(2500 +1,93t)d

Где t – температура воздуха (°С), а d – его влагосодержание (г/кг). Энтальпия (кДж/кг) является удельной величиной.

Температура по мокрому термометру

Температура по мокрому термометру – это такое ее значение, при котором идет процесс адиабатного (энтальпия постоянна) насыщения воздуха парами воды. Для определения ее конкретного значения используют I – d диаграмму. Вначале на нее наносят точку, соответствующую заданному состоянию воздуха. Затем через эту точку проводят луч адиабаты, пересекая его с линией насыщения (φ = 100%). А уже из точки их пересечения опускают проекцию в виде отрезка с постоянной температурой (изотерма) и получают температуру мокрого термометра.

I-d диаграмма является основным инструментом для расчетов/построений разных процессов, связанных с изменением состояния воздуха – нагрева, охлаждения, осушения и увлажнения. Ее появление значительно облегчило понимание процессов, происходящих в системах и агрегатах для сжатия воздуха, вентиляции и кондиционирования. Эта диаграмма графически показывает полную взаимозависимость основных параметров (температуры, относительной влажности, влагосодержания, энтальпии и парциального давления паров воды), определяющих тепло-влажностный баланс. Все значения указаны при определенном значении атмосферного давления. Обычно это 98 кПа.

Диаграмма выполнена в системе косоугольных координат, т.е. угол между ее осями составляет 135°. Это способствует увеличению зоны ненасыщенного влажного воздуха (φ = 5 – 99%) и сильно облегчает графическое нанесение происходящих с воздухом процессов. На диаграмме представлены следующие линии:

криволинейные - влажности (от 5 до 100%).
прямые - постоянной энтальпии, температуры, парциального давления и влагосодержания.

Ниже кривой φ = 100% воздух полностью насыщен влагой, находящейся в нем в виде жидкости (вода) или твердом (иней, снег, лед) состоянии. Определить состояние воздуха во всех точках диаграммы можно, зная любые два его параметра (из четырех возможных). Графическое построение процесса изменения состояния воздуха значительно облегчается с помощью дополнительно нанесенной круговой диаграммы. На ней под разными углами показаны значения тепло-влажностного отношения ε. Эта величина определяется наклоном луча процесса и рассчитывается как:

где Q – теплота (кДж/кг) и W - влага (кг/ч), поглощаемые или выделяемые из воздуха. Значение ε делит всю диаграмму на четыре сектора:

ε = +∞ … 0 (нагрев + увлажнение).
ε = 0 … -∞ (охлаждение + увлажнение).
ε = -∞ … 0 (охлаждение + осушение).
ε = 0 … +∞ (нагрев + осушение).

Измерение влажности

Измерительные приборы для определения значений относительной влажности называются гигрометрами. Для замера величины влажности воздуха используют несколько основных методов. Рассмотрим три из них.

Для сравнительно неточных замеров в быту применяют волосяные гигрометры. В них чувствительным элементом является конский или человеческий волос, который в натянутом состоянии установлен в стальную рамку. Оказалось, что этот волос в обезжиренном виде способен чутко реагировать на малейшие изменения относительной влажности воздуха, изменяя свою длину. По мере увеличения влажности волос удлиняется, при уменьшении – наоборот, укорачивается. Стальная рамка, на которой закреплен волос, связана со стрелкой прибора. Стрелка воспринимает от рамки изменение размера волоска и вращается вокруг своей оси. При этом она указывает на градуированной шкале (в %) относительную влажность.
При более точных теплотехнических измерениях во время научных исследований применяют гигрометры конденсационного типа и психрометры. Они осуществляют косвенный замер относительной влажности. Гигрометр конденсационного типа изготовлен в виде закрытой цилиндрической емкости. Одна из ее плоских крышек отполирована до состояния зеркала. Внутрь емкости устанавливают термометр и наливают какую-нибудь легкокипящую жидкость, например эфир. Затем ручным резиновым диафрагменным насосом в емкость закачивается воздух, который начинает там интенсивно циркулировать. Из-за этого эфир вскипает, понижает температуру (охлаждает) поверхность емкости и ее зеркало соответственно. На зеркале появятся капли воды, сконденсированной из воздуха. В этот момент времени необходимо зафиксировать показания термометра, который покажет температуру «точки росы». Потом с помощью специальной таблицы определяют соответственную плотность насыщенного пара. А по ним уже и величину относительной влажности.
Психрометрический гигрометр это пара термометров, установленных на основание с общей шкалой. Один из них называют сухим, он измеряет действительную температуру воздуха. Второй называют – мокрым. Температура мокрого термометра – это температура, которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и сохранении постоянной энтальпии воздуха, равной начальной, т. е. это предельная температура адиабатического охлаждения. У мокрого термометра шарик оборачивают тканью из батиста, которую погружают в емкость с водой. На ткани происходит испарение воды, что ведет к понижению температуры воздуха. Этот процесс охлаждения идет до момента, когда воздух вокруг шарика не станет полностью насыщенным (т.е. с относительной влажностью 100%). Этот термометр покажет «точку росы». На шкале прибора имеется и т.н. психрометрическая таблица. С ее помощью по данным сухого термометра и разности температур (сухой минус мокрый) определяют текущее значение относительной влажности.

Регулирование влажности

Для повышения влажности (увлажнения воздуха) применяют увлажнители. Увлажнители отличаются большим разнообразием, которое определяется способом увлажнения и дизайном. По способу увлажнения увлажнители делятся на: адиабатические (форсуночные) и паровые. В паровых увлажнителях водяной пар образуется при нагреве воды на электродах. Как правило, в быту наиболее часто используются паровые увлажнители. В системах вентиляции и центрального кондиционирования применяются увлажнители как парового, так и форсуночного типа. В промышленных вентиляционных системах увлажнители могут размещаться как непосредственно в самих вентиляционных установках, так и в виде отдельной секции в вентиляционном канале.

Наиболее эффективный метод удаления влаги из воздуха реализуется при помощи на базе компрессорных холодильных машин. Они осушают воздух путем конденсации водяных паров на охлажденной поверхности теплообменника испарителя. Причем его температура должна быть ниже «точки росы». Собранная таким способом влага самотеком или с помощью насоса удаляется наружу по дренажной трубе. Существуют различных типов и назначений. По типам осушители делятся на моноблочные и с выносным конденсатором. По назначению осушители делятся на:

бытовые мобильные;
профессиональные;
стационарные для бассейнов.

Основная задача систем осушения – обеспечивать благоприятное самочувствие находящихся внутри людей и безопасную эксплуатацию конструктивных элементов зданий. Особенно важно поддерживать уровень влажности в помещениях с повышенным выделением влаги, таких как бассейны, аквапарки, банные и SPA-комплексы. Воздух в бассейне имеет повышенную влажность из-за интенсивных процессов испарения воды с поверхности чаши. Поэтому избыток влаги - определяющий фактор при . Избыток влаги, а также наличие в воздухе агрессивных сред, как например, соединения хлора оказывают разрушительное воздействия на элементы строительных конструкций и отделку в помещении. Влага конденсируется на них, вызывая появление плесневых грибков или коррозионное разрушение металлических элементов.

По этим причинам рекомендуемая величина относительной влажности воздуха внутри бассейна должна поддерживаться в диапазоне 50 – 60%. Строительные консьтрукции, в частности стены и остекленные поверхности помещения бассейна следует дополнительно защитить от выпадения влаги на них. Это можно реализовать путем подачи на них потока приточного воздуха, причем обязательно в направлении снизу-вверх. Снаружи здание должно иметь слой высокоэффективной тепловой изоляции. Для достижения дополнительных преимуществ настоятельно рекомендуем применять разнообразные осушители воздуха, но только лишь в комбинации с оптимально рассчитанными и подобранными

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

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.

Влажность воздуха - содержание в воздухе, характеризуемое рядом величин. Вода, испарившаяся с поверхности при их нагревании, попадает в и сосредотачивается в нижних слоях тропосферы. Температура, при которой воздух достигает насыщения влагой при данном содержании водяного пара и неизменном , называется точкой росы.

Влажность характеризуется следующими показателями:

Абсолютная влажность (лат. absolutus - полный). Она выражается массой водяного пара в 1м воздуха. Исчисляется в граммах водяного пара на 1 м3 воздуха. Чем выше , тем больше абсолютная влажность, так как больше воды при нагревании переходит из жидкого состояния в парообразное. Днем абсолютная влажность больше, чем ночью. Показатель абсолютной влажности зависит от : в полярных широтах, например, она равна до 1 г на 1 м2 водяного пара, на экваторе до 30 грамм на 1 м2 в Батуми ( , побережье ) абсолютная влажность составляет 6 г на 1 м, а в Верхоянске ( , ) - 0,1 грамма на 1 м От абсолютной влажности воздуха в большой степени зависит растительный покров местности;

Относительная влажность . Это отношение количества влаги, находящейся в воздухе, к тому количеству, которое он может содержать при той же температуре. Исчисляется относительная влажность в процентах. Например, относительная влажность равна 70%. Это значит, что воздух содержит 70% того количества пара, которое он может вместить при данной температуре. Если суточный ход абсолютной влажности прямо пропорционален ходу температур, то относительная влажность обратно пропорциональна этому ходу. Человек чувствует себя хорошо при , равной 40-75%. Отклонение от нормы вызывает болезненное состояние организма.

Воздух в природе редко бывает насыщенным водяными парами, но всегда содержит какое-то его количество. Нигде на Земле не была зарегистрирована относительная влажность, равная 0%. На метеорологических станциях влажность измеряется с помощью прибора гигрометра, кроме того, используются приборы-самописцы - гигрографы;

Воздух насыщенный и ненасыщенный. При испарении воды с поверхности океана или суши воздух не может вмещать водяной пар беспредельно. Этот предел зависит от . Воздух, который больше не может вместить влагу, называется насыщенным. Из этого воздуха при малейшем охлаждении его начинают выделяться капельки воды в виде росы, . Это происходит потому, что вода при охлаждении переходит из состояния (пар) в жидкое. Воздух, находящийся над сухой и теплой поверхностью, обычно содержит водяного пара меньше, чем мог бы содержать при данной температуре. Такой воздух называется ненасыщенным. При его охлаждении не всегда выделяется вода. Чем воздух теплее, тем больше его способность к влагопоглощению. Например, при температуре -20°С воздух содержит не более 1 г/м воды; при температуре + 10°С - около 9 г/м3, а при +20°С - около 17 г/м Поэтому при кажущейся сильной влажности воздуха в

Понятие влажности воздуха определяется, как фактическое нахождение частиц воды в определенной физической среде, в том числе — в атмосфере. При этом следует различать влажность абсолютную и относительную: в первом случае речь идет о чистом процентном количестве влаги. В соответствии с законом термодинамики, предельное содержание молекул воды в воздухе ограничено. Максимально допустимый уровень определяет относительные показатели влажности и зависит от ряда факторов:

атмосферное давление;
температура воздуха;
наличие мелких частиц (пыли);
уровень загрязнения химическими веществами;

Общепринятая мера измерения — проценты, при этом расчет идет по специальной формуле, которая будет рассмотрена далее.

Абсолютная влажность измеряется в граммах на кубический сантиметр, которые для удобства также переводятся в проценты. С увеличением высоты количество влаги может увеличиваться в зависимости от региона, но по достижении определенного потолка (примерно 6-7 километров над уровнем моря) влажность снижается до около нулевых значений. Абсолютная влажность считается одним из основных макропараметров: на его основе составляются планетарные климатические карты и зоны.

Определение уровня влажности

(Прибор психометр - по нему определяют влажность по разницы температур между сухим и влажным термометром )

Влажность по абсолютному соотношению определяется при помощи специальных приборов, которые устанавливают процентное содержание молекул воды в атмосфере. Как правило, суточные колебания ничтожны — этот показатель можно считать статическим, и он не отражает важные климатические условия. Напротив, относительная влажность подвержена сильным суточным колебаниям, и отражает точное распределение конденсированной влаги, ее давление и равновесное насыщение. Именно этот показатель считается основным и рассчитывается как минимум раз в сутки.

Определение относительно влажность воздуха проводится по сложной формуле, которая учитывает:

текущую точку росы;
температуру;
давление насыщенного пара;
различные математические модели;

В практике синоптических прогнозов используется упрощенный подход, когда влажность вычисляется приблизительно, с учетом температурной разницы и точки росы (отметки, когда излишняя влага выпадает в виде осадков). Такой подход позволяет с точностью в 90-95% определить требуемые показатели, что более чем достаточно для повседневных нужд.

Зависимость от природных факторов

Содержание молекул воды в воздухе зависит от климатических особенностей конкретного региона, погодных условий, атмосферного давления и некоторых других условий. Так, наибольшая абсолютная влажность наблюдается в тропической и прибрежной зонах. Относительная влажность дополнительно зависит от колебаний ряда факторов, рассмотренных ранее. В дождливый период с условиями пониженного атмосферного давления, показатели относительной влажности могут достигать 85-95%. Высокое давление снижает насыщение водяных паров в атмосфере, соответственно понижая их уровень.

Важная особенность относительной влажности — ее зависимость от термодинамического состояния. Естественной равновесной влажностью является показатель в 100%, что, разумеется, недостижимо по причине крайней неустойчивости климата. Техногенные факторы также влияют на колебания атмосферной влажности. В условиях мегаполисов наблюдается повышенное испарение влаги с асфальтированных поверхностей, одновременно с выбросом большого количества взвешенных частиц и угарного газа. Это обуславливает сильное снижение влажности в большинстве городов мира.

Влияние на человеческий организм

Комфортные для человека границы атмосферной влажности находятся в пределах от 40 до 70%. Длительное нахождение в условиях сильного отклонения от указанной нормы может вызвать заметное ухудшение самочувствия, вплоть до развития патологических состояний. Следует отметить, что человек особенно чувствителен к чрезмерно низкой влажности, испытывая ряд характерных симптомов:

раздражение слизистых оболочек;
развитие хронических ринитов;
повышенная утомляемость;
ухудшение состояния кожных покровов;
снижение иммунитета;

Среди негативных эффектов повышенной влажности можно отметить риск развития грибковых и простудных заболеваний.