Що таке вологість повітря? Як правильно виміряти вологість? Тиск водяної пари. Таблиці та приклади розрахунку

Тут і далі ми говоритимемо про вологості повітря та газів. На відміну від температури, з визначенням та фізичним розумінням вологості проблем немає. Це кількість води, що міститься в одиниці об'єму повітря. Але ми зіштовхнулися у роботі з тим, що люди, які займаються професійно вимірами не відчувають цей фізичний параметр і відповідно не можуть провести елементарні розрахунки і пояснити багато явищ пов'язані з вологістю. Пов'язано це багато в чому з тим, що на відміну від температури ми не відчуваємо вологість так явно (див. статтю: Що таке температура? Як правильно вимірювати температуру? Уявіть, що ви вийшли зимового ранку з дому. Яка температура на вулиці ви зможете сказати з точністю 3… 5⁰С, а ось питання, яка зараз відносна вологість, поставить вас у глухий кут. У той же час вологість повітря є дуже важливим параметром, що безпосередньо впливає на самопочуття та працездатність людини. Дуже важливо знати та підтримувати певну вологість у багатьох галузях промисловості та сільському господарстві.

Що таке вологість повітря

Існують кілька одиниць виміру відносної вологості повітря.
1. Абсолютна вологість – це кількість води в одиниці об'єму повітря, А(г/м3).
2. Для визначення другої одиниці виміру потрібно уважно подивитися на малюнок, що відображає рух молекул води в закритій посудині, залитій до певного рівня водою.Через деякий час у цій посудині два процеси: випаровування та конденсації молекул води вирівняються і ми отримаємо насичену водяну пару, яка створює тиск на стінки судини, що дорівнює тиску насиченої водяної пари, Ps(Ра). У повітрі завжди присутні молекули води, але їхня концентрація нижча, ніж над водною поверхнею. Вони так само, як і інші молекули повітря, створюють тиск. Цей тиск, створюваний саме молекулами води, називається парціальним тиском водяної пари, P(Па). Відношення парціального тиску водяної пари до насиченого тиску водяної пари, виражене у відсотках називається відносною вологістю повітря:

З визначення випливає, що поверхню води відносна вологість повітря дорівнює 100 %. І назад, при 100% вологості повітря спостерігається конденсація вологи. Тиск насиченої водяної пари зростає зі збільшенням температури. Якщо в ізольованому приміщенні зі 100% вологістю підвищити температуру, то відносна вологість різко знизиться.

3. З другої одиниці виміру випливає третя. Якщо в замкнутому об'ємі з певною вологістю зменшувати температуру, то збільшуватиметься відносна вологість повітря. При певній температурі відносна вологість дорівнюватиме 100 %. Ця температура називається температурою точки роси. Для негативних температур існує своя точка роси – точка інею. Саме визначення підказує один із способів визначення вологості повітря в певному обсязі. Потрібно повільно охолоджувати якийсь предмет, контролюючи його температуру. Температура, при якій на предметі виникне водяна плівка молекул води, що сконденсувалися, буде дорівнювати температурі точки роси в даному обсязі.

Нижче наведено вирази для розрахунку тиску насиченої водяної пари над поверхнею води Psw та льоду Psi залежно від температури:

Значення тиску насиченої пари над поверхнею води (Рsw) та льоду (Рsi)

Т,°C

psw, Па

psi, Па

Т,°C

psw, Па

psi, Па

Т,°C

psw, Па

psi,Па

Вологість повітря

У повітрі міститься водяна пара, яка має величезне значення у Світовому кругообігу води та впливає на обмін теплом між живими організмами та навколишнім середовищем. На уроці ми дізнаємося: що таке вологість повітря, які види вологості існують, як утворюються туман та хмари, чим відрізняються види хмар один від одного. Політаємо у хмарах?

Водяна пара в повітрі

Водяна пара в атмосферу потрапляє при випаровуванні з поверхні різних водойм, рослин, ґрунту, при виверженні вулканів, спалюванні палива і т.д.

Вологість повітря - Це вміст водяної пари в повітрі.

Загалом в атмосфері міститься близько 13 тис. км³ водяної пари, це 0,001 % від усієї маси гідросфери.

Кількість водяної пари за різних умов

Кількість водяної пари в повітрі залежить від:

• наявності джерел води;
• швидкість вітру;
• характеру земної поверхні;
• наявності рослинності;
• температури повітря.

За різної температури вміст водяної пари в повітрі неоднаковий.

Найбільше водяної пари може вміщувати тепле повітря. Він більш розріджений, тобто має більше вільного місця для водяної пари.

Залежність кількості водяної пари в насиченому повітрі від її температури на 1 м³ повітря

Холодне повітря набагато щільніше і в ньому може бути менше водяної пари.

Абсолютна вологість

Розрізняють абсолютну та відносну вологість.

Абсолютна вологість - Це фактичний вміст водяної пари в повітрі.

Т. е. абсолютна вологість - це кількість водяної пари, яка міститься в певному обсязі повітря. Вимірюється вона в грамах на метр кубічний (г/м³).

Наприклад, якщо абсолютна вологість дорівнює 7 г/м³, то це означає, що в 1 м³ повітря міститься 7 г водяної пари.

Відносна вологість

Відносна вологість — це відношення кількості водяної пари в повітрі до максимальної кількості, яка може утримуватися при даній температурі.

Відносна вологість показує ступінь насиченості повітря водяною парою. Вимірюється вона в відсотках (%).

Наприклад, якщо в 1 м³ повітря міститься 5 г водяної пари, а при даній температурі може бути 10 г, то відносна вологість дорівнює 50 % (5 : 10 × 100 % = 50 %).

Зазвичай під час дощу відносна вологість досягає показника 90% і більше. Дихання людини не може як за низької вологості, і за високої.

Вимірювання вологості повітря

Гігрометр (від грецького слова «гігрос» – «вимірюю») – це прилад для вимірювання вологості повітря.

Дія волосного гігрометра заснована на властивості людського волосся змінювати довжину при зміні вологості повітря. Волосся злегка натягнуте на пружну металеву рамку. Зміна довжини волосся передається стрілці, яка переміщається за шкалою.

Річний хід вологості повітря

Чим вище температура, тим більше водяної пари може вмістити повітря. Тому максимальна абсолютна вологість посідає літо, а мінімальна — на зиму.

Але для відносної вологості характерний зворотний хід: максимум спостерігається взимку, а щонайменше влітку.

Добовий перебіг вологості повітря

Над сушею максимальна абсолютна вологість характерна для 9-10 год і 20-21 год, мінімум спостерігається вночі.

Найвища відносна вологість спостерігається перед сходом сонця, а найнижча - о 15-16 год.

Широтний розподіл вологості повітря

Вологість повітря залежить від температури повітря, випаровування та перенесення вологи.

Тому абсолютна вологість зменшується від екватора до полюсів:

Найвища відносна вологість спостерігається в екваторіальних та полярних широтах (85–90 %).

У помірних широтах відносна вологість становить близько 60% улітку та 75–80% узимку.

Найнижча відносна вологість — у тропіках над сушею — менше 30 %.

Туман

Туман - це скупчення непрозорого повітря біля земної поверхні, утворене найдрібнішими частинками води.

Туман утворюється при максимальній відносній вологості, що наближається до 100%.При цьому спостерігається конденсація водяної пари (перетворення пари на крапельки води).

Спостерігати тумани найчастіше можна у ясні прохолодні ночі чи вранці. Вдень, коли повітря поступово прогрівається, вони розсіюються.

Туман на гірській дорозі (Корсіка, Франція)

Найбільше туманних днів відзначається в Арктиці (в середньому близько 80), найменше у внутрішніх частинах материків, особливо у пустелях.

На якому острові в Атлантичному океані спостерігається найбільша кількість туманних днів?

Цей острів не Великобританія, який називають туманним Альбіоном. Найтуманніший острів - Ньюфаундленд. Тут у середньому понад 120 днів на рік відзначаються тумани. Пов'язано це з тим, що острів розташований у місці, де зустрічаються потужна тепла течія Гольфстрім з холодним Лабрадорським. Розташований Ньюфаундленд біля північно-східних берегів Північної Америки. Входить до складу Канади. На острові розлучили однойменну породу собак, яку в Росії іноді називають водолазом.

Острів Ньюфаундленду. Знімок із космосу

Хмари

Водяна пара, піднімаючись нагору, починає поступово охолоджуватися і перетворюватися на крапельки води або кристалики льоду. З них утворюються хмари.

Хмара - це зважені в атмосфері продукти конденсації водяної пари, що видно на небі неозброєним оком із земної поверхні.

Розташовуються хмари на висоті від 100 м до 8 км. Деякі можуть бути і вище.

Хмарність - Це сукупність хмар на небосхилі.

Хмарність визначається на око, за ступенем наповнення неба хмарами. Вона вимірюється у балах від 0 до 10. За повної відсутності хмар хмарність дорівнює 0, при суцільній хмарності – 10.

Види хмар

Хмари ділять на три групи за висотою освіти та зовнішнім виглядом:

Часті питання

Вологість повітря - це вміст водяної пари в повітрі.

Вологість повітря залежить від наявності джерел води, швидкості вітру, характеру земної поверхні, наявності рослинності та температури повітря.

Розрізняють абсолютну та відносну вологість. Абсолютна вологість - це фактичний вміст водяної пари в повітрі. Відносна вологість - це відношення кількості водяної пари в повітрі до максимальної кількості, яка може утримуватися при даній температурі.

Туман утворюється в приземному шарі атмосфери за максимальної відносної вологості, що наближається до 100 %. При цьому спостерігається конденсація водяної пари (перетворення пари на крапельки води).

Хмари утворюються з водяної пари, яка, піднімаючись нагору, починає поступово охолоджуватися і перетворюватися на крапельки води або кристалики льоду.

Вологість повітря

У повітрі завжди міститься водяна пара, навіть при негативних температурах. Вимірюючи кількість пари, ми отримуватимемо інформацію про вологість повітря.

Чим вище температура, тим більше пари води зможе утримувати повітря. Звичайно, якщо додати в повітря цю водяну пару.

Використовують два показники вологості - абсолютну та відносну вологість.

Що таке парціальний тиск

Повітря – це суміш газів. Найбільше у ньому міститься азоту – 78 відсотків. Також міститься кисень у вигляді молекул \(O_\) і \(O_\) — озону, він становить 21 відсоток. Інші гази, серед них інертні гази та вуглекислий газ, становлять 1 відсоток. Тиск повітря складається з тисків кожного газу, що входить у повітря.

Пояснимо це простому прикладі. Розглянемо ємність, наприклад - звичайну трилітрову скляну банку для консервації. Коли банку немає їстівних запасів, її обсяг цілком займає повітря. Тиск повітря в банку дорівнюватиме атмосферному тиску. Закоркуємо банку кришкою. Припустимо, ми маємо можливість окремо відфільтрувати з повітря кожен газ.

Проводитимемо такий досвід:

1. Спочатку виміряємо тиск повітря у банку.
2. Потім відкачаємо з банки всі гази, крім одного. Цей окремо взятий газ за тієї ж температури займає весь обсяг, який до цього займала газова суміш. За допомогою манометра виміряємо тиск, який створює газ, що залишився. Тиск газу, що залишився, називається парціальним тиском.
3. Далі, повернемо до банку гази, відкачані раніше.
4. Після цього відфільтруємо якийсь інший газ, залишаючи в банку його і, відкачуючи решту всіх газів. Вимірюватимемо манометром парціальний тиск газу, що залишився.

Зробивши такий досвід кілька разів, ми отримаємо парціальний тиск усіх газів, з яких складається повітря.

Примітки:

• Парціальне від італійського "парціо" - частина. Мається на увазі частина чогось цілого.
• Манометр – прилад вимірювання тиску (посилання).
• Тіла в газоподібному стані займають весь запропонований обсяг. У міру видалення газів маса речовини в банку зменшуватиметься.Але газ, що залишився, займатиме весь обсяг банки, створюючи тиск на її стінки.

Зв'язок загального тиску та парціальних тисків всіх газів суміші за допомогою математики можна описати так:

\(\large P_> \left(\text \right) \) – тиск суміші газів (загальний тиск);

\(\large P_ \left(\text \right) \) - парціальний тиск першого газу;

\(\large P_ \left(\text \right) \) - парціальний тиск другого газу;

Кожен газ створює свій внесок у загальний тиск суміші. Цей внесок називають парціальним тиском газу.

Якщо скласти парціальний тиск всіх газів, отримаємо тиск повітря, яке ми виміряли на початку експерименту, перед тим, як почати відкачувати гази з банки.

В яких одиницях вимірюють абсолютну вологість

Кожна молекула має багато. Чим більше молекул пари, тим більша маса пари в кожному кубометрі повітря.

Маса обсягом – це щільність. Тому абсолютну вологість вказують за допомогою щільності водяної пари.

Щільність пари пов'язана з її парціальним тиском. Чим більша щільність пари, тим більший її парціальний тиск. Тому абсолютну вологість можна вказувати, так само, за допомогою парціального тиску водяної пари.

Чим більше молекул пари в кожному кубометрі повітря, тим більша абсолютна вологість.

В яких одиницях вимірюють відносну вологість

Ступінь зволоженості повітря залежить від того, близька або далека водяна пара, що знаходиться в повітрі, від стану насичення. Якщо пара близька до насичення, відносна вологість висока. А якщо пара від насичення далека – відносна вологість низька.

Відносну вологість прийнято вимірювати у відсотках, оскільки відносні величини описуємо з допомогою дробу.

Важливо! Виміряйте спочатку температуру повітря, а потім виміряйте його відносну вологість!

Примітка: Відносна величина означає дробова. Відсоток – це дріб, у якого знаменнику знаходиться число 100.

Формула для обчислення відносної вологості повітря

У чисельнику – щільність пари, яка є у момент виміру.

У знаменнику – максимальна щільність пари, що відповідає наявній температурі (тобто щільність насиченої пари).

Якщо щільність пари максимальна – то пар називають насиченою. Чим вище температура, тим більша максимальна щільність пари.

\( \large \varphi \) - відносна вологість;

\(\large \rho_ \left( \frac>^>\right) \) - Виміряна щільність водяної пари в повітрі, тобто абсолютна вологість;

\(\large \rho_ \left( \frac>^>\right) \) – максимальна щільність водяної пари в повітрі, яка може бути при виміряній температурі, тобто щільність насиченої пари;

Іноді формулу зручніше записувати у такому вигляді:

\[\large \boxed < \rho_= \varphi \cdot \rho_ >\]

Що таке точка роси

Якщо охолоджувати вологе повітря, можна довести пару, що у повітрі до насичення. При цьому можна помітити, як на гладких поверхнях з'явиться роса. Поява роси відбуватиметься за певної температури. Таку температуру називають точкою роси.

Точка роси – це температура, за якої відносна вологість дорівнюватиме 100%. При цій температурі з повітря конденсується волога: випадає роса, дощ, або, наприклад, пітніє скло.

Прилади для вимірювання вологості

Прилади, за допомогою яких можна вимірювати вологість, називають гігрометрами. Є кілька типів таких приладів: волосні, конденсаційні, психрометричні.

Волосний гігрометр

У волосяному гігрометрі використовують властивість волосся змінювати свою довжину при зміні вологості. Чим більша вологість повітря, тим довшим стає волосся. Зазвичай використовують волосок з кінської гриви, або довге людське волосся. Один кінець волосся закріплений на корпусі приладу, а інший кріпиться до стрілки (рис. 1). За шкалою приладу можна визначити відносну вологість повітря.

Конденсаційний гігрометр

Конденсаційний гігрометр за точкою роси допомагає визначити абсолютну вологість повітря.

Спочатку визначають точку роси за допомогою вбудованого в прилад термометра. Потім, по таблиці, містить щільність і парціальний тиск водяної пари при різних температурах, визначають абсолютну вологість повітря.

При відомій температурі повітря та абсолютної вологості можна додатково обчислити відносну вологість повітря.

Пристрій конденсаційного гігрометра представлено малюнку 2.

У невелику металеву коробку, вбудована трубка із грушею та термометр. Передня тонка стінка коробки відполірована, щоб на ній було зручніше спостерігати конденсацію крапельок води. Металеве кільце, що надає жорсткості тонкій передній стінці, прикріплене через прокладку для теплоізоляції.

Мал. 2. Конденсаційний гігрометр містить термометр і грушу, занурені в ємність з рідиною, що швидко випаровується, ємність має поліровану стінку, на якій може конденсуватися вода з повітря

Використовують прилад так: Наливають в коробку рідина, що швидко випаровується (спирт, ефір і т. п.), і продують грушею повітря через коробку.Тим самим, викликають швидке випаровування рідини та зниження температури в коробці. При цьому на полірованій передній стінці коробки з'являється роса.

Абсолютну вологість повітря визначають за таблицею, в якій міститься щільність і парціальний тиск водяної пари за різних температур.

Психометричний гігрометр

Такий прилад для вимірювання відносної вологості скорочено називають психрометром. Він складається з двох однакових термометрів, закріплених на тримачі (мал. 3). Завдяки цій таблиці, вважаючи показання двох термометрів, можна визначити відносну вологість повітря.

Саморобний психрометр

Щоб виготовити саморобний психрометр, потрібно взяти два однакові побутові спиртові термометри.

У нижній частині кожного термометра присутня кулька з рідиною. Ця рідина розширюється при зростанні температури. ртутний термометр).

Кульку одного з термометрів потрібно обернути шматочком вати, або невеликою ганчірочкою, змоченою водою кімнатної температури.

Із другим термометром нічого робити не потрібно.Цей термометр називатимемо «сухим».

Розташуємо ці термометри неподалік один від одного. Через кілька хвилин саморобний психрометр буде готовим до вимірювань вологості.

Нам відомо, що температура рідини зменшується під час випаровування (посилання). Тому показання вологого термометра завжди будуть меншими за показання сухого термометра. Чим сухіше повітря, тим більшою буде різниця між показаннями термометрів. Тому що у сухому повітрі швидкість випаровування (посилання) води зростає.

Запишемо показання сухого та вологого термометрів. Відносну вологість повітря можна знайти за допомогою психометричної таблиці.

Що таке психрометрична таблиця

У психрометричній таблиці (рис. 4 і рис. 5) містяться значення відносної вологості повітря. Ці значення пов'язані з показаннями сухого термометра та різницею показань сухого та мокрого термометрів.

Наявність водяної пари у повітрі впливає на швидкість випаровування. Чим вище температура і чим менша пара в повітрі, тим швидше випаровується вода, тим більша різниця між показаннями сухого та мокрого термометрів.

Таблиця - залежність щільності насиченої пари від температури

У цій таблиці (рис. 6 та рис. 7) містяться щільність та парціальний тиск водяної пари при різних значеннях температури. За допомогою такої таблиці, знаючи абсолютну вологість та температуру повітря, можна обчислити відносну вологість.

Абсолютну вологість повітря зазвичай вказують за допомогою густини водяної пари.

Казка про маленького чарівника та чарівного відерця

Поняття вологості повітря легко пояснити за допомогою казки.

У деякому царстві жив і був маленький чарівник. Звали його Повітрям. І було в нього чарівне відерце.

Чари полягали в тому, що розміри відерця залежали від температури. Чим вище температура, тим більше ставало цебро, збільшуючись у розмірах.

Примітка: За такої аналогії абсолютна вологість – це кількість води, налитої у цебро. А відносна вологість - це частка, яку займає налита вода по відношенню до всього об'єму цебра.

Припустимо, що за певної температури обсяг відра — 10 літрів. Наллємо у цебро 5 літрів води. Це половина відра, тобто відносна вологість складе 50%. Оскільки 5/10 = 0,50 = 50%

Кількість налитої води не змінюємо, отже, маса та обсяг води не змінюється.

Припустимо, температура зросла. Розміри відерця збільшуватимуться зі зростанням температури. Припустимо, що цебро збільшилося настільки, що тепер його об'єм становить 15 літрів.

Отже, тепер відносна вологість дорівнюватиме

Якщо абсолютна вологість не змінюється, коли температура зростає, відносна вологість зменшується.

Припустимо, що температура знизилася. Значить, обсяг (розміри) цебра зменшиться. Якщо, наприклад, обсяг відерця зменшиться до 8 літрів, то відносна вологість становитиме

Тобто абсолютна вологість не змінилася, а відносна зросла.

Якщо абсолютна вологість не змінюється, коли температура падає, відносна вологість зростає.

При подальшому зниженні температури обсяг відерця продовжить зменшуватися.При певній температурі може статися так, що об'єм відерця, що зменшився, збігається з обсягом налитої води.

Припустимо, обсяг відерця зменшиться до 5 літрів. І кількість води у цеберці – так само, дорівнює 5 літрам.

Температура, за якої розміри відерця співпадатимуть із кількістю налитої води, називається точкою роси.

Рис. 10. Зменшуючи температуру вологого повітря, ми можемо досягти насичення пари і точки роси.

Якщо температура продовжить падати, чарівне відерце продовжить зменшуватися. Надлишки води при цьому будуть проливатися.

Примітка: Відносна вологість не може перевищувати 100% Коли відносна вологість дорівнює 100%, надлишки водяної пари з повітря конденсуються, при цьому випадають опади - дощ, або роса.

Для чого контролювати вологість повітря

Вимірювати та контролювати рівень вологості повітря необхідно у найрізноманітніших ситуаціях:

• у метеорології - для передбачення погоди;
• у сільському господарстві – в оранжереях і теплицях потрібно підтримувати вологість повітря, комфортну для рослин, що вирощуються;
• у складських приміщеннях продуктових магазинів – щоб продукти не зіпсувалися раніше визначеного терміну придатності;
• в автомобільних боксах – щоб запобігти появі корозії на металевих поверхнях автомобілів, механізмів та запасних частин до них;
• у житлових приміщеннях – комфортний рівень відносної вологості повітря для людини знаходиться у діапазоні від 40 до 60 відсотків;
• у бібліотеках та музеях – щоб книги та цінні витвори мистецтва зберегти на довгі віки;

Висновки

1. Парціальний тиск – це тиск одного газу із суміші. Парціальне - від італійського "парціо" - частина чогось цілого.
2. Якщо скласти всі парціальні тиски, матимемо загальний тиск суміші газів.
3. Повітря – це суміш газів. Тиск повітря - це сума парціальних тисків всіх газів, що становлять повітря.
4. У повітрі навіть при негативній температурі міститься водяна пара. Вимірюючи кількість цієї пари, ми вимірюватимемо вологість повітря.
5. Чим вище температура, тим більше водяної пари повітря зможе утримати. Звичайно, якщо додати в повітря цю водяну пару.
6. Виділяють два види вологості повітря - абсолютну та відносну.
7. Абсолютну вологість вказують за допомогою щільності водяної пари або за допомогою парціального тиску водяної пари.
8. Прилади для вимірювання вологості називають гігрометрами. Широко використовують конденсаційні, волосні та психрометричні гігрометри.
9. Психометричний гігрометр скорочено називають психрометром.
10. Саморобний психрометр можна виготовити із двох однакових побутових термометрів. Один термометр назвемо вологим, другий сухим.
11. Відносну вологість можна визначити, користуючись психрометром та психрометричною таблицею.
12. Спочатку вимірюємо температуру повітря, а потім відносну вологість повітря.
13. Відносна вологість – це дрібна величина. Її вказують у відсотках. У чисельнику дробу – щільність пари, що у повітрі, у знаменнику – максимальна за цієї температури щільність пари, тобто. е. щільність насиченої за цієї температури пари.
14. Абсолютна та відносна вологість повітря пов'язані. Знаючи температуру повітря та одну з вологостей, можна визначити другу вологість (по абсолютній можна визначити відносну та навпаки). Для цього використовуйте таблицю густин водяної пари при різних температурах.