Влажность воздуха
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 186.
Обновлено 19 Июля, 2021
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 186.
Обновлено 19 Июля, 2021
В любом прогнозе погоды кроме температуры, силы и направления ветра зачастую приводится такая величина, как влажность воздуха. Действительно, одна и та же температура ощущается человеком совсем по-разному, в зависимости от величины влажности. Поговорим кратко о том, что такое влажность, какие бывают виды влажности, дадим их определение, выведем формулу влажности воздуха.
Водяной пар в атмосферном воздухе
Как известно из курса физики 8 класса, атмосфера — это смесь газов. В атмосферу входит азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и небольшое количество прочих газов. Масса водяного пара в воздухе в нормальных условиях составляет не более трёх процентов, однако для человека сухость или влажность воздуха заметно отражается на самочувствии и работоспособности. Как определить влажность воздуха?
Абсолютная влажность
Влажность можно измерять несколькими способами.
Во-первых, водяной пар — это такой же газ, как и все прочие в воздухе, а значит, его можно характеризовать парциальным давлением и измерять в паскалях. Напомним, что парциальным называется такое давление газа, которое этот газ бы имел, если из рассматриваемого объёма удалили бы все остальные газы. Для водяного пара парциальное давление составляет от 10 до 100 паскалей (в жарком климате может доходить до 300 паскалей).
Во-вторых, водяной пар легко конденсируется в обычную воду, следовательно, влажность можно охарактеризовать массой пара, находящейся в воздухе и измерять в граммах на кубометр. Как правило, в обычных условиях в кубометре воздуха содержится от единиц до десятков грамм водяного пара.
Эти два способа измерения влажности эквивалентны, и связь между ними легко получить из уравнения Менделеева-Клапейрона:
$$p={rhoover M}RT$$
где:
- $p$ — парциальное давление водяного пара;
- $rho$ — масса водяного пара в воздушном объёме (плотность);
- $M$ — молярная масса воды;
- $R$ — универсальная газовая постоянная;
- $T$ — абсолютная температура.
Влажность, измеряемая данными методами, называется абсолютной, поскольку она показывает непосредственно количество воды в воздухе. Показатель абсолютной влажности полезен, например, при осушении воздуха, когда каждый грамм вещества-поглотителя может впитать определённое количество воды, поэтому для расчетов, на сколько кубометров воздуха хватит поглотителя, используется показатель абсолютной влажности.
Относительная влажность
Однако показатель абсолютной влажности воздуха удобен не всегда. Причину этого можно видеть из приведённой формулы. В её правую часть входит такая величина, как температура. Воздух при большей температуре способен содержать больше пара, а значит, один и тот же воздух при нагревании уменьшает влажность.
И во многих случаях гораздо удобнее оценивать влажность не количеством воды в воздухе, а степенью насыщенности воздуха водяными парами. Такой показатель называется относительной влажностью воздуха. Если воздух содержит максимальное количество водяного пара, относительная влажность принимается равной 100 %. Если воздух не содержит пара, относительная влажность равна 0 %.
Таким образом, относительная влажность равна:
$$varphi ={p over p_0}={rhoover rho_0}$$
где:
- $varphi$ — относительная влажность;
- $p$ — парциальное давление водяного пара;
- $rho$ м плотность водяного пара;
- $p_0$ — давление насыщенного водяного пара;
- $rho_0$ — плотность насыщенного водяного пара.
Две последние величины указываются в справочных таблицах.
Самочувствие человека в немалой степени зависит от того, насколько легко испаряется влага с кожи. Чем меньше относительная влажность, тем это происходит легче (независимо от влажности абсолютной). Именно поэтому в прогнозах погоды указывают именно относительную, а не абсолютную влажность.
Что мы узнали?
Влажность воздуха — это показатель количества водяного пара в воздухе. Можно измерять абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность показывает количество пара в единице воздушного объёма. Относительная влажность показывает степень насыщенности воздуха паром.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 186.
А какая ваша оценка?
§ 35. Влага в атмосфере
Вы узнаете
•Какими показателями характеризуют влажность воздуха.
•Как образуются туман и облака.
Вспомните
•Что такое водяной пар? Какими свойствами он обладает?
Обратитесь к электронному приложению Что такое влажность воздуха. В атмосфере всегда присутствует водяной пар. Он так же невидим, как и все остальные газы воздуха. Водяной пар появляется в атмосфере в результате испарения воды с поверхности водоёмов и суши. Много воды испаряют растения.
Где больше водяного пара — в воздухе вблизи морей и океанов или вдали от них?
Количество водяного пара в воздухе характеризуется с помощью двух показателей: абсолютной и относительной влажности воздуха.
Абсолютная влажность воздуха — это количество водяного пара в граммах, находящееся в 1 м3 воздуха.
Абсолютная влажность растёт при увеличении температуры воздуха и запасов влаги на поверхности.
Однако воздух не может поглощать водяной пар бесконечно. Существует предел его насыщения влагой, который зависит от температуры (рис. 113). Степень насыщения воздуха водяным паром характеризует относительная влажность воздуха.
Относительная влажность воздуха — это отношение абсолютной влажности к тому количеству влаги, которое может содержать воздух при определённой температуре.
Рис. 113. Зависимость количества водяного пара в насыщенном воздухе от температуры воздуха
По рисунку определите, сколько водяного пара может содержать 1 м3 воздуха при температуре –20; 0; +20 °С.
Рис. 114. Волосяной гигрометр
Относительную влажность выражают в процентах. Если при температуре +20 °С 1 м3 воздуха содержит 81/2 г водяного пара, то это только половина того, что может содержаться в воздухе при данной температуре. Относительная влажность в этом случае составляет 50%.
Относительную влажность измеряют с помощью специальных приборов — гигрометров (рис. 114).
Показатель относительной влажности воздуха имеет большое значение для жизни растений, животных и человека. При маленькой относительной влажности ускоряется испарение с поверхности тел, содержащих воду. Человек чувствует себя хорошо при относительной влажности от 40 до 75%. Отклонение от этих показателей отзывается в организме ощущением сухости или сырости.
Рассчитайте относительную влажность воздуха:
• если абсолютная влажность составляет 6 г в 1 м3 при температуре +30 °С;
• если абсолютная влажность составляет 21/2 г в 1 м3 при температуре 0 °С.
Во что превращается водяной пар. Если воздух нагреть, он расширится и будет дополнительно поглощать водяной пар.
При охлаждении воздух, наоборот, сжимается и не может содержать в себе много водяного пара. Излишек влаги при этом выделяется в виде капелек воды, а при температуре ниже 0 °С — в виде кристалликов льда. Это явление называется конденсацией.
Конденсация — это переход воды из газообразного состояния в жидкое.
Рассчитайте, сколько граммов воды выделится из насыщенного воздуха с температурой +20 °С при его охлаждении до 0 °С.
Конденсация водяного пара — очень важный процесс, играющий большую роль в круговороте воды. Конденсация участвует и в процессах обмена теплом между землёй и атмосферой, так как при испарении воды тепло поглощается, а при конденсации водяного пара, наоборот, выделяется.
Рис. 115. Туман
Туманы часто наблюдаются в ясные прохладные ночи или ранним утром над низинами и водоёмами.
Когда конденсация водяного пара происходит в слое воздуха, находящемся около земной поверхности, образуется туман (рис. 115).
Туман — это мельчайшие капельки воды или кристаллики льда, парящие в приземном слое воздуха.
Как образуются облака. Водяной пар не всегда конденсируется близ поверхности. Когда воздух, нагреваясь от земной поверхности, поднимается вверх, вместе с ним поднимается и водяной пар. Поднимаясь, воздух постепенно охлаждается. На определённой высоте он достигает температуры, при которой водяной пар превращается в капельки воды или кристаллики льда. Так образуются облака (рис. 116).
Облака — это видимые скопления капель воды и кристалликов льда, находящиеся на некоторой высоте в тропосфере.
Облака формируются в тропосфере вплоть до её верхней границы. В зависимости от температуры они могут быть полностью водяными, полностью ледяными или смешанными.
По высоте образования и внешнему виду облака объединяют в три основные группы: слоистые, кучевые и перистые.
С помощью рисунка 113 определите, при какой температуре начнут образовываться облака в воздухе с абсолютной влажностью 5 г в 1 м3. Рассчитайте высоту, где будет такая температура, если у поверхности она +18 °С.
Облака влияют на освещённость земной поверхности, выпадение осадков, обмен теплом между земной поверхностью и атмосферой.
Степень покрытия неба облаками называют облачностью. Этот показатель выражают в баллах от 1 до 10.
Рис. 116. Основные виды облаков
Назовите основные виды облаков. Опишите их внешний вид.
Вопросы и задания
1.Откуда берётся влага в атмосфере?
2.Приведите доказательства того, что в воздухе есть водяной пар.
3.Что такое абсолютная и относительная влажность воздуха?
4.Используя рисунок 113, решите задачу. При температуре +10 °С относительная влажность воздуха составляет 30%. Сколько граммов воды содержит 1 м3 этого воздуха? Сколько требуется ещё воды для его полного насыщения?
5.Что общего и каковы различия в образовании тумана и облаков?
Чтобы понять, что такое влажность, нужно рассмотреть ее основные составляющие:
- абсолютная влажность;
- относительная влажность.
Абсолютная влажность представляет собой количество влаги, содержащейся определенном объеме воздуха. Измерять влажность принято в г/м3. Измерить и рассчитать абсолютную влажность можно с помощью психрометра Августа. Для определения количества водяного пара в единице воздуха можно воспользоваться также аспирационным психрометром Ассмана.
Что такое относительная влажность? Само ее название говорит о том, что это какое-то отношение. Остается понять, что это за отношение, чего и к чему? Для того чтобы рассчитать относительную влажность воздуха, нужно фактическое количество водяного пара, находящегося в данный момент в воздухе, разделить на максимально возможную влажность при этой же температуре, пока не началась конденсация влаги. Соотношение будет представлять собой следующую формулу:
RH (относительная влажность) = АВ (абсолютная влажность) / МВВ (максимально возможная влажность) х 100%.
КАК НАЙТИ ОТНОСИТЕЛЬНУЮ ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
Если приобрести специальные приборы, электронные или механические, то определение относительной влажности происходит без участия человека. Приборы сами показывают какая относительная влажность в данный момент в помещении. Такие приборы носят название гигрометров.
Если же нет возможности такие устройства приобрести, или их просто в данный момент нет под руками, а относительную влажность нужно измерить, то сделать это можно с помощью двух термометров и психрометрической таблицы.
Можно прикрепить на дощечку два термометра. Один будет обычно измерять температуру, а у второго головку со ртутью надо обернуть мокрой тканью, ватой, марлей, он будет измерять влажную температуру. Затем производится замер показаний обоих термометров. По психрометрической таблице на пересечении температур сухого и влажного термометров, будет находиться искомая относительная влажность. А сам такой прибор, которым измеряли разные температуры, называется психрометр.
ПСИХОМЕТРИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ВЛАЖНОСТИ
Показания сухого термометра |
Разность показаний сухого и влажного термометров | ||||||||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
0 | 100 | 81 | 63 | 45 | 28 | 11 | — | — | — | — | — |
1 | 100 | 83 | 65 | 48 | 32 | 16 | — | — | — | — | — |
2 | 100 | 84 | 68 | 51 | 35 | 20 | — | — | — | — | — |
3 | 100 | 84 | 69 | 54 | 39 | 24 | 10 | — | — | — | — |
4 | 100 | 85 | 70 | 56 | 42 | 28 | 14 | — | — | — | — |
5 | 100 | 86 | 72 | 58 | 45 | 32 | 19 | 6 | — | — | — |
6 | 100 | 86 | 73 | 60 | 47 | 35 | 23 | 10 | — | — | — |
7 | 100 | 87 | 74 | 61 | 49 | 37 | 26 | 14 | — | — | — |
8 | 100 | 87 | 75 | 63 | 51 | 40 | 28 | 18 | 7 | — | — |
9 | 100 | 88 | 76 | 64 | 53 | 42 | 34 | 21 | 10 | — | — |
10 | 100 | 88 | 76 | 65 | 54 | 44 | 34 | 24 | 14 | 5 | — |
11 | 100 | 88 | 77 | 66 | 56 | 46 | 36 | 26 | 17 | 8 | — |
12 | 100 | 89 | 78 | 68 | 57 | 48 | 38 | 29 | 20 | 11 | — |
13 | 100 | 89 | 79 | 69 | 59 | 49 | 40 | 31 | 23 | 14 | 6 |
14 | 100 | 89 | 79 | 70 | 60 | 51 | 42 | 34 | 25 | 17 | 9 |
15 | 100 | 90 | 80 | 71 | 61 | 52 | 44 | 36 | 27 | 20 | 12 |
16 | 100 | 90 | 81 | 71 | 62 | 54 | 46 | 37 | 30 | 22 | 15 |
17 | 100 | 90 | 81 | 72 | 64 | 55 | 47 | 39 | 32 | 24 | 17 |
18 | 100 | 91 | 82 | 73 | 65 | 56 | 49 | 41 | 34 | 27 | 20 |
19 | 100 | 91 | 82 | 74 | 65 | 58 | 50 | 43 | 35 | 29 | 22 |
20 | 100 | 91 | 83 | 74 | 66 | 59 | 51 | 44 | 37 | 30 | 24 |
21 | 100 | 91 | 83 | 75 | 67 | 60 | 52 | 46 | 39 | 32 | 26 |
22 | 100 | 92 | 83 | 75 | 68 | 61 | 54 | 47 | 40 | 34 | 28 |
23 | 100 | 92 | 84 | 76 | 69 | 61 | 55 | 48 | 42 | 36 | 30 |
24 | 100 | 92 | 84 | 77 | 69 | 62 | 56 | 49 | 43 | 37 | 31 |
25 | 100 | 92 | 84 | 77 | 70 | 63 | 57 | 50 | 44 | 38 | 33 |
26 | 100 | 92 | 85 | 78 | 71 | 64 | 58 | 51 | 46 | 40 | 34 |
27 | 100 | 92 | 85 | 78 | 71 | 65 | 59 | 52 | 47 | 41 | 36 |
28 | 100 | 93 | 85 | 78 | 72 | 65 | 59 | 53 | 48 | 42 | 37 |
29 | 100 | 93 | 85 | 79 | 72 | 66 | 60 | 54 | 49 | 43 | 38 |
30 | 100 | 93 | 86 | 79 | 73 | 67 | 61 | 55 | 50 | 44 | 39 |
Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого — в газообразное. Последнее превращение называют парообразованием, которое может проходить путем испарения или кипения.
Кипение происходит при определённой температуре для каждой жидкости. А вот испарение жидкости, напротив, происходит при любой ее температуре.
Значит, испарение на нашей планете происходит непрерывно: испаряется вода с поверхностей озер, океанов, рек, различной растительности и т. д. Вследствие этого воздух в нашей атмосфере всегда содержит в себе водяные пары.
Влажность — это понятие, которое характеризует содержание водяного пара в атмосфере. На данном уроке мы разберем понятия абсолютной и относительной влажности воздуха, точки росы, познакомимся с приборами для измерения влажности воздуха.
Абсолютная и относительная влажность
Количество водяных паров в воздухе при определенной температуре определяет степень влажности. Но как эту степень оценить? В этом нам помогут два новых определения: абсолютная влажность и относительная влажность.
Абсолютная влажность $rho$ — это физическая величина, показывающая, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом $1 space м^3$ при данных условиях, т. е. плотность водяного пара.
$rho = frac{m}{V}$.
Обратите внимание, что, рассчитывая плотность различных веществ, мы использовали стандартную единицу измерения — $frac{кг}{м^3}$. Для абсолютной влажности принято применять внесистемную единицу измерения плотности — $frac{г}{м^3}$.
Степень влажности определяется фактором того, насколько водяной пар близок или далек от состояния насыщения.
- Чем больше в воздухе водяных паров, тем ближе пар к состоянию насыщения
- Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения
Вспомним: насыщенным называют пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Число молекул, вылетающих из жидкости, становится равно числу молекул, возвращающихся в нее.
Соответственно, зная только абсолютную влажность, нельзя сказать сухой это воздух или влажный, насколько он близок к состоянию насыщения.
Чаще всего водяной пар, содержащийся в воздухе, является ненасыщенным. Если бы водяной пар в воздухе был всегда насыщенным, то все, что находится на земной поверхности, никогда бы не высыхало.
Относительная влажность воздуха $varphi$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $rho$ к плотности $rho_0$ насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
$varphi = frac{rho}{rho_0} cdot 100 %$.
Т.е., относительная влажность характеризует процентное содержание влаги в воздухе. Наиболее благоприятной для человека считается относительная влажность воздуха $40-60 %$.
Чтобы в полной мере научиться пользоваться приведенными выше формулами, загляните в урок на решение задач по данной теме.
Точка росы
В любом случае в воздухе находится водяной пар. Если мы будем понижать температуру воздуха, то при определенной температуре сможем довести пар, содержащийся в нем, до состояния насыщения.
Если после этого продолжать снижать температуру, то пар начнет конденсироваться. В итоге, образуется туман, и выпадают капельки росы. Здесь у нас появляется еще одна новая величина, которая тоже характеризует влажность воздуха, — точка росы.
Точка росы — это температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным.
Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов: конденсационных и волосных гигрометров и психрометров.
Конденсационный гигрометр
Рассмотрим устройство и принцип работы конденсационного гигрометра (рисунок 1). С помощью него можно определить абсолютную влажность воздуха по точке росы.
В его основе — небольшая металлическая коробка 1. Ее передняя стенка 2 окружена кольцом 3. Поверхности этих элементов хорошо отполированы. Между ними помещена теплоизолирующая прокладка 4. К самой коробке присоединена резиновая груша 5. Внутрь коробки вставлен термометр 6.
Заполним коробку, например, эфиром. Вы уже знаете, что эта жидкость достаточно быстро испаряется. Начнём продувать воздух через коробку с помощью груши. Так мы ускорим испарение эфира, коробка быстро охладится. Вскоре на полированной поверхности появятся капельки росы.
Отметим температуру, которая наблюдается в данный момент. Так мы определили точку росы. Именно в этот момент пар стал насыщенным.
Далее, используя специальные таблицы, можно определить абсолютную влажность воздуха.
Вид обычного лабораторного гигрометра представлен на рисунке 2.
Волосной гигрометр
Из названия этого прибора можно догадаться, что где-то в его устройстве присутствует волос. И, действительно, действие волосного гигрометра (рисунок 3) основано на одном интересном свойстве человеческого волоса. Дело в том, что при увеличении относительной влажности воздуха волос удлиняется.
На шкале этого прибора уже отмечены величины относительной влажности воздуха. При увеличении относительной влажности волос удлиняется, а при уменьшении — укорачивается. При этом стрелка двигается вдоль шкалы, указывая на величину относительной влажности воздуха.
Психрометр
Психрометр (от латинского психрос — холодный, метрио — измерять) представлен на рисунке 4.
Этот прибор состоит из двух термометров. Конец одного из них обмотан тканью и опущен в воду. Вода испаряется, термометр охлаждается. Термометры будут показывать разные значения.
Испарение проходит менее интенсивно при большой относительной влажности, и более интенсивно при малой относительной влажности. Чтобы оценить ее, нужно зафиксировать разность температур на термометрах. Для них также существуют специальные таблицы, из которых можно узнать величину относительной влажности воздуха.
Влажность в окружающем мире
Влажность воздуха важна как в природе, так и в быту человека. Изначально, наше самочувствие часто зависит от этого показателя. Ведь интенсивность испарения влаги с нашего кожного покрова определяется влажностью воздуха. Низкая влажность может приводить к пересыханию слизистых оболочек, проблемам с кожей и волосами, а очень высокая — к ухудшению общего физического состояния.
Влажность воздуха влияет на теплообмен многих организмов с окружающей средой, на жизнь животных и растений. Когда люди выращивают растения в теплицах или оранжереях, им необходимо знать и контролировать влажность воздуха. Таким образом поддерживается нужный режим для их роста и жизнедеятельности.
Значение влажности воздуха играет большую роль в метеорологи для прогнозов погоды. При работе различной техники важно учитывать влажность — при высоких показателях быстрее возникает коррозия. При хранении важных произведений искусств и книг также следят за влажностью.
Статья подготовлена ведущим инженером-проектировщиком ООО «Легенда» Шубиным В.С.
+7 (812) 309-32-30, info@legenda-spb.com
1. Общие сведения о воздухе
Воздух (атмосферный воздух) – это смесь газов, основными компонентами которого являются азот и кислород, которые в сумме составляют 98-99%. Воздух необходим для существования и жизнедеятельности всех живых организмов.
Федеральный закон N 96-ФЗ от 04.05.1999 «Об охране атмосферного воздуха» трактует понятие «воздуха» следующим образом – «Атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».
Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы).
В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не простое вещество.
Смесь газов, содержащихся в атмосферном воздухе, без водяного пара и аэрозолей называется сухим воздухом.
Химический состав сухого воздуха представлен в таблице 1:
Таблица 1
Газовый состав сухого воздуха относительно стабилен, однако от погоды, времени года, географического положения, высоты местности, природных (газообмен атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) и антропогенных факторов (загрязнение от транспорта, объектов энергетики и промышленных предприятий и т.п.) возможны небольшие изменения количества некоторых компонентов.
При расчетах инженерных систем зданий и сооружений атмосферный воздух рассматривается как смесь сухого воздуха и водяных паров. В технической термодинамике смесь сухого и водяного пара называется влажным воздухом.
Основными физическими параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха являются:
- Температура;
- Барометрическое давление;
- Парциальное давление сухого воздуха и водяного пара;
- Влагосодержание;
- Относительная влажность;
- Плотность;
- Удельная энтальпия.
Температура воздуха – это физическое свойство воздуха, характеризующее его степень нагрева или охлаждения, определяемая с помощью термометров.
Барометрическое давление определяется высотой над уровнем моря. Значения барометрического давления для различных населенных пунктов приведены в таблице 3.1 СП 131.13330.2018 «Строительная климатология». Для зданий высотой до 100 метров, расположенных на относительно небольшой высоте на уровнем моря, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно принять барометрическое давление Рб равным 101325 Па.
Величина барометрического давления равна сумме парциального давления сухого воздуха (Рс) и парциального давления водяного пара (Рп).
Рб = Рс + Рп
Парциальное давление Р (Па) – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.
Парциальное давление сухого воздуха зависит от температуры воздуха, а парциальное давление водяного пара – от температуры воздуха и содержания влаги в нем.
Влагосодержание d (кг) – это величина, характеризующая отношение массы водяного пара во влажном воздухе Мп к массе сухого воздуха Мс в определенном объеме V.
d= Мп / Мc
Плотность влажного воздуха ρ (кг/м3) — это величина, характеризующая отношение суммы массы сухого воздуха Мс и массы водяного пара во влажном воздухе Мп к объему V.
ρ = (Мс + Мп) / V
Плотность влажного воздуха ρп, в диапазоне наиболее часто используемом для систем вентиляции и кондиционирования — от минус 400С до плюс 500С, отличается от плотности сухого воздуха ρс незначительно, на величину не более 5 %. Поэтому, с достаточной для инженерных расчетов степенью точности, можно принять ρ примерно равным ρс.
ρ ≈ ρс
Удельная энтальпия влажного воздуха I (Дж/кг) – это количество теплоты, содержащейся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Удельная энтальпия влажного воздуха вычисляется по формуле:
I= cct+ (r+cпt)d
где:
t – Температура воздуха (С0);
d – Влагосодержание воздуха (кг / кг);
сс – Теплоемкость сухого воздуха;
сп – Теплоемкость водяного пара;
r – Удельная теплота парообразования воды.
2. Физические свойства влажного воздуха
2.1. Влажность воздуха
Влажность воздуха — это мера содержания влаги (водяного пара) в воздухе. Чем больше водяного пара в объеме воздуха, тем больше его влажность. При низкой влажности, мера водяного пара в воздухе снижена, и воздух становится сухим. Влажность воздуха на улице и в помещении меняется в зависимости от погодных условий, процессов жизнедеятельности людей, работы технического оборудования, системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
Степень сухости и влажности воздуха, находятся в прямой зависимости от того, насколько водяной пар близок к насыщению, иными словами к 100-процентной влажности (т.е. такое состояние воздуха, при котором он полностью насыщен влагой). Если охладить влажный воздух, можно довести находящуюся в нем влагу до такого состояния, что она начинает конденсироваться, т.е. превращаться в воду. Данное явление можно наблюдать при охлаждении воздуха в обычном кондиционере, при охлаждении комнатного воздуха, в кондиционере начинает образовываться конденсат. В природе данное явление наблюдается при возникновении росы ранним утром, после конденсации охладившегося ночного воздуха.
Сам процесс конденсации охлаждаемого воздуха проявляется в появлении капель сконденсировавшейся жидкости – росы. Температура, при которой происходит перенасыщение водяного пара, находящегося в воздухе, т.е. возникновение конденсата, называется точкой росы.
2.2. Виды влажности, абсолютная и относительная влажность
Для того чтобы охарактеризовать влажность, употребляют такие термины, как абсолютная и относительная влажность воздуха.
Абсолютнаявлажность воздуха — это весовое количество водяных паров, содержащихся в 1м3 воздуха. В состоянии насыщения (при максимально возможном содержании влаги) абсолютную влажность воздуха называют влагоёмкостью.
Несмотря на то, что абсолютную влажность можно представить, тем не менее это не дает полного понятия о влажности или сухости воздуха. Для того, чтобы определить степень сухости или влажности воздуха, введено такое понятие, как относительная влажность.
Относительная влажность дает другое абстрактное понятие содержания влаги в воздухе. Данная величина показывает долю в процентном отношении, на сколько насыщен воздух водяным паром.
Другими словами, относительная влажность – это отношение массы влаги, находящейся в воздухе в данный момент, к максимальной массе влаге, которая вообще может находиться в этом объеме воздуха при данной температуре.
Когда говорят о влажности воздуха, например, в сводках метеопрогноза, всегда имеют в виду именно относительную влажность воздуха, выраженную в процентах.
2.3. Давление водяного пара.
Основной характеристикой влажности является парциальное давление водяного пара (давление водяного пара) и относительная влажность.
Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью, иными словами давлением. Давление водяного пара зависит от его плотности (массе в единице объема, кг/м3) и его абсолютной температуре. Оно выражается в тех же единицах, что и давление воздуха и всех его составных частей. В настоящее время в научной литературе обязательным является употребление Международной системы единиц (СИ), в которой основной единицей давления служит паскаль (1 Па = 1 Н/м2; 1 гПа= 102 Па).
Давление водяного пара в состоянии насыщения (т.е. при 100% относительной влажности, когда воздух при определенной температуре, полностью насыщен водяным паром) называют давлением насыщенного водяного пара. В данном состоянии водяной пар имеет максимальное давление, которое возможно при данной температуре. Например, при температуре 0°С давление насыщенного пара составляет 6,1 гПа. Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре (т.е. достижения его максимального содержания влаги), можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения.
Таким образом, имея два основных параметра:
e – фактическое давление водяного пара, находящегося в воздухе;
Е — давление насыщенного пара (с максимально возможным содержанием влаги) при данной температуре воздуха,
можно определить относительную влажность воздуха, выраженную в %, по следующей формуле:
Для примера, при температуре 20°С, давление пара, при его полном насыщении воздуха составляет 23,4 гПа. Если, в данный момент времени, фактическое давление водяного пара в воздухе будет составлять, например, 11,7 гПа, то относительная влажность воздуха составит:
Следует также заметить, что чем теплее воздух, тем больше водяного пара может он содержать в состоянии насыщения и, стало быть, тем больше может быть в нем давление водяного пара.
2.4. Влагосодержание
Влагосодержание (d) – это масса водяного пара (выраженная в граммах), приходящаяся на один килограмм сухого воздуха. Единица измеряется — г/кг.
где, mв.п. – масса водяного пара, растворенного в воздухе, г
mc.в. – масса сухого воздуха, кг.
2.5. I-d диаграмма влажного воздуха
I-d диаграмма влажного воздуха – это основной инструмент для отражения различных процессов изменения состояния воздуха – его нагрева, охлаждения, осушения и увлажнения.
Данная диаграмма значительно упрощает понимание различных процессов, происходящих с воздухом в системах вентиляции и кондиционирования, и позволяет легко снять данные о состоянии воздуха при любых его параметрах.
Данная диаграмма графически показывает полную взаимосвязь между основных параметрами состояния воздуха:
- температурой
- относительной влажностью
- влагосодержанием
- энтальпией
- парциальным давлением паров воды.
Следует отметить, что все значения указаны при определенном значении состояния воздуха при атмосферном давлении – 101,3 кПа.
На I-d диаграмме (рисунок 1) представлены следующие линии:
- криволинейные – линии относительной влажности (от 5 до 100%).
- прямые — постоянной энтальпии, температуры, парциального давления и влагосодержания.
Определить состояние воздуха в любой точке диаграммы возможно, зная любые два его параметра.
Рисунок 1
Графическое изображение любого процесса изменения состояния воздуха значительно облегчается с помощью дополнительно нанесенной круговой диаграммы. На данной диаграмме под разными углами показаны значения тепло-влажностного отношения ε.
Данная величина определяется наклоном луча процесса и рассчитывается как:
ε = Q / W
где, Q – подведенное (отведенное) тепло или теплопоступления, кДж/ч;
W — влага, поглощаемая или выделяемая из воздуха, (кг/ч).
Значение тепло-влажностного отношения ε делит всю диаграмму на четыре основных зоны, по которым можно определить процесс изменения состояния воздуха:
- ε = +∞ … 0 (нагрев + увлажнение).
- ε = 0 … -∞ (охлаждение + увлажнение).
- ε = -∞ … 0 (охлаждение + осушение).
- ε = 0 … +∞ (нагрев + осушение).
Ниже приведены основные процессы увлажнения воздуха – адиабатический (рисунок 2) и изотермический (рисунок 3)
Рисунок 2 Рисунок 3
2.6. Изменение влажности в зависимости от температуры
Относительная влажность воздуха зависит от его температуры. В процессе изменения температуры воздуха (при его нагреве или охлаждении) относительная влажность воздуха также изменяется. Данный процесс обусловлен изменением парциального давления водяных паров, содержащихся в воздухе.
Например, в процессе нагрева воздуха парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения ими воздуха начинает увеличиваться, это обусловлено расширением газа (воздуха) при его нагреве. Учитывая данный факт, при увеличении температуры воздуха его относительная влажность начинает снижаться.
В процессе охлаждения воздуха происходит обратный процесс. Парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения снижается, при охлаждении воздух сжимается, что вызывает увеличение его относительной влажности.
Следует отметить, что в процессе нагрева воздуха его влагосодержание остается неизменным, так как масса водяного пара в единице сухого воздуха не изменяется (процесс нагрева проходит без подвода или отвода влаги).
Процесс охлаждения воздуха проходит несколько сложнее. Здесь ключевым фактором является возможность конденсации водяных паров, растворенных во влажном воздухе. Например, при охлаждении воздуха без конденсации водяных паров, его влагосодержание остается неизменным (так как процесс проходит без подвода или отвода влаги — как и процесс нагрева воздуха). В случае охлаждения воздуха с конденсацией водяных паров, падает как его температура, так и влагосодержание (часть влаги конденсируется из воздуха), воздуха осушается, при этом, как было сказано выше, его относительная влажность увеличивается.
Ниже на рисунке 4, на I-d диаграммах состояния влажного воздуха, для отображения сути процесса изменения относительной влажности и влагосодержания воздуха при изменении его воздуха, представлены следующие процессы:
- нагрев воздуха
- охлаждение воздуха без конденсации водяных паров
- охлаждение воздуха с конденсацией водяных паров.
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
26 мая 2020, 09:40
ЛЕГЕНДА
Статьи
0
0
0