Часто с экранов телевизоров или из динамиков радиоприёмников мы слышим про давление и влажность воздуха. Но немногие знают, от чего зависят их показатели и как те или иные их значения сказываются на организме человека.
Для определения насыщенности воздуха водяными парами используются специальные приборы: психрометры и гидрометры. Психрометр Августа представляет собой планку с двумя термометрами: влажным и сухим.
Первый обмотан смоченной в воде тканью, которая при испарении охлаждает его корпус. Опираясь на показания этих термометров, по таблицам определяют относительную влажность воздуха. Существует множество различных гидрометров, их работа может быть основана на весовом, плёночном, электрическом или волосном, а также ряде других принципов действия. В последние годы обрели популярность интегральные датчики измерения. Для того чтобы проверить точность используются гидростаты.
Абсолютная влажность
Абсолютная влажность - количество влаги (в граммах), содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в г/м3. Но в связи с тем, что при определенной температуре воздуха в воздухе может максимально содержаться только определенное количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается) ввели понятие Относительной влажности.
Относи́тельная вла́жность
Эквивалентное определение - отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре . Измеряется в процентах и определяется по формуле:
где: - относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха); - парциальное давление паров воды в смеси; - равновесное давление насыщенного пара .
Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры (см. график). 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 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).
Оценка относительной влажности
Относительная влажность водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T ) и температура точки росы (T d ). Когда T и T d выражены в градусах Цельсия , тогда истинно выражение:
Где парциальное давление водного пара в смеси оценено e p :
И влажное давление пара воды в смеси при температуре оценено e s :
Перенасыщенный водяной пар
В отсутствие центров конденсации при снижении температуры возможно образование пересыщенного состояния, т. е. 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 перенасыщенного 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, т.к. 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. Для поверки приборов для измерения влажностей применяют специальные установки - гигростаты.
Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.
Абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара находящегося в воздухе, или его давлением
Более ясное представление о степени влажности воздуха дает относительная влажность В. Относительную влажность воздуха измеряют числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара нужной для насыщения воздуха при имеющейся у него температуре:
Относительную влажность можно определить и по давлению паров, так как практически давление пара пропорционально его плотности.. Поэтому В можно определить и так: относительная влажность измеряется числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность от давления водяного пара насыщающего воздух при имеющейся у него температуре:
Таким образом, относительная влажность определяется не только абсолютной влажностью, но и температурой воздуха. При вычислении относительной влажности значения или надо брать из таблиц (см. табл. 9.1).
Выясним, как изменение температуры воздуха может отражаться на его влажности. Пусть абсолютная влажность воздуха равна при Так как плотность насыщающего водяного пара при 22 °С равна (табл. 9.1), то относительная влажность В составляет около 50%.
Допустим теперь, что температура этого воздуха упадет до 10°С, а плотность останется прежней. Тогда относительная влажность воздуха будет 100%, т. е. воздух окажется насыщенным водяными парами. Если же температура понизится до 6 °С (например, ночью), то из каждого кубического метра воздуха сконденсируется кг водяного пара (выпадет роса).
Таблица 9.1. Давление и плотность насыщающих водяных паров при различных температурах
Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы. В приведенном выше примере точка росы равна Отметим, что при известной точке росы абсолютную влажность воздуха можно найти по табл. 9.1, так как она равна плотности насыщающего пара при точке росы.
Абсолютная и относительная влажность воздуха.
Влажность воздуха характеризуется следующими показателями:
а) абсолютная влажность представляет собой массу водяных паров, содержащуюся в 1м 3 влажного воздуха. Абсолютная влажность обычно обозначается символом ω и измеряется в г/м 3 . Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения носит название влагоемкости ω н. Величина влагоемкости является функцией температуры воздуха, что видно из табл. 1.
Таблица 1
б) относительная влажность , правильное определение вытекает из закона Дальтона о парциальных давлениях. Согласно этому закону давление атмосферного воздуха представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха p св и водяного пара p п
p б = p св + p п. (2)
При данной температуре парциальное давление водяных паров не может превысить определенного предела, известного под названием «давление насыщения» p н. Парциальное давление присутствующих в воздухе паров всегда меньше или равно давлению насыщения, т. е.
p п / p н = φ ≤ 1. (3)
Величина φ (в процентах), выражающая отношение парциального давления паров, находящихся во влажном воздухе, к давлению их в состоянии насыщения при той же температуре, называется относительной влажностью воздуха;
В соответствии с этим определением влагосодержание влажного воздуха представляет собой отношение массы пара к массе сухой части воздух
Теплоемкость влажного воздуха, кДж/(кг·К) определяется по формуле
,
где d влагосодержание, с с – теплоемкость сухого воздух, с с =1,005кдЖ/кг К
Энтальпию влажного воздуха принято относить к 1 кг сухого воздуха. За нулевую точку принимается энтальпия сухого воздуха (при d = 0) с температурой 0 0 С. Поэтому энтальпия воздуха может иметь положительные и отрицательные значения. Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпий сухого воздуха и пара,
Энтальпия воздуха, связанная с изменением температуры воздуха, характеризует изменение явной теплоты. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой воздуху передается скрытая теплота.
Энтальпия воздуха при этом возрастает за счет изменения энтальпии влажной части воздуха. Температура воздуха не изменяется.
ί – d
диаграмма влажного воздуха.
Для облегчения расчетов, связанных с изменением состояния влажного воздуха, профессором Л. К. Рамзиным разработана i-d диаграмма влажного воздуха, на которой зависимости, являющиеся следствием основных законов газовой динамики, изображены графически.
Диаграмма дает возможность наглядно изображать процессы изменения состояния влажного воздуха, графически решать практические задачи по расчету систем вентиляции и кондиционирования воздуха, сушильных процессов, испарителей, воздухоохладителей и др. установок, существенно облегчая и ускоряя их. Быстрота выполнения расчетов достигается за счет некоторого, вполне допустимого для техники кондиционирования, снижения точности.
i-d диаграмма строится для постоянного барометрического давления. При пользовании i-d диаграммой необходимо знать расчетное Р б для данной местности, которое нормируется СНиП. На территории России расчетные давления Р б находятся в пределах 685-760 мм рт. ст. и нормируются с интервалом в 15 мм рт. ст. В соответствии с этим i-d диаграммы разработаны для Р б = 685, 700, 715, 730, 745 и 760 мм рт. ст.
i-d диаграмма строится в косоугольной системе координат. На оси абсцисс откладываются значения влагосодержания воздуха при постоянном барометрическом давлении, на оси ординат – значения энтальпии. Линии постоянных значений энтальпии i = const идут наклонно под углом 135°. Для сокращения размеров ось d на графике не вычерчивается, а вместо нее проводится вспомогательная линия под прямым углом к ординате, и на ней с абсциссы проектируется шкала (масштаб) значений влагосодержаний d . На полученной сетке, состоящей из линий d = const и i = const, строятся изотермы и кривые φ = const.
В технике кондиционирования воздуха отрицательное значение энтальпии принимается условно, точно так же, как и отрицательные температуры. Если измерять температуру по абсолютной шкале Кельвина, то нулевое значение энтальпии соответствует температуре абсолютного нуля.
Изотермы является прямыми линиями, причем изотерма t = 0 проходит через начало координат (в i-d диаграммах температура измеряется по шкале Цельсия).
При применении диаграммы необходимо иметь в виду, что изотермы между собой не параллельны; особенно это сказывается при высоких значениях температур. Если концы изотерм, построенных для φ = 100%, соединить плавной кривой, то получается линия относительной влажности φ = 100%, или линия насыщения.
Линия насыщения φ = 100% делит i-d диаграмму на две части. Выше и левее этой линии расположены точки, характеризующие содержание в воздухе водяного пара в перегретом состоянии. Точки, расположенные ниже и правее линии φ = 100% характеризуют состояние паровоздушной смеси, находящейся в состоянии пересыщения. При повышении барометрического давления линия φ = 100% смещается вверх, а при понижении-вниз.
Абсолютная и относительная влажность воздуха
Абсолютная и относительная влажность воздуха. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги в виде паров. Влажность воздуха в помещениях с естественной вентиляцией обуславливается выделением влаги людьми и растениями в процессе дыхания, испарением бытовой влаги при приготовлении пищи, стирке и сушке белья, а также технологической влагой (в производственных помещениях) и влажностью ограждающих конструкций (в первый год эксплуатации зданий).
Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью f, г/м3. Однако для расчетов диффузии пара через ограждающие конструкции количество водяного пара должно оцениваться в единицах давления, что позволяет вычислить движущую силу переноса влаги. С этой целью в строительной теплофизике используется парциальное давление водяного пара е, называемое упругостью водяного пара и выражаемое в Паскалях.
Парциальное давление увеличивается по мере повышения абсолютной влажности воздуха. Однако оно, как и абсолютная влажность, не может возрастать беспредельно. При определенной температуре и барометрическом давлении воздуха имеет место предельное значение абсолютной влажности воздуха F, г/м3, соответствующее полному насыщению воздуха водяным паром, сверх которого оно не может повышаться. Этой абсолютной влажности воздуха соответствует максимальная упругость водяного пара
Е, Па, называемая также давлением насыщенного водяного пара. С повышением температуры воздуха Е и F увеличиваются. Следовательно, как е, так и f не дают представления о степени насыщенности воздуха влагой, если не указана температура.
Чтобы выразить степень насыщения воздуха влагой, вводят понятие относительной влажности воздуха j, %, которая представляет собой отношение парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальной упругости водяного пара Е, соответствующее температуре среды j=(e/E)100%.
Относительная влажность воздуха имеет большое значение при оценке его как в гигиеническом, так и в техническом отношении, j определяет интенсивность испарения влаги с увлажненных поверхностей и в частности с поверхности человеческого тела. Нормальной для человека считается относительная влажность воздуха 30–60%. j определяет процесс сорбции, т. е. процесс поглощения влаги капиллярно-пористыми материалами, находящимися в воздушной среде. Наконец, от j зависит процесс конденсации влаги в воздушной среде (образование туманов) и на поверхности ограждающих конструкций.
Если повышать температуру воздуха с заданным влагосодержанием, то относительная влажность будет понижаться, поскольку парциальное давление водяного пара е остается постоянным, а максимальная упругость Е увеличивается с повышением температуры.
При понижении температуры воздуха с заданным влагосодержанием относительная влажность повышается, поскольку при постоянном парциальном давлении водяного пара е максимальная упругость Е уменьшается с понижением температуры. В процессе понижения температуры воздуха при некотором ее значении максимальная упругость водяного пара Е оказывается равной парциальному давлению водяного пара е. Тогда относительная влажность воздуха j будет равна 100% и наступит состояние полного насыщения охлажденного воздуха водяным паром. Эта температура называется температурой точки росы для данной влажности воздуха.