2.1.14 Влажность воздуха

В воздухе всегда может содержаться водяной пар. Такой воздух называют влажным. Чем больше водяного пара находится в данном объёме воздуха, тем больше влажность.

Воздух при этом удобно рассматривать как смесь газов: азот, кислород, водяной пар и другие компоненты. Водяной пар создаёт только часть общего давления воздуха, то есть имеет своё парциальное давление.

Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе.

Описывать это содержание можно двумя близкими способами:

1. Через парциальное давление водяного пара $p_{\text{пара}}$.
2. Через плотность водяного пара ${\rho }_{\text{пара}}$.

Важно

Давление $p_{\text{пара}}$ — это не полное атмосферное давление. Это только вклад водяного пара в давление смеси газов.

Абсолютная влажность

Абсолютная влажность обычно понимается как плотность водяного пара в воздухе:

где $m_{\text{пара}}$ — масса водяного пара в объёме воздуха $V$.

Единица СИ для плотности:

В быту и в таблицах для влажности часто используют ${\text{г/м}}^3$, потому что водяного пара в воздухе обычно немного.

Чем больше ${\rho }_{\text{пара}}$, тем больше водяного пара приходится на единицу объёма воздуха.

Максимально возможная влажность

При данной температуре воздух не может содержать сколь угодно много водяного пара. Если водяного пара становится слишком много, он достигает состояния насыщенного пара, а дальнейшее добавление пара приводит к конденсации.

Для каждой температуры $T$ существуют:

— давление насыщенного водяного пара при этой температуре;

— плотность насыщенного водяного пара при этой температуре.

Эти величины показывают максимальное содержание водяного пара, возможное при данной температуре.

Если фактический пар в воздухе ещё не насыщен, то:

Если водяной пар насыщен, то:

Относительная влажность

Абсолютная влажность показывает, сколько водяного пара есть в воздухе. Но для испарения, высыхания и конденсации важнее другое: насколько фактическое содержание пара близко к максимально возможному при той же температуре.

Относительная влажность $\phi$ — отношение фактического содержания водяного пара в воздухе к содержанию насыщенного водяного пара при той же температуре.

Через давление:

Через плотность:

Поэтому в одной строке:

Если относительную влажность выражают в процентах, то:

Например, $\phi =0,60$ и ${\phi }_{\%}=60\%$ означают одно и то же: водяного пара в воздухе 60% от того количества, которое соответствовало бы насыщению при данной температуре.

Важно

Относительная влажность 60% не означает, что 60% воздуха состоит из воды. Это означает, что фактическое содержание водяного пара составляет 60% от максимально возможного при той же температуре.

Как пользоваться формулой

Если известна относительная влажность и давление насыщенного пара при данной температуре, можно найти фактическое парциальное давление водяного пара:

Если влажность дана в процентах:

Аналогично для плотности:

или

Обратные формулы тоже важны:

Здесь $\phi$ нужно подставлять как число, а не как процент. Например, вместо $70\%$ в формулу подставляют $0,70$.

Как температура влияет на относительную влажность

Давление и плотность насыщенного водяного пара зависят от температуры:

При нагревании максимальное возможное содержание водяного пара увеличивается. Поэтому если фактическое количество водяного пара не меняется, то при повышении температуры относительная влажность уменьшается:

При охлаждении наоборот: $p_{\text{н}}(T)$ уменьшается, и тот же самый водяной пар становится ближе к насыщению.

Когда при охлаждении водяной пар становится насыщенным, относительная влажность достигает:

или

Дальнейшее охлаждение приводит к конденсации части водяного пара. Так появляется роса, туман или запотевание холодной поверхности.

Сухой и влажный воздух

Если относительная влажность мала, воздух называют сухим. В таком воздухе вода испаряется интенсивнее, потому что фактическое давление водяного пара сильно меньше давления насыщенного пара:

Если относительная влажность близка к 100%, воздух почти насыщен водяным паром. Испарение идёт медленнее, а при небольшом охлаждении может начаться конденсация.

Измерение влажности

Влажность измеряют гигрометрами и психрометрами. Психрометр использует два термометра: сухой и влажный. Резервуар влажного термометра обёрнут мокрой тканью.

Если воздух сухой, вода с ткани испаряется интенсивно, и влажный термометр охлаждается сильнее. Если воздух почти насыщен водяным паром, испарение слабое, поэтому показания сухого и влажного термометров ближе друг к другу.

По разности показаний термометров и температуре воздуха находят относительную влажность по психрометрической таблице.

Коротко

• Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе.
• Водяной пар в воздухе имеет парциальное давление $p_{\text{пара}}$ и плотность ${\rho }_{\text{пара}}$.
• При данной температуре максимальные значения задаются насыщенным паром: $p_{\text{н}}(T)$ и ${\rho }_{\text{н}}(T)$.
• Относительная влажность: $\phi =\frac{p_{\text{пара}}(T)}{p_{\text{н}}(T)}=\frac{{\rho }_{\text{пара}}(T)}{{\rho }_{\text{н}}(T)}$.
• Если влажность дана в процентах, отношение умножают на $100\%$.
• При нагревании без добавления пара относительная влажность уменьшается; при охлаждении увеличивается.
• При $\phi =100\%$ водяной пар насыщен, а дальнейшее охлаждение приводит к конденсации.