07.20.2024 / Влажность воздуха

Газ, находящийся над жидкостью и состоящий из молекул этой жидкости, называется паром этой жидкости. Процесс перехода молекул из жидкости в пар называется испарением или парообразованием, а обратный переход молекул из пара в жидкость называется конденсацией.

В закрытом сосуде происходят следующие процессы:

1. Испарение: это процесс, в ходе которого молекулы жидкости переходят в газовую фазу. С течением времени скорость испарения постепенно уменьшается. Формула для скорости испарения может быть представлена следующим образом: $v_{\text{исп}} = k \cdot A \cdot \sqrt{\frac{{2 \cdot \pi \cdot m}}{{RT}}}$

2. Конденсация: это обратный процесс испарения, при котором газовые молекулы переходят обратно в жидкую фазу. С течением времени скорость конденсации постепенно возрастает. Формула для скорости конденсации может быть представлена следующим образом: $v_{\text{конд}} = k' \cdot A \cdot \sqrt{\frac{{2 \cdot \pi \cdot m}}{{RT}}}$

При достижении динамического равновесия в сосуде количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, становится равным количеству молекул, возвращающихся в жидкость.

Свойства насыщенного пара:

1. Идеальность пара: Насыщенный пар можно рассматривать как идеальный газ, поэтому к нему применимо уравнение Клапейрона - Менделеева:

   $$PV = nRT$$

   где:

   • ( P ) - давление пара,

   • ( V ) - объем, занимаемый паром,

   • ( n ) - количество вещества (в молях) пара,

   • ( R ) - универсальная газовая постоянная,

   • ( T ) - абсолютная температура.

2. Постоянство давления: При изотермическом сжатии и расширении насыщенного пара его давление остается неизменным. Это свойство можно описать как следующее:

   $$P_1V_1 = P_2V_2$$

   где:

   • ( P_1 ) и ( P_2 ) - давления пара до и после изменения объема соответственно,

   • ( V_1 ) и ( V_2 ) - объемы пара до и после изменения соответственно.

Изотерма идеального газа представляет собой график, на котором давление пара ( P ) зависит от объема ( V ), при постоянной температуре ( T ).

Изотермическое сжатие и расширение - это процессы изменения объема газа при постоянной температуре. Когда газ сжимается или расширяется изотермически, молекулы газа изменяют своё расположение, но их средняя кинетическая энергия остаётся неизменной.

При изотермическом сжатии газа происходит уменьшение его объема при постоянной температуре. Это приводит к тому, что молекулы газа сближаются друг с другом, уменьшая расстояние между собой. При этом давление газа увеличивается, в соответствии с уравнением состояния идеального газа:

$pV = nRT$

где:

• ( p ) - давление газа,

• ( V ) - объем газа,

• ( $n$ ) - количество вещества (в молях),

• ( $R$) - универсальная газовая постоянная,

• ($T$ ) - температура в Кельвинах.

При изотермическом расширении газа его объем увеличивается при постоянной температуре. Это происходит в результате роста расстояния между молекулами газа, так как они заполняют большее пространство. При этом давление газа уменьшается, так как силы, действующие на стенки сосуда, распределяются по большей площади.

Молекулы жидкости и газа постоянно переходят друг в друга. В процессе изотермического сжатия газа, когда объем уменьшается, часть молекул газа конденсируется в жидкость, уменьшая количество молекул газа и увеличивая массу жидкости. Это приводит к увеличению плотности жидкости. В то же время, при изотермическом расширении газа, когда объем увеличивается, молекулы жидкости испаряются, увеличивая количество молекул газа и уменьшая массу жидкости.

В процессе изотермического изменения объема газа с сохранением его температуры, происходит изменение давления газа, которое можно описать законом Бойля-Мариотта:

$p_1V_1 = p_2V_2$

где:

• $p_1$ и $p_2$ - начальное и конечное давление газа соответственно,

• $V_1$ и $V_2$ - начальный и конечный объем газа соответственно.

Ненасыщенный пар - это пар, давление и плотность которого ниже давления и плотности насыщенного пара. Обозначим плотность и давление насыщенного пара как $\rho_{\text{н}}$ и $P_{\text{н}}$ соответственно. Для ненасыщенного пара будем использовать обозначения $\rho_{\text{н}}$ и $P_{\text{н}}$. Таким образом, условие ненасыщенного пара записывается как $p \leq P_{\text{н}}$.

При охлаждении ненасыщенный пар достигает насыщения, становясь насыщенным паром. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. При таком превращении избыток водяных паров конденсируется в виде воды и выделяется в виде росы.

Вода занимает значительную часть поверхности Земли, составляя около 70,8% её общей площади. Живые организмы, в свою очередь, содержат значительное количество воды в своей структуре, от 50 до 99,7%. Можно сказать, что живые организмы представляют собой, по сути, одушевленную форму воды.

В атмосфере также присутствует водяной пар в виде капель, кристаллов снега и пара. Оценивается, что в атмосфере содержится примерно 13-15 тысяч кубических километров воды. Величина водяного пара в атмосфере составляет в среднем 1,24 x $10^{16}$ килограмм. Несмотря на то, что это количество менее 1% от общей массы атмосферы, его влияние на погоду, климат и общее состояние окружающей среды огромно.

Основным источником водяного пара в атмосфере является процесс испарения, который происходит с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений. Ежегодно с водных и сухопутных источников испаряется более 500 000 кубических километров воды, что приблизительно равно объему воды в Чёрном море.

В атмосфере водяной пар конденсируется под влиянием различных процессов, образуя облака, туман, осадки и росу. При этом выделяется теплота, равная той, которая была затрачена на испарение. Этот процесс играет важную роль в смягчении климатических условий в холодных районах.

Содержание водяных паров в воздухе измеряется как влажность воздуха. Один из способов измерения этой влажности - это абсолютная влажность, которая определяется как количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха, обычно в кубическом метре.

Абсолютная влажность, обозначаемая как $f$, вычисляется с использованием давления насыщенных водяных паров $p$ и относительной влажности воздуха $14$.

Формула для абсолютной влажности:

$$f = p \cdot 14$$

где $f$ - абсолютная влажность.

Влажность воздуха определяется содержанием водяных паров в воздухе. Она выражается через относительную влажность (φ), которая показывает, насколько близко содержание водяного пара к состоянию насыщения.

Относительная влажность (φ) определяется как отношение парциального давления водяного пара (P_H2O) к давлению насыщенного пара при данной температуре $P_H2O^sat$:

$φ = \frac{P_H2O}{P_H2O^sat} \times 100\%$

Где:

• $P_{H2O}$ - парциальное давление водяного пара,

• $P_{H2O}^{sat}$ - давление насыщенного пара при данной температуре.

Важность влажности воздуха для человека и методы её контроля

Понятие "микроклимат помещения" часто ассоциируется с установкой определённой температуры в помещении, комфортной для пребывания людей. Однако следует учитывать, что одним из ключевых элементов микроклимата является относительная влажность воздуха. При уровне относительной влажности около 50-55% и температуре около 20°С человек будет чувствовать себя комфортно. Отклонение от этого уровня, как в большую, так и в меньшую сторону, может негативно сказаться на здоровье, вызывая различные недомогания, утомляемость и снижение работоспособности.

Для предотвращения негативного влияния изменений в относительной влажности воздуха на человека необходимо использовать специализированное оборудование, предназначенное для регулирования влажности воздуха.

Вода охватывает примерно 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды, что подчёркивает их сильную зависимость от этого вещества. В атмосфере находится около 13-15 тысяч кубических километров воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Общая масса водяного пара составляет примерно 1,24 × 10^16 килограммов, что несмотря на свою незначительную долю (меньше 1% от общей массы атмосферы), оказывает значительное влияние на погоду, климат и самочувствие людей.

Основным источником водяного пара в атмосфере является испарение воды с поверхности океанов, морей, водоёмов, влажной почвы и растений. Ежегодно с водных и сухопутных источников испаряется более 500,000 кубических километров воды, что практически соответствует объему воды в Чёрном море.

В атмосфере под воздействием различных процессов водяной пар конденсируется, образуя облака, туман, осадки и росу. При конденсации выделяется количество теплоты, равное той, которая была затрачена на испарение. Этот процесс способствует смягчению климатических условий в холодных районах.

Виды влажности

1. Относительная влажность (RH)

Относительная влажность (RH) - это мера влажности воздуха, выраженная в процентах. Она определяет, насколько насыщен воздух водяными пара-ми относительно максимального уровня насыщения при данной температуре. RH имеет важное значение для комфорта человека и влияет на такие аспекты, как здоровье, а также на процессы окисления и коррозии.

2. Абсолютная влажность (AH)

Абсолютная влажность (AH) - это количество водяного пара в единице объема воздуха, выраженное в граммах на кубический метр. Этот показатель используется для измерения концентрации водяного пара в воздухе и часто применяется в климатических системах и для расчета воздушной влажности в процессе обработки материалов.

3. Точка росы (DP)

Точка росы (DP) - это температура, при которой воздух становится насыщенным водяным паром и начинает конденсироваться в виде росы или инея. Этот показатель полезен для определения верхнего предела влажности, который может допуститься в помещении, чтобы избежать конденсации и возможных проблем с плесенью и гниением.

4. Специфическая влажность

Специфическая влажность - это масса водяного пара на единицу массы воздуха в конкретном объеме. Обычно выражается в граммах на килограмм воздуха. Этот показатель широко используется в метеорологии для описания влажности атмосферы и прогнозирования погоды.

5. Потенциальная влажность

Потенциальная влажность - это максимальное количество водяного пара, которое воздух может содержать при данной температуре и давлении. Она зависит от температуры и является важным показателем в атмосферной физике и метеорологии.

6. Абсолютная влажность по объему

Абсолютная влажность по объему - это объем водяного пара на единицу объема воздуха, обычно выражаемый в кубических метрах. Этот показатель используется при расчете содержания влаги в воздухе для целей вентиляции и кондиционирования воздуха.

Психометр

Что это: Устройство для измерения психологических параметров у человека.

Как работает:

1. Подготовка устройства: Сенсоры и программное обеспечение готовятся к измерениям.

2. Измерение параметров: Человек проходит тест, данные о его поведении и ответах собираются устройством.

3. Анализ данных: Полученные данные анализируются для определения психологических характеристик.

4. Вывод результатов: Формируется отчет о характеристиках испытуемого, таких как IQ или уровень стресса.

Применение:

• Клиническая практика: Диагностика психических состояний.

• Образование и работа: Оценка способностей для учебы или работы.

• Исследования: Изучение психологических явлений и раз.

Волосной гигрометр

Волосной гигрометр - это устройство, использующееся для измерения относительной влажности воздуха. Он основан на изменении длины волоса в зависимости от влажности окружающей среды.

Принцип работы

1. Стрелка: Волосной гигрометр состоит из стрелки, которая соединена с натянутым волосом.

2. Волос: Натянутый волос меняет свою длину в зависимости от уровня влажности. При увеличении влажности воздуха длина волоса увеличивается, а при уменьшении - уменьшается.

3. Ролик: Ролик, к которому привязан волос, обеспечивает свободное движение и точность измерений.

Измерение влажности

Когда влажность воздуха изменяется, волос на гигрометре реагирует соответствующим образом, вызывая поворот стрелки. Чем больше влажность, тем больше удлинение волоса и больший угол поворота стрелки, и наоборот.

Формулы

Для описания зависимости между изменением длины волоса и относительной влажностью воздуха, можно использовать следующие формулы:

$$\text{Относительная влажность} = \frac{{\text{Изменение длины волоса}}}{{\text{Максимальная изменение длины волоса}}}$$

Где:

• Изменение длины волоса: Разница между исходной длиной волоса и его длиной при текущей влажности.

• Максимальное изменение длины волоса: Максимальная возможная разница в длине волоса, обусловленная изменением влажности воздуха.

Применение

Волосные гигрометры широко используются в различных областях, где контроль влажности важен, таких как:

• Климатические исследования.

• Производственные процессы, где важно поддерживать определенные условия окружающей среды.

• Контроль за условиями хранения, например, в музеях для защиты ценных экспонатов от влажности.

Конденсационный гигрометр

Конденсационный гигрометр — это прибор, используемый для измерения абсолютной влажности воздуха путем определения точки росы.

Принцип работы:

1. Внутри коробки наливается эфир.

2. С помощью груши производится продувание воздуха в коробке для быстрого испарения эфира.

3. Роса начинает конденсироваться на полированной стенке коробки при определенной температуре.

Компоненты гигрометра:

1. Металлическая коробочка.

2. Полированная стенка внутри коробки.

3. Полированное кольцо для наблюдения точки росы.

4. Теплоизолированная прокладка, чтобы предотвратить теплопотери.

5. Резиновая груша для продувания воздуха.

6. Термометр для измерения температуры внутри коробки.

Определение абсолютной влажности:

После образования росы на стенке коробки необходимо использовать таблицу плотности насыщенного водяного пара при соответствующей температуре, чтобы определить абсолютную влажность водяного пара.

Формула для определения абсолютной влажности водяного пара:

$\text{Абсолютная влажность} = \text{Плотность насыщенного водяного пара при данной температуре}$

Гигрометр является важным инструментом для контроля и поддержания оптимального уровня влажности в различных сферах, таких как сельское хозяйство, промышленность и комфорт в помещениях.

Увлажнение воздуха в помещении

Важно поддерживать оптимальную относительную влажность воздуха в помещениях, где пребывают люди. Рекомендуемый диапазон составляет 40-70%. Поддержание комфортной влажности играет ключевую роль в обеспечении хорошего самочувствия людей, находящихся в помещении.

Недостаточная влажность воздуха может привести к различным негативным последствиям. Она усложняет работу дыхательной системы, вызывает ощущение сухости и раздражения в горле, а также приводит к сухости кожи.

Более того, сухой воздух способствует накоплению статического электричества на поверхностях человека и предметах. Это может привести к неприятным ощущениям при соприкосновении с электрически заряженными объектами. Такие ситуации часто возникают в периоды низких температур: например, если после снятия шерстяной одежды человек касается металлического предмета, возникает электрический разряд, сопровождающийся неприятным ощущением тока. Важно отметить, что хотя сам ток небольшой и безопасный, его ощущение может быть довольно неприятным при регулярном повторении.

Поддержание оптимальной влажности в помещении имеет большое значение для обеспечения комфортных условий пребывания людей и предотвращения различных негативных последствий, связанных с недостаточной влажностью воздуха.

Традиционные увлажнители воздуха основаны на принципе "холодного" испарения. В их работе используется специальная губка, которая полностью пропитывается водой. Встроенный вентилятор засасывает сухой воздух из помещения и пропускает его через влажную губку, обеспечивая оптимальное увлажнение воздуха без необходимости в дополнительных устройствах контроля.

Эти увлажнители имеют ряд преимуществ, таких как низкая стоимость, доступность сменных фильтров и небольшое энергопотребление. Однако у них есть и недостатки, например, невозможность точного регулирования влажности в помещении (возможно только увеличение или уменьшение).

Паровые увлажнители, или увлажнители с горячим паром, работают по принципу "горячего" испарения. В их работе используется нагревательный элемент, который превращает воду в пар, который затем распыляется в помещении (аналогично паровому утюгу).

Для удаления влаги из воздуха в различных помещениях, таких как бассейны, аквапарки, прачечные, производственные залы, склады и подвалы, широко применяются осушители воздуха. Они функционируют на основе принципа конденсации влаги при контакте воздуха с холодной поверхностью. Сущность работы осушителя воздуха аналогична работе кондиционера: вентилятор направляет воздух из помещения на испаритель (радиатор с низкой температурой), где происходит охлаждение воздуха, за счет чего влага конденсируется и собирается в специальном поддоне. Затем осушенный воздух проходит через конденсатор (радиатор с повышенной температурой), где нагревается и возвращается обратно в помещение. Одним из ключевых параметров осушителя воздуха является его производительность, измеряемая в "литрах воды в сутки". Для бытовых и полупромышленных моделей она обычно колеблется от 12 до 300 литров в сутки в зависимости от условий температуры и влажности воздуха.

Туман - это метеорологическое явление, которое происходит, когда влажный воздух охлаждается до температуры, при которой водяные пары начинают конденсироваться в мелкие капельки воды. Он обычно формируется, когда теплый и влажный воздух контактирует с относительно холодной поверхностью, такой как земля или море. В результате происходит конденсация водяных паров, образуя облако, которое остается на поверхности. Таким образом, туман состоит из множества мельчайших водяных капелек, которые слишком мелки, чтобы их можно было различить невооруженным глазом, но достаточно многочисленны, чтобы они создавали мутное окружение.

Математически, процесс образования тумана можно описать используя уравнение для точки росы. Точка росы — это температура, при которой воздух становится насыщенным водяным паром при данном давлении. Если температура воздуха опускается ниже точки росы, то происходит конденсация водяного пара и образование тумана. Математически это можно выразить как:

$T < T_d$

Где:

• ( $T$ ) - температура воздуха

• ( $T_d$ ) - точка росы

Таким образом, если температура воздуха становится равной или ниже точки росы, происходит конденсация и образование тумана.

Иней образуется в результате процесса конденсации водяного пара из воздуха на поверхности предметов при охлаждении. Когда температура опускается ниже 0° C, избыток воды собирается на поверхности объектов и затвердевает в форме кристаллов льда.

Иней, известный также как "изморозь", имеет два основных вида: гранулированный и кристаллический. Гранулированный иней представляет собой замерзший туман, а кристаллический иней формируется из водяных паров воздуха, конденсирующихся на поверхности растений.

Математически процесс образования инея можно описать следующим образом:

• Пусть $T$ - температура воздуха, $T_{\text{пов}}$ - температура поверхности предмета.

• Если $T_{\text{пов}} < 0^\circ \text{C}$, то вода на поверхности замерзает.

• Если $T_{\text{пов}}$ ниже точки росы $T_{\text{росы}}$, то происходит конденсация водяного пара из воздуха на поверхности, образуя иней.

• Точка росы $T_{\text{росы}}$зависит от влажности воздуха и давления.

Таким образом, процесс образования инея является результатом совместного воздействия низкой температуры и наличия избытка водяного пара в воздухе.

Как образуется дождь?

Дождь образуется в результате конденсации водяного пара в атмосфере. Когда воздух насыщен водяным паром, он начинает конденсироваться на мелких частицах пыли или других аэрозолях, образуя капельки воды. Эти капельки постепенно объединяются друг с другом, увеличиваясь в размере.

Этот процесс называется коагуляцией. По мере объединения капель, они становятся всё больше и тяжелее. Когда они достигают достаточного размера, чтобы преодолеть силу воздушного сопротивления, они начинают падать на землю в виде дождевых капель.

Форма капель воды может варьироваться в зависимости от их размера и окружающих условий. Маленькие капли обычно имеют почти идеально круглую форму из-за силы поверхностного натяжения, которая заставляет их собираться в шар. Однако большие капли могут иметь более вытянутую форму из-за своего веса, который превышает силу поверхностного натяжения, необходимую для сохранения их формы.

Град формируется в результате прохождения дождевых капель через холодный воздушный слой, где они замерзают. Это приводит к образованию маленьких градинок. Падая, градинки могут встретить сильные восходящие воздушные потоки, которые поднимают их обратно в область образования дождевых капель. Здесь к градинке могут присоединиться новые капли, и при повторном прохождении через холодные слои вода обволакивает градинку и замерзает, увеличивая ее размер. Этот процесс поднятия и опускания градинки может повторяться несколько раз, пока градина не достигнет достаточного размера и веса для преодоления силы воздушных потоков и падения на землю. Таким образом, образуются градины диаметром от 8 до 10 сантиметров и весом до 0,5 кг.

Как формируются снежинки?

Зимой ветер переносит облака с более теплых океанов к суше, где температура ниже нуля градусов Цельсия. При такой температуре водяной пар конденсируется в мельчайшие кристаллы льда. Эти кристаллы, двигаясь через облака, сталкиваются и соединяются с другими кристаллами, образуя снежинки.

Этот процесс называется нуклеацией, где мельчайшие частицы воды служат зернами, вокруг которых образуется кристаллическая структура льда. Нуклеация играет важную роль в формировании снежинок, и физические параметры, такие как температура и влажность, оказывают влияние на их размер и форму.

Формально процесс нуклеации можно описать следующей формулой:

$\frac{{dN}}{{dt}} = B\cdot n^m$

где $\frac{{dN}}{{dt}}$ - скорость образования снежинок, ( B ) - коэффициент, зависящий от различных факторов, ( n ) - насыщенность воздуха водяным паром, ( m ) - параметр, зависящий от характеристик частиц.

Понимание этого процесса имеет важное значение для изучения климатических условий и предсказания погоды.

Туман, иней и роса отличаются от дождя и снега процессом образования и физическим состоянием воды. В отличие от дождя и снега, которые образуются из облаков, туман, иней и роса образуются непосредственно у поверхности Земли.

• Туман образуется, когда водяной пар конденсируется в капельки воды на близком расстоянии от земной поверхности. Это происходит при охлаждении воздуха до точки росы, когда относительная влажность достигает 100% и вода начинает конденсироваться. Туман является низким облаком, который приземляется на поверхность Земли, уменьшая видимость.

• Иней формируется, когда влажный воздух замерзает на поверхности предметов при низких температурах. Это происходит без промежуточной стадии жидкой воды, как при образовании росы. Влажный воздух прямо конденсируется в ледяные кристаллы на поверхности предметов, образуя иней.

• Роса образуется, когда водяной пар конденсируется в капли на поверхности объектов, таких как трава или листья растений. Это происходит, когда поверхность охлаждается до точки росы, при этом вода из воздуха конденсируется на поверхности в виде капель. Роса обычно образуется в тихую и ясную ночь.

Дождь и снег, в отличие от тумана, инея и росы, образуются в результате конденсации водяного пара в облаках и последующего осаждения. Дождь возникает при охлаждении и конденсации водяного пара в облаках до такой степени, что капли воды становятся настолько крупными, что они падают на землю. Снег образуется, когда водяной пар в облаках конденсируется в кристаллы льда, которые затем слипаются в снежные хлопья и падают на землю.