§ 10. Влажность воздуха
В ежедневных сводках погоды наряду со значениями температуры воздуха и атмосферного давления, как правило, называют значение относительной влажности воздуха. Почему влажность воздуха влияет на жизнедеятельность человека?
Влажность воздуха. Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным воздухом. Основными количественными характеристиками такого воздуха являются его абсолютная и относительная влажности.
Абсолютная влажность ρп воздуха — физическая величина, равная плотности водяного пара, находящегося в воздухе при данных условиях.
Обычно абсолютную влажность выражают в граммах на кубический метр .
Поскольку атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов (азот, кислород, углекислый газ и др.) и водяного пара, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений компонентов сухого воздуха и водяного пара. Используя уравнение Клапейрона–Менделеева, плотность пара можно определить через его парциальное давление :
,
(10.1)
где — молярная масса воды;
— температура воздуха.
Зная только плотность пара, нельзя судить о степени влажности воздуха. Ведь при одном и том же значении плотности пар может быть как близок к насыщению, так и далёк от него. Оказывается, чем ниже температура, тем ближе пар к насыщению. А ведь именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят вторую характеристику влажности воздуха — относительную влажность, которая показывает, насколько водяной пар при данной температуре далёк от насыщения.
Относительная влажность φ воздуха — физическая величина, равная отношению абсолютной влажности ρп к плотности ρн насыщенного водяного пара при данной температуре.
Обычно относительную влажность выражают в процентах:
(10.2)
Чем ниже относительная влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется вода. При относительной влажности воздуха водяной пар становится насыщенным и оказывается в динамическом равновесии со своей жидкостью. В этом случае процессы испарения и конденсации идут с одинаковой скоростью.
Поскольку плотность пара и его парциальное давление связаны соотношением (10.1), то относительную влажность можно определить как отношение парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, к давлению
насыщенного пара при той же температуре:
(10.3)
Таким образом, относительная влажность зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры воздуха.
Докажите, что относительная влажность воздуха резко уменьшается при возрастании температуры.
Подсказка. Воспользуйтесь формулами и
.
Значения давления и плотности
насыщенного водяного пара при различных температурах приведены в таблице 1.
| –20 | 0,103 | 0,85 | 8 | 1,06 | 8,3 |
| –18 | 0,125 | 1,05 | 10 | 1,228 | 9,4 |
| –16 | 0,151 | 1,27 | 12 | 1,402 | 10,7 |
| –14 | 0,181 | 1,51 | 14 | 1,598 | 12,1 |
| –12 | 0,217 | 1,80 | 16 | 1,817 | 13,6 |
| –10 | 0,260 | 2,14 | 18 | 2,063 | 15,4 |
| –8 | 0,337 | 2,54 | 20 | 2,338 | 17,3 |
| –6 | 0,368 | 2,99 | 22 | 2,643 | 19,4 |
| –4 | 0,437 | 3,51 | 24 | 2,984 | 21,8 |
| –2 | 0,517 | 4,13 | 26 | 3,361 | 24,4 |
| 0 | 0,611 | 4,84 | 28 | 3,780 | 27,2 |
| 2 | 0,705 | 5,60 | 30 | 4,242 | 30,3 |
| 4 | 0,813 | 6,40 | 40 | 7,37 | 51,2 |
| 6 | 0,934 | 7,3 | 50 | 12,3 | 83,0 |
1. Водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным при значении температуры t1 = 6,0 °С. Какой будет его относительная влажность, если температура воздуха поднимется до t2 = 10 °С; t3 = 16 °С; t4 = 24 °С; t5 = 30 °С; t6 = 50 °С? Сделайте вывод, как изменяется относительная влажность воздуха при увеличении температуры.
2. Как правило, мы чувствуем себя комфортно, когда парциальное давление водяного пара при комнатной температуре (t = 20 °С) составляет примерно рп = 1,1 кПа. Какова при этом относительная влажность воздуха?
Когда парциальное давление водяного пара в воздухе равно давлению насыщенного пара при той же температуре, говорят, что воздух насыщен водяными парами. Если же плотность водяного пара превышает плотность насыщенного пара, то пар в воздухе считают пересыщенным. Такое состояние является неустойчивым и заканчивается конденсацией.
Температура воздуха . Используя таблицу «Давление и плотность насыщенного водяного пара», укажите, каким будет водяной пар, находящийся в воздухе (насыщенным, ненасыщенным, пересыщенным), если его: а) давление достигло значения
; б) плотность
.
Давление насыщенного пара уменьшается при понижении температуры (см. табл. 1). Из формулы (10.3) следует, что при одном и том же давлении водяного пара относительная влажность тем выше, чем ниже температура, и при некотором её значении может стать равной 100 %.
Температуру, при которой водяной пар в результате изобарного охлаждения становится насыщенным, называют точкой росы.
При понижении температуры ниже точки росы происходит конденсация водяного пара. Например, днём температура воздуха была , а плотность водяного пара
. Ночью температура понизилась до
. При этой температуре плотность насыщенного водяного пара
. Значит, избыток пара сконденсировался и выпал в виде росы. Этот процесс является причиной образования тумана (в воздухе всегда есть пылинки, которые являются центрами конденсации), облаков и дождя. В технике конденсация обычно осуществляется на охлаждаемых поверхностях.
Если относительная влажность меньше 100 %, то точка росы всегда ниже температуры воздуха и тем ниже, чем меньше относительная влажность.
Какой должна быть точка росы, чтобы на деревьях появился иней?