Что такое относительная влажность и в каких единицах она измеряется

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 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.

Влажность воздуха — что это за параметр в физике

Показатель величины влажности важен не только для человека и растений, но и для протекания технологических процессов. Вода проводит электрический ток и высокое содержание водяного пара в воздухе может повлиять на работу некоторых электроприборов (при очень высокой влажности электроприборы могут перегореть).

Слишком высокие или слишком низкие показатели влажности воздуха плохо влияют и на здоровье человека (кожу, волосы, глаза, слизистую носа и т. д.). Также знание уровня влажности помогает оценить погодные условия.

Влажность — это показатель содержания воды в физических телах или средах. Влажность воздуха характеризует содержание водяных паров в атмосфере Земли — одна из наиболее значимых характеристик погоды и климата. Влажность воздуха имеет две количественные характеристики: абсолютная и относительная влажность.

Виды влажности и способы ее определения

Абсолютная влажность или влагосодержание — количество воды, отнесенное к единице массы сухой части материала. Такой вид определения влажности широко используется в лабораториях для оценивания влажности грунта, древесины и т. д. Данную величину измеряют, удалив всю содержавшуюся в предмете исследования воду, и взвешивают предмет до и после.

Относительная влажность

Относительная влажность характеризует содержание влаги по сравнению с максимальным количеством влаги, которое может содержаться в данном веществе в состоянии термодинамического равновесия. Таким образом, относительная влажность представляет собой отношение фактически имеющегося в воздухе количества водяного пара к максимально возможному его количеству при данной температуре.

Относительную влажность измеряют в процентах и используют для обозначения символ φ.

От чего зависит влажность воздуха

Существует несколько общих факторов, влияющих на влажность воздуха:

В помещениях на влажность воздуха прямое влияние оказывает система отопления. В холодные месяцы система отепления высушивает воздух. Из-за этого начинаются проблемы с кожей, волосами, обострение аллергии и т. д. При слишком сухом или слишком влажном воздухе используют специальные увлажнители или осушители воздуха.

Постоянные показатели влажности необходимо поддерживать не только в квартире. В некоторых учреждениях показатель влажности имеет огромное значение.

Для примера: в библиотеках, картинных галереях, складах влажность воздуха может повлиять на качество книг, картин или других предметов (при слишком высокой влажности может появиться грибок или плесень), в промышленных теплицах наоборот показатель влажности должен быть выше обычного, чтобы исключить засыхание растений.

Какие приборы используют для измерения

Для постоянного измерения влажности воздуха в лабораториях, на производстве или дома используют специальные приборы.

Гигрометр

Гигрометр — это измерительный прибор, предназначенный для определения влажности воздуха и других газов. Существует несколько типов гигрометров, самые распространенные: весовые, волосные, конденсационные и электронные гигрометры.

Весовые гигрометры, принцип действия:

Основан на измерении количества влаги, поглощенного из известного объема исследуемого воздуха. Этот гигрометр состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом (плавленым хлоридом кальция или перхлоратом магния), способным практически полностью поглощать влагу из воздуха.

Через эту систему насосом прокачивают известное количество исследуемого воздуха, влажность которого нужно определить. Измерение массы системы получают путем взвешивания до и после прокачки воздуха и определяют абсолютную влажность.

Волосные гигрометры, принцип действия:

Действие волосного гигрометра основано на способности обезжиренного человеческого волоса изменять длину при изменении влажности воздуха, это позволяет измерять относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянут на упругую металлическую рамку. При изменении длины волоса стрелка перемещается по шкале, проградуированной в единицах относительной влажности.

Конденсационные гигрометры, принцип действия:

Данный гигрометр определяет точку росы по температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент появления или исчезновения на нем следов капелек воды. Внутрь емкости прибора наливается легкоиспаряющаяся жидкость (эфир), вставляется термометр и с помощью груши через емкость прокачивается воздух.

В результате циркуляции воздуха начинается интенсивное испарение эфира, температура емкости из-за этого понижается и на зеркале выступает роса (капельки пара). В момент появления на зеркале росы с помощью термометра замеряется температура, эта температура является точкой росы.

К такому прибору в составе прилагается индивидуальная таблица для определения влажности воздуха. Весовой и конденсационный гигрометры имеют схожий внешний вид.

Электронные гигрометры

Подразделяются по принципам измерения:

Психрометр

В психрометре используются два термометра, закрепленные на общей шкале. Один из термометров должен быть всегда влажным, для этого его обматывают батистовой тканью, которая погружена в резервуар с водой на тыльной стороне прибора.

Вода с ткани испаряется, что приводит к охлаждению термометра. Процесс длится до тех пор, пока пар вблизи влажной ткани не достигнет насыщения и термометр не покажет температуру точки росы. Влажный термометр показывает температуру меньше либо равную реальной температуре окружающей среды. Второй термометр остается сухим и показывает реальную температуру.

На корпусе прибора часто изображена психрометрическая таблица. С помощью этой таблицы, по разности температур между сухим и влажным термометрами, можно определить относительную влажность воздуха.

Если дома не имеется аппаратов для измерения влажности, то можно измерить ее с помощью следующего метода. Вычислить количественных данных вы не сможете, но можно определить качественно влажность воздуха в помещении.

Для этого необходимо взять наполненный водой стеклянный стакан. Затем поставить его в холодильник и охладить до температуры 3 – 5 градусов. После охлаждения перенесите стакан в комнату, где хотите проверить влажность, но поставьте его подальше от приборов отопления.

Наружные стенки стакана запотеют. Если через 5 – 10 минут наружные стенки сосуда высохнут, то воздух слишком сухой. Если конденсат на стенках стакана останется, не испарится и не потечет, то влажность в пределах нормы. Если же влага на стенках стакана начнет стекать, то это значит, что в комнате избыточная влажность воздуха.

Таблица характеристик влажности

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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:

Ниже приведены основные процессы увлажнения воздуха – адиабатический (рисунок 2) и изотермический (рисунок 3)

Рисунок 2                                                                              Рисунок 3

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:

26 мая 2020, 09:40
  
ЛЕГЕНДА

  
0