Влажность воздуха и способы ее определения | 8 класс | Физика

Что такое влажность воздуха

Существуют несколько единиц измерения относительной влажности воздуха. 1. Абсолютная влажность – это количество воды в единице объёма воздуха, А(г/м3). 2. Для определения второй единицы измерения нужно внимательно посмотреть на рисунок, отображающий движение молекул воды в закрытом сосуде, залитом до определённого уровня водой.

Через некоторое время в этом сосуде два процесса: испарения и конденсации молекул воды выровняются и мы получим насыщенный водяной пар, который создаёт давление на стенки сосуда равное давлению насыщенного водяного пара, Ps(Ра). В воздухе всегда присутствуют молекулы воды, но их концентрация ниже, чем над водной поверхностью.

Они так же, как и другие молекулы воздуха создают давление. Это давление, создаваемое именно молекулами воды, называется парциальным давлением водяного пара, P(Па). Отношение парциального давления водяного пара к насыщенному давлению водяного пара, выраженное в процентах называется относительной влажностью воздуха:

3. Из второй единицы измерения следует третья. Если в замкнутом объёме с определённой влажностью уменьшать температуру, то будет увеличиваться относительная влажность воздуха. При определённой температуре относительная влажность станет равной 100 %. Эта температура называется температурой точки росы.

Для отрицательных температур существует своя точка росы – точка инея. Само определение подсказывает один из способов определения влажности воздуха в некотором объёме. Нужно медленно охлаждать какой-то предмет, контролируя его температуру. Температура, при которой на предмете возникнет водяная плёнка сконденсировавшихся молекул воды, будет равна температуре точки росы в данном объёме.

Ниже приведены выражения для расчёта давления насыщенного водяного пара над поверхностью воды Psw и льда Psi в зависимости от температуры:

Значения давления насыщенного пара над поверхностью воды (Рsw) и льда (Рsi)

Таблица 1.  

Значения давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды (Рsw) 

Таблица 2.  

Относительная влажность при отрицательной температуре Ψi

поправочный коэффициент k = psw / psi. 

Значения поправочного коэффициента «k» при различной температуре:

Таблица 3.  

Значения абсолютной влажности газа с относительной влажностью по воде 100% при различной температуре

Таблица 4.

Правила измерения относительной влажности

Определившись с нормой влажности в помещении, разберёмся с методами её измерения. Самый простой и точный способ – использовать гигрометр. В магазинах этот прибор представлен широким разнообразием. И отличаются они друг от друга методом измерения и принципом работы. А именно:

• электрические;
• конденсационные;
• волосные;
• химические и прочие.

Для дома нет смысла приобретать сложный и дорогой гигрометр. Достаточно приобрести и повесить где-нибудь на стене самый простой прибор, пусть даже с погрешностью в пределах 3-5%. Такие изделия обычно совмещают или с часами, или с термометром, хотя есть конструкции со всеми приборами в целом. Самое главное – провести установку подальше от очагов влаги и тепла.

Самый простой тип гигрометра – психрометрический, он же психрометр. По сути, это два термометра на одной плане, которые измеряют температуру воздуха в помещениях. Один из них носит название сухой, второй увлажнённый. Последний получил своё название за счёт процесса постоянного увлажнения при помощи дистиллированной воды.

Суть измерения заключается в разности показателей двух термометров. Тут же рядом на планке нанесена таблица, где против каждой разницы значений температур стоит показатель влажности. Отметим, что современные электронные разновидности в своей конструкции имеют дисплей.

Есть и другие вариант измерения, которые можно отнести к категории «народных». Здесь самый простой – использовать стакан с водой. Его предварительно охлаждают до 5 °C, к примеру, можно поставить на несколько часов в холодильник. А затем выставляют в комнату подальше от нагревательных приборов.

Если внешние поверхности стакана быстро высохли, скажем, за несколько минут, то влажность в комнате сильно снижена. Если на них осталась испарина, и она не исчезает, в помещении нормальная влажность. Если по стенкам стакана потекли водяные струйки, то вероятнее всего влажность в комнате высокая.

Практика контроля влажности в жилом помещении

Давайте уже поговорим о практике. На рисунке представлен тот набор гигрометров, что есть у меня:

Это метеостанции (№№ 1 и 2), их выносные датчики (№№ 5 и 6), а также термогигрометры (т.е. измеряют и температуру, и влажность).

Все устройства на фото (кроме одного) – родные “китайцы”. Соответственно, можно предположить, что их заявленные показатели могут сильно отличаться от реальных. Обычно их точность объявляется на уровне 5%.

Устройство №4 – термогигрометр TechnoLine WS 7005 якобы немецкого производства, который я купил в Испании. Он до сих пор широко продается на Амазоне, его точность в диапазоне влажности 35-80% составляет 5%, за пределами указанного интервала – 7%. Обратите внимание, это важно: точность зависит от абсолютного значения, что обусловлено характеристиками датчика:

Видно, что зависимость сопротивления пленки хлорида лития от влажности, во-первых, нелинейная. А во-вторых, показана она начиная от 20% относительной влажности. Это связано с тем, что за пределами диапазона зависимость уже сильно нелинейная, использование показаний сопротивлений сопряжено с большими ошибками.

И, наконец, в-третьих, вид кривой для каждого экземпляра датчика будет немного отличаться, что приведет к разнице в показаниях в одинаковых условиях. Именно в низком качестве изготовления причина большого разброса значений даже для датчиков из одной партии.

Большинство недорогих гигрометров просто неспособны отобразить значения ниже 20%, а показывают что угодно, кроме точного значения. Из показанных на рисунке измерять значения ниже 20% (для нас актуален прежде всего нижний порог) могут только №3 и №7 (они будут подробнее описаны ниже).

Чтобы не ошибиться, важно реалистично оценивать условия измерения – например, утром в комнате, в которой всю ночь было открыто окно, а на улице -10оС, влажность составляет 13-15%. Если прибор показывает иное – он с высокой вероятностью врет.

Специализированный гигрометр GM1362 (№3) имеет точность плюс минус 3%, а измерение температуры в нем – это дополнительная опция. Его я принял за самый точный из имеющихся прибор, относительно которого я “поверяю” остальные. О поверке см. публикацию.

Отмечу только, что термин “поверка” является официальным. Поверкой оборудования в норме занимаются сертифицированные центры, имеющие оборудование высокой точности. В продаже есть уже официально поверенные гигрометры, но стоят они десятки тысяч рублей.

Итак, метеостанция №1 показывает влажность 33%, ее датчик (№6) – 28%. Вторая (№2) тоже 33%, ее датчик (№5) – 29%. Можно предположить, что датчики влажности в самой метеостанции выше классом (т.к. их показания совпадают с “поверочным” гигрометром), чем датчики в выносных блоках.

“Немецкий” прибор влажность занижает (что подтверждают и отзывы пользователей на немецком и других сайтах Амазон). На разницу в 1% между №3 и №7 можно не обращать внимания, поскольку величина в пределах погрешности измерений.

Отмечу, что к метеостанциям повыше классом могут продаваться сменные датчики более высокого качества. По умолчанию же внешние блоки измеряют влажность в интервале 20-90%.

Еще одна важная вещь. Выше я упоминал, что скорость аспирации термометров психрометра должна быть в оговоренных пределах. Это верно и для датчиков гигрометров. Очевидно, что количество и расположение вентиляционных отверстий сильно влияет на показания.

По-хорошему, гигрометр должен располагаться в токе воздуха (на “сквознячке”), либо обдуваться вентилятором на небольших оборотах. Именно по указанной причине в специализированном гигрометре (№3) датчик вынесен на щуп, а отверстия достаточно большие и расположены вокруг него (а не с одной стороны, как в недорогих приборах).

Наконец, о частоте опроса датчика. Пользователи №4 как раз указывают, что она крайне невелика, порядка одного раза за несколько минут. Для сравнения, скорость обновления показаний №3 составляет 3 секунды. Забавно наблюдать, как после выдоха на датчик его показания растут (воздух из легких насыщен парами воды) пару измерений, а затем плавно снижаются.

Сказанное можно проиллюстрировать снимком устройств через некоторый промежуток времени:

Здесь интересно, что разница между показаниями устройств №4 и 6 – и №3 и №7 больше, чем на первом снимке. Это иллюстрирует соображения о том, что датчики должны быть правильно расположены (обдуваться воздухом) и о том, что кривые отклика датчиков различаются.

В следующих разделах я кратко остановлюсь на особенностях современных моделей метеостанций и термогигрометров, которые я могу рекомендовать по собственному опыту.

Термогигрометр Xiaomi MiaoMiaoCe E-Ink

“Фишками” прибора являются:

Использование дисплея на электронных чернилах (как в ридерах электронных книг) позволило добиться отличных углов обзора и читаемости показаний даже в сумерках. Он очень симпатично сделан и, что важнее, точно показывает и температуру, и влажность. Использован датчик влажности швейцарской разработки (изготовлен, конечно, в Китае), погрешность измерений 3%.
Есть модели, которые могут передавать значения по протоколу Bluetooth на смартфон.

Метеостанция VL2810

Достоинства станции:

Метеостанция на порядок лучше предыдущей модели, которой я пользовался. В комплекте 1, 2 или 3 внешних датчика. Отмечу, что выносные блоки выполнены в незащищенном исполнении, поэтому ставить их напрямую на улицу не стоит, лучше на лоджию и пр.

Все датчики (давления, температуры, влажности) можно калибровать – т.е. вносить систематическую поправку, чтобы показания совпадали с эталонным устройством.

Датчик влажности центрального блока достаточно высокого качества, диапазон 10-99%. Точность производителем не указана. Автоматически связывается с внешними блоками и устойчиво держит связь.

Яркость экрана невелика, а углы обзора очень небольшие, что можно рассматривать как недостаток. Мне важнее, что ночью он не светит в глаза, не мешает спать. При этом в сумерках и темноте видно отлично.

Найти имя производителя весьма непросто даже в сети. Полагаю, это связано с тем, что станция ну очень похожа на изделия известной фирмы La Crosse. Скорее всего, их производят, т.с., “параллельно”.

Гигрометр Outest GM1362

Достоинства:

Прибор недорогой, экран с подсветкой, питание от “Кроны”, должно хватить надолго (есть автоматическое отключение). Из недостатков могу отметить серую рамку на корпусе, она не позволяет поставить гигрометр на стол, только положить. Сзади есть штативное гнездо с резьбой.

В инструкции, вложенной в упаковку, указан диапазон 0-100% (указанный выше диапазон лично мне представляется более реалистичным), а точность уточняется по интервалам значений относительной влажности: 0-20% – 4.5%; 20-80% – 3%; 80-100% – 4.5%. Причина уже пояснялась выше, наличие данной информации указывает на достаточно профессиональный подход изготовителя.

Приобретать этот прибор для использования в квартире особого смысла нет. Он может быть удобен в загородном доме и других локациях, где необходимо быстро измерить влажность в различных местах.

Теория

Напомню, что вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии (речь о жилых помещениях с температурой 15-30оС при нормальном – 720-770 мм.рт.ст. – атмосферном давлении). Жидкости характеризуются летучестью паров – при данной температуре некое количество молекул жидкости переходит в газообразное состояние.

Как долго и как много молекул будут покидать жидкую фазу? Это зависит от уже имеющегося их количества в воздухе (газовой фазе). Здесь прямая аналогия с конкуренцией на рынке. Если рынок пустой и доходный, туда “ломятся” множество производителей. Но чем их больше, тем выше конкуренция и ниже доход.

В результате на рынке устанавливается некое равновесие. Тоже самое происходит и с воздухом. Молекулы воды будут переходить в газовую фазу либо до исчерпания жидкости, либо до состояния равновесия (при данной температуре и давлении). Равновесие в данном случае выражается в достижении равенства между количеством молекул из жидкой фазы вылетающих с числом молекул, туда возвращающихся.

Если мы говорим об океане, то молекулы воды очевидным образом кончиться не могут, воды много. Но в помещении обычно нет открытого водного зеркала, откуда происходит испарение (за исключением нашей любимой чашки с чаем или кофе). Вода содержится в гигроскопичных материалах, находящихся в помещении (дерево, ткань и пр.). Т.е. равновесие в данном помещении будет достигнуто не из-за насыщения воздуха парами воды до максимального значения, но потому, что вода закончилась.

Важно понимать, что количество молекул воды в воздухе зависит от температуры. При росте температуры на 10оС количество вырастает приблизительно в два раза. С ее снижением равновесное содержание также быстро уменьшается. Когда температура становится отрицательной, воды в воздухе очень мало.

Все мы знаем, что это высыхание ведет, например, к тому, что двери из гигроскопичного материала (дерева, МДФ и пр.) “рассыхаются”. Точно также увеличиваются щели в полах из паркета или паркетной доски. Естественно, материал невозможно в домашних условиях высушить до нулевого содержания воды, ее количество опять-таки будет равновесным и определяется как свойствами материала, так и условиями окружающей среды.

Далее, человек на 95% состоит из воды. И она тоже испаряется в условиях, когда количество молекул в единице объема воздуха далеко от равновесного. Собственно, тело человека и является основным источником влаги в такой ситуации. В итоге мы тоже высыхаем, причем в первую очередь обезвоживаются слизистые, поскольку они в норме влажные (т.е. содержат свободную воду). К чему это ведет, мы тоже хорошо знаем. Горло и язык “пересыхают”, появляются неприятные ощущения в носоглотке.

Поскольку – в отличии от атмосферного давления – мы в силах регулировать влажность в жилых помещениях, не комфортные условиях можно изменить. В данной статье речь идет о ручном регулировании, темы “умного дома” не затрагиваются.

Но сначала нужно определиться, как мы будем измерять влажность, по какому критерию мы будет ее регулировать. Различают 2 базовых показателя. Первый совсем простой по смыслу, называется “абсолютная влажность”. Очевидным образом, это содержание воды в граммах на единицу объема или веса воздуха.

Второй чуть сложнее. Если жидкой воды в помещении достаточно, то – как я уже сказал выше – она будет испаряться до достижения равновесного (насыщенного) значения. Например, 5 г/м3. В квартирах, как уже говорилось, свободной жидкой воды, как правило, нет.

Следовательно, содержание воды в воздухе равновесно-насыщенного значения не достигнет, вода раньше закончится. Допустим, это значение 2.5 г/м3. Тогда можно определить, сколько это в процентах от равновесного значения, т.е. (2.5/5х100)=50%.

Еще немного простейшей физики. Ниже в таблице показано содержание воды в граммах на кубометр в зависимости от температуры:

Как видно из таблицы:

60 % отн. влажности воздуха при 30 гр. – это 30,4 * 60 % = 18,24 гр/м3 абсолютной влажности

60 % отн. влажности воздуха при 20 гр. – это 17,3 * 60 % = 10,38 гр/м3

60 % отн. влажности воздуха при -10 гр. – это 2,1 * 60 % = 1,26 гр/м3

Заметьте, относительная влажность одинаковая, а абсолютная отличается в разы. Т.е. показания относительной влажности воздуха можно сравнивать при условии, что измерения делались при одинаковой температуре, измерения при разной температуре сравнивать не имеет смысла.

Эти данные позволяют также понять природу распространенного заблуждения о том, что нагреватели “сушат воздух”. Содержание воды в кубометре при работающем нагревателе не меняется. Меняется равновесное содержание. Например, сегодня утром в комнате было 15оС, влажность 51%.

Я включил нагреватель, через определенное время стало 22оС, а относительная влажность упала до 40%. Это произошло не из-за уменьшения количества воды в комнате, изменилась лишь величина RH, т.к. равновесное содержание воды при 22 градусах выше, чем при 15.

Естественно, существуют нормативные документы (ГОСТ, СНиП и пр.), в которых определено, какая влажность для человека комфортная и как оценивать значение влажности в помещениях разного типа. Приведу цитату:

“…СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», Приложение 5 на правах обязательного, холодный (зима) и переходный (весна и осень) период – оптимальная влажность 30-45%. Те же цифры приведены в СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям».

Нормальная влажность в жилых помещениях определена в СанПиН 2.1.2.1002-00. «Требования к жилым зданиям и помещениям». Нормальная влажность в помещении, где нет принудительной системы вентиляции, поддерживается за счет регулярных проветриваний. В соответствии со «СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», по величине влажности различают следующие режимы помещения: сухой (меньше 40%)

, нормальный (40÷50%), влажный (50÷60%) или мокрый (свыше 60%). Согласно ГОСТ 30494-2022 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», в жилых помещениях не допускается влажность воздуха более 60% (оптимальная величина влажности – не более 45%).”

Вот теперь можно поговорить о том, как влажность регулировать. Она же может быть как низкой (недостаточной), так и высокой (избыточной).

Вначале о наболевшем, о повышении влажности. Можно держать рыбок в аквариуме. Можно ставить на отопительные приборы банки с водой, подвешивать специальные трубки с водой (способ популярен в Европе), наконец, просто сушить белье на батарее. Если батареи горячие, эффективность такого способа достаточно велика.

Наконец, воду можно искусственно испарять с помощью разнообразных устройств. Они работают на различных принципах, я полагаю наиболее эффективными из доступных ультразвуковые увлажнители (УЗ). Главным показателем такого устройства является объем воды, испаряемой за единицу времени, обычно это миллилитры в час.

Мой домашний УЗ имеет значение 300 мл/ч, промышленные устройства – до 1800 мл/ч. Естественно, испарение в час почти двух литров воды в квартире – это перебор. Увлажнение можно совмещать с очисткой воздуха, но это за рамками данной публикации. Напомню, что в УЗ нужно использовать обессоленную или дистиллированную воду, иначе он быстро выйдет из строя.

Осенью в сырую погоду при выключенном отоплении влажность становится избыточной, в квартире промозгло и неуютно. Улучшить ситуацию можно с помощью кондиционера, включенного на осушение.

И, наконец, о предмете этого материала – об измерении относительной влажности в бытовых условиях.

Психрометры работают по принципу сравнения значений температуры сухого и влажного термометра. Влажность определяют затем по таблицам, которые размещены на корпусе прибора, например, популярный ВИТ-1:

Обратите внимание на надпись под таблицами – это требование к скорости воздуха, обдувающего термометры (скорость аспирации). Если воздух неподвижен, то прибор будет показывать неверную влажность, поскольку не происходит отвода паров воды и, соответственно, охлаждение мокрого термометра.

Если скорость слишком высокая, то вода во влажном термометре будет испаряться слишком быстро, его температура будет ниже, соответственно, разница показаний сухого и влажного будет больше, т.е. значение влажности будет заниженным (см. таблицу на рисунке выше).

Наиболее распространены сейчас гигрометры. Они бывают механическими и цифровыми. Механические гигрометры часто изготавливают в дизайнерском исполнении и используют для украшения интерьера:

Они могут работать на различных принципах, один из простейших – это использование двух спиралей, в зависимости от температуры воздуха и влажности они либо растягиваются, либо сжимаются.

Очевидно, что точность измерения бытовых недорогих механических гигрометров весьма невысока, обычно она выражается величиной т.н. относительной погрешности. Я оцениваю ее в 10% и более. Т.е. если прибор показывает 50%, то реальная влажность может отличаться на (50*0.1)

Для более точных измерений используют компактные цифровые гигрометры. О них и пойдет разговор в следующем разделе. Они используют датчики влажности различных типов. В дешевых это подложка из электроизоляционного материала с пленкой из хлорида лития.

Удельная теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Удельная теплота плавления

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

$Q=λm$

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

$-Q=λm$