Абсолютная влажность при разных температурах. Абсолютная и относительная влажность
Психрометрическая таблица, температура и влажность воздуха, атмосферное давление
Подготовил Е.Цимеринов
Температура и влажность воздуха. Атмосферное давление.
Количество водяного пара, находящегося в воздухе, называется влажностью воздуха. Для характеристики влажности употребляются следующие величины:
1. Абсолютная влажность.
2. Относительная влажность.
Количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха называется абсолютной влажностью и измеряется или в весовых единицах (граммах), или выражается упругостью пара в миллиметрах (или миллибарах) ртутного столба. Относительная влажность представляет собой отношение упругости водяного пара, насыщающего пространство, к максимально возможной упругости водяного пара при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах. Для определения влажности воздуха метеорологи пользуются психрометром и волосяным гигрометром. Психрометр служит для измерения температуры и влажности воздуха. Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар правого термометра обернут тканью. Левый термометр (сухой) служит для измерения температуры воздуха. Отсчет по правому (смоченному) термометру в соединении с отсчетами по сухому термометру служат для вычисления абсолютной и относительной влажности воздуха. Лоскуток ткани, охватывающий шарик термометра, должен быть всегда чистым. Если он загрязнился, его необходимо заменить новым. Менять его следует, возможно, чаще: при постоянной работе не реже, чем раз в две недели. Вблизи прибора не должно быть никаких посторонних предметов, которые, имея температуру, отличную от температуры воздуха, могут повлиять на показания прибора. Прибор следует устанавливать в тени.
Порядок наблюдений по психрометру:
1. За 5 минут до срочного часа смачивают ткань на термометре. Для этого берут дистиллированную воду. За неимением таковой можно пользоваться чистой снеговой водой или использовать дождевую воду, предварительно пропущенную через фильтровальную бумагу или вату.
2. Через 4 минуты производят отсчет сухого и смоченного термометров психрометра.
Наблюдения по психрометру при температуре воздуха около нуля имеют следующие особенности:
1. Ткань в этом случае смачивают за 30 минут до наступления срока наблюдения.
2. После отсчета термометров определяется состояние ткани – «лед» или «вода». Для этой цели неотточенным концом карандаша или тонкой деревянной палочкой осторожно касаются лоскутка ткани на смоченном термометре и в зависимости от того, мягкая или твердая ткань, отмечают «в» или «л».
Волосяной гигрометр. Волосяной гигрометр предназначен для измерения относительной влажности воздуха. Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса менять свою длину в зависимости от изменения относительной влажности окружающего воздуха. Основное назначение волосяного гигрометра – измерять влажность в морозное время, когда по психрометру влажность не определяется. Но так как отсчет по гигрометру требуют поправок, получаемых из сравнения с психрометром, то для вывода этих поправок наблюдения по гигрометру ведут на протяжении всего года. Если при отсчете окажется, что конец стрелки вышел за сотое деление, то нужно оценить на глаз, на каком делении оказалась бы стрелка, если бы шкала была продолжена на 110. Считая, что расстояние от 100 до 110 равно имеющемуся на шкале расстоянию от 90 до 100 и записать этот «экстраполированный» отсчет с вопросительным знаком (?). Температура воздуха отсчитывается по сухому термометру психрометра.
Атмосферное давление воздуха.
Атмосфера подчиняется закону силы тяжести и оказывает давление на поверхность земли, т.е. на всякий предмет, находящийся на земле или в атмосфере, а так же и на массы воздуха. Это давление атмосферы или давление воздуха. На уровне моря атмосферное давление в среднем равно давлению ртутного столба высотой в 760 мм. Давлению в 1 мм. рт. ст. (миллиметр ртутного столба) равно 1,333 мб. (миллибар), следовательно, 1 мб. составляет около 0,75 мм. рт. ст.
Барометр анероид
служит для измерения давления воздуха. В циферблат анероида вмонтирован термометр для отсчета температуры прибора.
1. Для наблюдений следует отсчитать показание термометра.
2. Затем устранить влияние трения в передаточном механизме на положение стрелки, слегка постукивая пальцем по стеклу анероида.
3. Отсчитать положение стрелки анероида "на глаз".
При отсчете показаний анероида необходимо во избежание ошибки от так называемого «параллакса» держать глаз в плоскости перпендикулярной к циферблату и проходящей через ось стрелки. Полученное давление воздуха должно быть приведено к одному уровню - уровню моря. Для этой операции необходимо к отсчету барометра, исправленного всеми поправками, прибавить еще вес столба воздуха. Высота этого столба равна высоте пункта наблюдения над уровнем моря.
Относительная влажность
Относительная влажность определяется отношением (выраженным в процентах) давления водяных паров, находящихся в воздухе, к давлению паров, насыщающих воздух при той же температуре. На практике в большинстве случаев относительная влажность определяется отношением веса водяного пара в единице объема воздуха (абсолютная влажность) к весу насыщенного водяного пара в том же объеме воздуха и при той же температуре.
Весовой гигрометр
В справочной таблице дано количество воды в граммах, содержащихся в 1 м 3 воздуха при насыщении, если общее давление равно 760 мм Hg.
|
Температура, °С |
||||||||||
Аспирационный гигрометр (психрометр)
В метеорологии применяется простое выражение
P w -P=АН (t-t w).
Где t w 0 C обозначает температуру влажного термометра, Р (мм) – давление водяных паров в воздухе, Р w – давление паров, насыщающих воздух при температуре t w , H (мм) – барометрическое давление и А – постоянная. Таким образом, относительная влажность воздуха равна 100 Р/Р s , где Р s обозначает давление насыщенных паров при температуре t, отсчитанной по сухому термометру. Величина А, которая зависит от скорости воздуха около влажного термометра, равна 0,00066 для аспирационного психрометра Ассманна и А=0,00080 для прибора Стевенсона, применяемого в метеорологической службе.
Таблица значения относительной влажности (%) при измерениях с психрометром
Приводимые справочные таблицы относятся к приборам с полной (свободной) вентиляцией. Более полные таблицы для областей температур от – 30 до 55°С и от 30 до 350°С F.
1) Переохлажденная вода (но не лед) на влажном термометре.
|
Температура по сухому термометру, °С |
Разность показаний по сухому и влажному термометрам (психрометрическая разность), °С |
||||||||||
Таблица значения относительной влажности - Влажный термометр, покрытый льдом
|
Температура по сухому термометру, °С |
Разность показаний по сухому и влажному термометрам (психрометрическая разность), °С |
|||||||||
1) Относительная влажность здесь определяется как отношение абсолютной влажности, рассчитанной на единицу объема, к количеству водяного пара в воздухе, которое находится в равновесии с водой (но не со льдом) при температуре сухого термометра.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Абсолютная влажность воздуха - это количество водяного пара в единице объема воздуха:
В системе СИ единица измерения абсолютной влажности
Влажность воздуха является очень важным параметром окружающей среды. Известно, что большую часть поверхности Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой непрерывно происходит испарение. В различных климатических зонах интенсивность этого процесса различна. Она зависит от среднесуточной температуры, наличия ветров и др. факторов. Таким образом, в определенных местах процесс парообразования воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых - наоборот.
Человеческий организм активно реагирует на изменения влажности воздуха. Например, процесс потоотделения тесно взаимосвязан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации, и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции; при низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.
Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды.
Абсолютная влажность воздуха дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, однако эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Человек ощущает не массовое количество воды в воздухе, а ее содержание относительно максимально возможного значения. Для описания реакции живых организмов на изменения содержания водяного пара в воздухе вводят понятие относительной влажности.
Относительная влажность воздуха
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная влажность воздуха - это физическая величина, показывающая насколько водяной пар в воздухе далек от насыщения:
где плотность водяного пара в воздухе (абсолютная влажность); плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Точка росы
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Точка росы - это температура, при которой водяной пар становится насыщенным.
Зная температуру точки росы, можно получить представление об относительной влажности воздуха. Если температура точки росы близка к температуре окружающего воздуха, значит влажность высокая (при совпадении температур образуется туман). И напротив, если значения точки росы и температуры воздуха в момент измерения сильно расходятся, то можно говорить о низком содержании водяных паров в атмосфере.
Когда в теплое помещение с мороза заносят какую-либо вещь, воздух над ней охлаждается, насыщается водяными парами, и на вещи конденсируются капельки воды. В дальнейшем вещь прогревается до температуры воздуха помещения, и весь конденсат испаряется.
Другой, не менее хорошо знакомый пример - запотевание стекол в доме. У многих зимой на окнах появляется конденсат. На это явление влияют два фактора -- влажность и температура. Если установлен нормальный стеклопакет и правильно проведено утепление, а конденсат есть, -- значит, в помещении высокая влажность; возможно плохая вентиляция или вытяжка.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | На фотографии представлены два термометра, используемые для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы. Что покажет влажный термометр, если при неизменной температуре воздуха относительная влажность увеличится на 7%?
|
| Решение | Запишем показания сухого и влажного термометра, представленных на фотографии:
Определим разность показаний термометров: По психрометрической таблице определим относительную влажность воздуха: Если влажность воздуха увеличится на 7%, она станет равной 55%. По психрометрической таблице определяем показания сухого термометра и разности показаний сухого и влажного термометров: Таким образом, влажный термометр покажет: |
| Ответ | Показания влажного термометра . |
ПРИМЕР 2
| Задание | Относительная влажность вечером при температуре равна 50%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до ? |
| Решение | Относительная влажность:
|
Здесь и далее мы будем говорить о влажности воздуха и газов . В отличие от температуры, с определением и физическим пониманием влажности проблем нет. Это количество воды, содержащееся в единице объёма воздуха. Но мы столкнулись в своей работе с тем, что люди, занимающиеся профессионально измерениями не чувствуют этот физический параметр и соответственно не могут провести элементарные расчёты и объяснить многие явления связанные с влажностью. Связано это во многом с тем, что в отличие от температуры мы не ощущаем влажность так явно (См. статью: Что такое температура? Как правильно измерять температуру? Что выбрать: термосопротивление или термопару? Советы по применению.). Представьте, что вы вышли зимним утром из дома. Какая температура на улице, вы сможете сказать с точностью 3…5⁰С, а вот вопрос, какая сейчас относительная влажность, поставит вас в тупик. В то же время влажность воздуха является очень важным параметром, непосредственно влияющим на самочувствие и работоспособность человека. Очень важно знать и поддерживать определённую влажность во многих отраслях промышленности и сельском хозяйстве.
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:
Из определения вытекает, что над поверхностью воды относительная влажность воздуха равна 100 %. И обратно, при 100%-ой влажности воздуха наблюдается конденсация влаги. Давление насыщенного водяного пара растёт при увеличении температуры. Если в изолированном помещении со 100%-ой влажностью повысить температуру, то относительная влажность резко снизится.
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.
|
Т, ° C |
psw, Па |
psi, Па |
Т, ° C |
psw, Па |
psi, Па |
Т, ° C |
psw, Па |
psi,Па |
|
6,453 |
3,924 |
38,38 |
27,65 |
176,37 |
150,58 |
|||
|
7,225 |
4,438 |
42,26 |
30,76 |
191,59 |
165,22 |
|||
|
8,082 |
5,013 |
46,50 |
34,18 |
207,98 |
181,14 |
|||
|
9,030 |
5,657 |
51,11 |
37,94 |
225,61 |
198,45 |
|||
|
10,08 |
6,38 |
56,13 |
42,09 |
244,56 |
217,27 |
|||
|
11,24 |
7,18 |
61,59 |
46,65 |
264,93 |
237,71 |
|||
|
12,52 |
8,08 |
67,53 |
51,66 |
286,79 |
259,89 |
|||
|
13,93 |
9,08 |
73,97 |
57,16 |
310,25 |
283,94 |
|||
|
15,48 |
10,19 |
80,97 |
63,20 |
335,41 |
310,02 |
|||
|
17,19 |
11,43 |
88,56 |
69,81 |
362,37 |
338,26 |
|||
|
19,07 |
12,81 |
96,78 |
77,06 |
391,25 |
368,84 |
|||
|
21,13 |
14,34 |
105,69 |
85,00 |
422,15 |
401,92 |
|||
|
23,40 |
16,03 |
115,32 |
93,67 |
455,21 |
437,68 |
|||
|
25,88 |
17,91 |
125,74 |
103,16 |
490,55 |
476,32 |
|||
|
28,60 |
19,99 |
136,99 |
113,52 |
528,31 |
518,05 |
|||
|
31,57 |
22,30 |
149,14 |
124,82 |
568,62 |
563,09 |
|||
|
34,83 |
24,84 |
162,24 |
137,15 |
611,65 |
611,66 |
Значения давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды (Рsw)
Таблица 2.
|
Т, ° C |
psw, Па |
Т, ° C |
psw, Па |
Т, ° C |
psw, Па |
Т, ° C |
psw, Па |
Относительная влажность при отрицательной температуре Ψi
поправочный коэффициент k = psw / psi.
Значения поправочного коэффициента «k» при различной температуре:
Таблица 3.
|
Т,⁰С |
0 |
-10 |
-20 |
-30 |
-40 |
Значения абсолютной влажности газа с относительной влажностью по воде 100% при различной температуре
Таблица 4.
Примеры расчёта относительной влажности и точки росы
Пример 1.
Задача. Относительная влажность воздуха при температуре 20⁰С составляет 55%. Определить точку росы воздуха.
Решение. Из Таблицы 2. давление насыщенного водяного пара при температуре 20⁰С равно 2340 Па. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе:
p = ps (Ψ/100) = 2340 x 55 / 100 = 1287 Па
Из Таблицы 2.находим температуру: 10,5⁰С.
Пример 1.
Задача. Параметры воздуха снаружи: Т = -10⁰С, Ψ=100%; в помещении: Т = 20⁰С. Чему равна отн. влажность в помещении?
Решение. Из Таблицы 2. находим значение давления насыщенного водяного пара Рsн при температуре -10⁰С. Это давление равно парциальному давлению водяного пара в помещении. Из Таблицы 2. находим, чему равно давление насыщенного водяного пара Psп при 20⁰С в помещении.
Ψп = Рsн / Psп х 100%
Ψп = 286/ 2340 х 100 % = 12,2%
Сенсоры для измерения влажности воздуха
Для определения влажности воздуха существуют как прямые, так и косвенные методы. Из прямых можно привести метод определения температуры точки росы по конденсации на зеркале. Это очень точный метод, позволяющий измерять малые значения влажности. Однако сами приборы - достаточно дорогие. Метод требует времени и неприспособлен для контроля быстрых процессов. В основном его используют в лабораториях для определения влажности сухих газов.
Существует также спектрометрический метод прямого подсчёта молекул воды в воздухе. Но он также не подходит для промышленного применения. Наиболее популярным методом измерения является психрометрический, по разнице показаний сухого и влажного термометров. Но этот метод требует чётко задаваемой постоянной скорости обдува влажного термометра. Большинство же психрометров просто крепятся на стене и верить им, конечно же, нельзя. И из-за неконтролируемой скорости обдува и из-за недостоверного измерения температуры воздуха.
Беда в том, что люди привыкли к этим приборам и ссылаются на их показания, как единственно верные.
Для производства электронных датчиков и измерителей относительной влажности чаще всего используют емкостные полимерные чувствительные элементы. Данные сенсоры представляют собой подложку с нанесённым нижним металлическим слоем, слой полимера, легко адсорбирующего влагу, верхний пористый слой металлизации. При изменении влажности меняется как толщина полимера, так и его диэлектрические параметры, что приводит к изменению ёмкости сенсора. В последнее время внимание к этим сенсорам сильно выросло, так как появилась возможность создания датчиков с цифровым выходом с уже откалиброванным выходным сигналом.
Особенности применения измерителей влажности воздуха с емкостным чувствительным элементом
К сожалению, емкостные чувствительные элементы реагируют не только на влажность, но и на большинство неинертных газов, что приводит к дополнительной погрешности, а часто и к полной деградации сенсора. При длительном нахождении сенсора при высокой влажности его необходимо просушить при повышенной температуре по методике, предоставляемой изготовителем. Полимер не может работать при высокой температуре, ограничивая диапазон использования измерителя. Нельзя допускать конденсации влаги на чувствительном элементе, так как это приведёт к коррозии тонкоплёночной структуры сенсора. Сенсор необходимо защищать от воздействия солнечных лучей, касания руками, различных загрязнений. Именно сенсор влажности определяет технические параметры и срок службы измерителя влажности. Поэтому так важно, чтобы сенсоры были взаимозаменяемы. Именно поэтому межповерочный интервал для измерителей влажности равен всего 1-му году. Лучшее значение абсолютной погрешности для измерителя влажности промышленного применения на сегодня, это - ±2,0%.
Необходимо помнить, что относительная влажность воздуха по определению очень сильно зависит от температуры. Колебания температуры воздуха по объёму помещения в ±1⁰С могут приводить к колебаниям относительной влажности в ±5% и более. Если зимой ваш электронный гигрометр показывает отн. влажность в 7%, а психрометр - 30%, то это отнюдь не означает, что гигрометр сломался. Так и есть. Просто снимите со стены психрометр и положите подальше в шкаф.
Интересно? Расскажи друзьям!
Психрометр Августа состоит из двух ртутных термометров, укрепленных на штативе или расположенных в общем футляре. Шарик одного термометра обернут тонкой батистовой тканью, опущенной в стаканчик с дистиллированной водой.
При пользовании психрометром Августа вычисление абсолютной влажности производят по формуле Ренье:
A = f-a(t-t 1)H,
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (см. таблицу 2); а - психрометрический коэффициент, t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление в момент определения.
Если воздух совершенно неподвижен, то а=0,00128. При наличии слабого движения воздуха (0,4 м/с) а = 0,00110. Максимальную и относительную влажность рассчитывают, как указано на стр. 34.
| Температура воздуха (°С) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | Температура воздуха (°С) | Напряжение водяных паров (мм рт. ст.) | |
| -20 - 15 -10 -5 -3 -4 0 +1 +2,0 +4,0 +6,0 +8,0 +10,0 +11,0 +12,0 |
0,94 1.44 2.15 3.16 3,67 4,256 4,579 4,926 5,294 6,101 7,103 8.045 9,209 9,844 10,518 |
+13,0 +14,0 +15,0 +16,0 +17,0 +18,0 +19,0 +20,0 +21,0 +22,0 +24,0 +25,0 +27,0 +30,0 +32,0 |
11,231 11,987 12,788 13,634 14,530 15,477 16.477 17,735 18,650 19,827 22,377 23,756 26,739 31,842 35,663 |
+35,0 +37,0 +40,0 +45,0 +55,0 +70,0 +100,0 |
42,175 47,067 55,324 71,88 118,04 233,7 760,0 |
аспирационного психрометра (в процентах)
Таблица 4. Определение относительной влажности воздуха по показаниям сухого и влажного термометров в психрометре Августа при обычных условиях спокойного и равномерного движения воздуха в комнате со скоростью 0,2 м/с
Для определения относительной влажности существуют специальные таблицы (таблицы 3, 4). Более точные показания дает психрометр Ассмана (рис. 3). Он состоит из двух термометров, заключенных в металлические трубки, через которые равномерно просасывается воздух с помощью заводного вентилятора, находящегося в верхней части прибора. Ртутный резервуар одного из термометров обернут кусочком батиста, который перед каждым определением смачивается дистиллированной водой при помощи специальной пипетки. После того как омочили термометр, заводят ключом вентилятор и вешают прибор на штатив. Через 4-5 мин записывают показания сухого и влажного термометров. Так как с поверхности ртутного шарика, смоченного термометра, происходит испарение влаги и поглощение тепла, то он будет показывать более низкую температуру. Вычисление абсолютной влажности производят по формуле Шпрунга:
где А - абсолютная влажность; f - максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра; 0,5 - постоянный психрометрический коэффициент (поправка на скорость движения воздуха); t - температура сухого термометра; t 1 - температура влажного термометра; Н - барометрическое давление; 755 - среднее барометрическое давление (определяют по таблице 2).
Максимальную влажность (F) определяют с помощью таблицы 2 по температуре сухого термометра.
Относительную влажность (R) рассчитывают по формуле:
где R - относительная влажность; А - абсолютная влажность; F - максимальная влажность при температуре сухого термометра.
Для определения колебаний относительной влажности во времени пользуются прибором гигрографом. Прибор устроен аналогично термографу, но воспринимающей частью гигрографа является обезжиренный пучок волос.
Рис. 3. Аспирационный психрометр Ассмана:
1 - металлические трубки;
2 - ртутные термометры;
3 - отверстия для выхода просасываемого воздуха;
4 - зажим для подвешивания психрометра;
5 - пипетка для смачивания влажного термометра.