Формула относительной влажности воздуха через объем. Абсолютная влажность

Один из очень важных показателей в нашей атмосфере. Она может быть как абсолютной, так и относительной. Как измеряется абсолютная влажность и какую формулу нужно для этого применить? Об этом вы сможете узнать, прочитав нашу статью.

Влажность воздуха - что это такое?

Что такое влажность? Это количество воды, которое содержится в каком-либо физическом теле или среде. Этот показатель напрямую зависит от самой природы среды или вещества, а также от степени пористости (если речь идет о твердых телах). Мы же в этой статье будем говорить о конкретном виде влажности - о влажности воздуха.

Из курса химии все мы прекрасно знаем, что атмосферный воздух состоит из азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других газов, которые составляют не более 1 % от общей массы. Но кроме этих газов воздух также содержит в себе водяной пар и другие примеси.

Под влажностью воздуха понимают то количество водяного пара, которое на данный момент (и в данном месте) содержится в воздушной массе. При этом метеорологи выделяют две её величины: это абсолютная и относительная влажность.

Влажность воздуха - одна из важнейших характеристик атмосферы Земли, которая влияет на характер местной погоды. Стоит отметить, что величина влажности атмосферного воздуха неодинакова - как в вертикальном разрезе, так и в горизонтальном (широтном). Так, если в приполярных широтах относительные показатели влажности воздуха (в нижнем слое атмосферы) составляют около 0,2-0,5%, то в тропических - до 2,5%. Далее мы выясним, что такое абсолютная и относительная влажность воздуха. Также рассмотрим, какая разница существует между этими двумя показателями.

Абсолютная влажность: определение и формула

В переводе с латыни слово absolutus означает "полный". Исходя из этого, очевидным становится сущность понятия "абсолютная влажность воздуха". Эта величина, которая показывает, сколько граммов водяного пара фактически содержится в одном кубическом метре конкретной воздушной массы. Как правило, этот показатель обозначают латинской литерой F.

Г/м 3 - это единица измерения, в которой исчисляется абсолютная влажность. Формула для её расчёта следующая:

В данной формуле буквой m обозначена масса водяного пара, а буквой V - объем конкретной воздушной массы.

Величина абсолютной влажности зависит от нескольких факторов. В первую очередь это температура воздуха и характер адвекционных процессов.

Относительная влажность

Теперь рассмотрим, что такое относительная влажность воздуха. Это относительная величина, которая показывает, сколько влаги содержится в воздухе по отношению к максимально возможному количеству водяного пара в этой воздушной массе при конкретной температуре. Измеряется относительная влажность воздуха в процентах (%). И именно этот процентный показатель мы часто можем узнать в прогнозах погоды и метеосводках.

Стоит также упомянуть и о таком важном понятии, как точка росы. Это явление максимально возможного насыщения воздушной массы водяным паром (относительная влажность этого момента - 100 %). В таком случае излишек влаги конденсируется, и образуются атмосферные осадки, туман или облака.

Методы измерения влажности воздуха

Женщины знают, что обнаружить повышение влажности в атмосфере можно с помощью своей пышной прически. Однако существуют и другие, более точные, способы и технические приборы. Таковыми являются гигрометр и психрометр.

Первый гигрометр был создан еще в XVII веке. Один из видов этого прибора как раз и основан на свойствах волоса изменять свою длину при изменениях влажности среды. Однако сегодня существуют и электронные гигрометры. Психрометр - это специальный прибор, в котором есть влажный и сухой термометр. По разнице их показателей и определяют влажность воздуха в конкретный момент времени.

Влажность воздуха как важный экологический показатель

Считается, что оптимальной для человеческого организма является относительная влажность воздуха 40-60 %. Показатели влажности весьма влияют и на восприятие человеком температуры воздуха. Так, при низкой влажности нам кажется, что воздух гораздо холоднее, чем в реальности (и наоборот). Вот почему в тропических и экваториальных широтах нашей планеты путешественники так тяжело переживают зной и жару.

Сегодня существуют специальные увлажнители и осушители, которые помогают человеку регулировать влажность воздуха в закрытых помещениях.

В заключение...

Таким образом, абсолютная влажность воздуха - это важнейший показатель, который дает нам представление о состоянии и особенностях воздушных масс. При этом нужно уметь отличать эту величину от относительной влажности. И если последняя показывает долю водяного пара (в процентах), которая присутствует в воздухе, то абсолютная влажность - это фактическое количество водяного пара в граммах в одном кубическом метре воздуха.

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

ПРИМЕР 2

Что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?

Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.

Водяной пар в атмосфере.

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью .

Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3).

Парциальное давление водяного пара

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара .

Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.

Относительная влажность.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность .

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р н. п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.

При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.

Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы .

По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометр.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них - психрометре .

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.

При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.

Значение влажности.

От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40-60%).

Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?

Очень важно знать влажность в метеорологии - в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.

В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.

Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.

Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.

Понятие влажности воздуха определяется, как фактическое нахождение частиц воды в определенной физической среде, в том числе — в атмосфере. При этом следует различать влажность абсолютную и относительную: в первом случае речь идет о чистом процентном количестве влаги. В соответствии с законом термодинамики, предельное содержание молекул воды в воздухе ограничено. Максимально допустимый уровень определяет относительные показатели влажности и зависит от ряда факторов:

• атмосферное давление;
• температура воздуха;
• наличие мелких частиц (пыли);
• уровень загрязнения химическими веществами;

Общепринятая мера измерения — проценты, при этом расчет идет по специальной формуле, которая будет рассмотрена далее.

Абсолютная влажность измеряется в граммах на кубический сантиметр, которые для удобства также переводятся в проценты. С увеличением высоты количество влаги может увеличиваться в зависимости от региона, но по достижении определенного потолка (примерно 6-7 километров над уровнем моря) влажность снижается до около нулевых значений. Абсолютная влажность считается одним из основных макропараметров: на его основе составляются планетарные климатические карты и зоны.

Определение уровня влажности

(Прибор психометр - по нему определяют влажность по разницы температур между сухим и влажным термометром )

Влажность по абсолютному соотношению определяется при помощи специальных приборов, которые устанавливают процентное содержание молекул воды в атмосфере. Как правило, суточные колебания ничтожны — этот показатель можно считать статическим, и он не отражает важные климатические условия. Напротив, относительная влажность подвержена сильным суточным колебаниям, и отражает точное распределение конденсированной влаги, ее давление и равновесное насыщение. Именно этот показатель считается основным и рассчитывается как минимум раз в сутки.

Определение относительно влажность воздуха проводится по сложной формуле, которая учитывает:

• текущую точку росы;
• температуру;
• давление насыщенного пара;
• различные математические модели;

В практике синоптических прогнозов используется упрощенный подход, когда влажность вычисляется приблизительно, с учетом температурной разницы и точки росы (отметки, когда излишняя влага выпадает в виде осадков). Такой подход позволяет с точностью в 90-95% определить требуемые показатели, что более чем достаточно для повседневных нужд.

Зависимость от природных факторов

Содержание молекул воды в воздухе зависит от климатических особенностей конкретного региона, погодных условий, атмосферного давления и некоторых других условий. Так, наибольшая абсолютная влажность наблюдается в тропической и прибрежной зонах и достигает отметки в 5%. Относительная влажность дополнительно зависит от колебаний ряда факторов, рассмотренных ранее. В дождливый период с условиями пониженного атмосферного давления, показатели относительной влажности могут достигать 85-95%. Высокое давление снижает насыщение водяных паров в атмосфере, соответственно понижая их уровень.

Важная особенность относительной влажности — ее зависимость от термодинамического состояния. Естественной равновесной влажностью является показатель в 100%, что, разумеется, недостижимо по причине крайней неустойчивости климата. Техногенные факторы также влияют на колебания атмосферной влажности. В условиях мегаполисов наблюдается повышенное испарение влаги с асфальтированных поверхностей, одновременно с выбросом большого количества взвешенных частиц и угарного газа. Это обуславливает сильное снижение влажности в большинстве городов мира.

Влияние на человеческий организм

Комфортные для человека границы атмосферной влажности находятся в пределах от 40 до 70%. Длительное нахождение в условиях сильного отклонения от указанной нормы может вызвать заметное ухудшение самочувствия, вплоть до развития патологических состояний. Следует отметить, что человек особенно чувствителен к чрезмерно низкой влажности, испытывая ряд характерных симптомов:

• раздражение слизистых оболочек;
• развитие хронических ринитов;
• повышенная утомляемость;
• ухудшение состояния кожных покровов;
• снижение иммунитета;

Среди негативных эффектов повышенной влажности можно отметить риск развития грибковых и простудных заболеваний.

В данном уроке будет введено понятие абсолютной и относительной влажности воздуха, будут обсуждаться термины и величины, связанные с этими понятиями: насыщенный пар, точка росы, приборы для измерения влажности. В ходе урока мы познакомимся с таблицами плотности и давления насыщенного пара и психрометрической таблицей.

Для человека величина влажности является очень важным параметром окружающей среды, т. к. наш организм очень активно реагирует на ее изменения. Например, такой механизм регуляции функционирования организма, как потоотделение, напрямую связан 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.

Величина влажности важна не только для человека и других живых организмов, но и для протекания технологических процессов. Например, из-за известного свойства воды проводить электрический ток ее содержание в воздухе может серьезно влиять на корректную работу большинства электроприборов.

Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды. Стоит отметить, что если сравнивать влажность в различные времена года в привычных для нас климатических условиях, то она выше летом и ниже зимой, что связано, в частности, с интенсивностью процессов испарения при различных температурах.

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. плотность водяного пара в воздухе;
2. относительная влажность воздуха.

Воздух является составным газом, в нем содержится множество различных газов, в том числе водяной пар. Для оценивания его количества в воздухе необходимо определить, какую массу имеют водяные пары в определенном выделенном объеме - такую величину характеризует плотность. Плотность водяного пара в воздухе называют абсолютной влажностью .

Определение. Абсолютная влажность воздуха - количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.

Обозначение абсолютной влажности : (как и обыкновенное обозначение плотности).

Единицы измерения абсолютной влажности : (в СИ) или (для удобства измерения небольшого содержания паров воды в воздухе).

Формула вычисления абсолютной влажности :

Обозначения:

Масса пара (воды) в воздухе, кг (в СИ) или г;

Объем воздуха, в котором указанная масса пара содержится, .

С одной стороны, абсолютная влажность воздуха является понятной и удобной величиной, т. к. дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, с другой стороны, эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Оказывается, что, например, человек ощущает не массовое содержание воды в воздухе, а именно ее содержание относительно максимально возможного значения.

Для описания такого восприятия введена такая величина, как относительная влажность .

Определение. Относительная влажность воздуха – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения.

Т. е. величина относительной влажности, простыми словами, показывает следующее: если пар далек от насыщения, то влажность низкая, если близок – высокая.

Обозначение относительной влажности : .

Единицы измерения относительной влажности : %.

Формула вычисления относительной влажности :

Обозначения :

Плотность водяного пара (абсолютная влажность), (в СИ) или ;

Плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, (в СИ) или .

Как видно из формулы, в ней фигурируют абсолютная влажность, с которой мы уже знакомы, и плотность насыщенного пара при той же температуре. Возникает вопрос, каким образом определять последнюю величину? Для этого существуют специальные приборы. Мы рассмотрим конденсационный гигрометр (рис. 4) - прибор, который служит для определения точки росы.

Определение. Точка росы - температура, при которой пар становится насыщенным.

Рис. 4. Конденсационный гигрометр ()

Внутрь емкости прибора наливается легкоиспаряющаяся жидкость, например, эфир, вставляется термометр (6) и с помощью груши (5) через емкость прокачивается воздух. В результате усиленной циркуляции воздуха начинается интенсивное испарение эфира, температура емкости из-за этого понижается и на зеркале (4) выступает роса (капельки сконденсировавшегося пара). В момент появления на зеркале росы с помощью термометра замеряется температура, вот эта температура и является точкой росы.

Что же делать с полученным значением температуры (точки росы)? Существует специальная таблица, в которой занесены данные - какая плотность насыщенного водяного пара соответствует каждой конкретной точке росы. Следует отметить полезный факт, что при увеличении значения точки росы растет и значение соответствующей ей плотности насыщенного пара. Иными словами, чем теплее воздух, тем большее количество влаги он может содержать, и наоборот, чем воздух холоднее, тем максимальное содержание в нем пара меньше.

Рассмотрим теперь принцип действия других видов гигрометров, приборов для измерения характеристик влажности (от греч. hygros - «влажный» и metreo - «измеряю»).

Волосной гигрометр (рис. 5) - прибор для измерения относительной влажности, в котором в качестве активного элемента выступает волос, например человеческий.

Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха (при увеличении влажности длина волоса увеличивается, при уменьшении - уменьшается), что позволяет измерять относительную влажность. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передается стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. При этом следует помнить, что волосной гигрометр дает не точные значения относительной влажности, и используется преимущественно в бытовых целях.

Более удобен в использовании и точен такой прибор для измерения относительной влажности, как психрометр (от др.-греч. ψυχρός - «холодный») (рис. 6).

Психрометр состоит из двух термометров, которые закреплены на общей шкале. Один из термометров называется влажным, т. к. он обмотан батистовой тканью, которая погружена в резервуар с водой, расположенный на тыльной стороне прибора. С влажной ткани испаряется вода, что приводит к охлаждению термометра, процесс снижения его температуры длится до достижения этапа, пока пар вблизи влажной ткани не достигнет насыщения и термометр не начнет показывать температуру точки росы. Таким образом, влажный термометр показывает температуру меньше либо равную реальной температуре окружающей среды. Второй термометр называется сухим и показывает реальную температуру.

На корпусе прибора, как правило, изображена еще так называемая психрометрическая таблица (табл. 2). С помощью этой таблицы по значению температуры, которую показывает сухой термометр, и по разности температур между сухим и влажным термометрами можно определить относительную влажность окружающего воздуха.

Однако даже не имея под рукой такой таблицы, можно примерно определить величину влажности, пользуясь следующим принципом. Если показания обоих термометров близки друг к другу, то испарение воды с влажного практически полностью компенсируется конденсацией, т. е. влажность воздуха высокая. Если, наоборот, разность показаний термометров большая, то испарение с влажной ткани превалирует над конденсацией и воздух сухой, а влажность низкая.

Обратимся к таблицам, которые позволяют определять характеристики влажности воздуха.

Табл. 1. Плотность и давление насыщенных водяных паров

Еще раз отметим, что, как указывалось ранее, значение плотности насыщенного пара растет с его температурой, то же самое относится и к давлению насыщенного пара.

Табл. 2. Психометрическая таблица

Напомним, что относительная влажность определяется по значению показаний сухого термометра (первый столбец) и разности показаний сухого и влажного (первая строка).

На сегодняшнем уроке мы познакомились с важной характеристикой воздуха - его влажностью. Как мы уже говорили, влажность в холодное время года (зимой) понижается, а в теплое (летом) повышается. Важно уметь регулировать эти явления, например при необходимости повысить влажность располагать в помещении в зимнее время несколько резервуаров с водой, чтобы усилить процессы испарения, однако такой способ будет эффективен только при соответствующей температуре, которая выше, чем на улице.

На следующем уроке мы рассмотрим, что такое работа газа, и принцип действия двигателя внутреннего сгорания.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «dic.academic.ru» ()
2. Интернет-портал «baroma.ru» ()
3. Интернет-портал «femto.com.ua» ()
4. Интернет-портал «youtube.com» ()

Домашнее задание