Від чого залежить абсолютна вологість повітря. Відносна вологість повітря

Л.А.Логінов, центр освіти № 109, м Москва

Це одна з найбільш складних тем. Часто її не люблять ні вчителі ні учні. Перші - через складність пояснення, другі - через складність сприйняття. Але якщо її зрозуміють і полюблять обидві сторони, то виграш в навчальному процесі буде очевидним, оскільки стане зрозумілою суть численних явищ, що зустрічаються буквально кожен день: запотівання холодних стекол, сушка білизни на відкритому повітрі, вогкість в підвалах будинків і т.д. і т.п. Розповім про те, як цей розділ вивчаємо ми.

Починаємо з понять ненасиченим і насиченої пари, динамічної рівноваги рідини і пара. Оскільки властивості насиченої пари демонструвати в класі з допомогою лабораторного обладнання складно, довго і вкрай клопітно, дивимося відповідний Кинофрагмент. Фільм старий, але ключові моменти в ньому викладені дуже дохідливо. Більш того, якщо заздалегідь дати учням опорні питання, то після перегляду вони самі легко на них відповідають.

Від чого залежить тиск насиченої пари і від чого не залежить? (Залежить від температури і не залежить від обсягу.)

Як залежить тиск насиченої пари від температури? (Крива показана нижче, на рис. 1.)

Як співвідноситься тиск насиченої і ненасиченої пари? [Тиск насиченої пари при даній температурі завжди більше. - Ред.]

Що станеться при стисненні насиченої пари? (Частина його сконденсіруется в рідину, в решти збережеться колишнє тиск - тиск насиченої пари.)

Що станеться при додаванні рідини через кран в герметично закриту посудину? [Рівень рідини підвищиться за рахунок доданої частини і конденсації частини насиченої пари, обсяг пара зменшиться, а його тиск, що не залежить від обсягу, залишиться незмінним. - Ред.]

Відповіді як опорний конспект заносимо в робочі зошити. Не забуваємо про згаданий вище графік, він нам ще знадобиться. Вводимо поняття абсолютної вологості повітря, ототожнюємо його з поняттям парціальної густини парів рідини, тобто маси рідини, що міститься в одиниці об'єму повітря. Говоримо, що набагато більшого практичного значення для людини має відносна вологість повітря. Вводимо і це поняття. Причому як чисто фізично (відношення парціального тиску ненасичених парів до тиску насичених парів рідини при тій же температурі), так і чисто філософськи: величина, що показує, наскільки ненасичений пар близький до насичення:

(1)

Відзначаємо, що на практиці зручно користуватися не відносними одиницями при вимірюванні відносної вологості, а відсотками. Як перейти до відсотків, учні повинні здогадатися самі. Ці формули засвоюються легко, як і принцип роботи з ними в простих завданнях (типу № 623, 624 зі збірки А.П.Римкевіча, 1988 г.), оскільки там потрібно фактично тільки вміння працювати з довідковою таблицею залежності крижаних парів від температури.

Введення ж поняття точки роси і перехід до формули для відносної вологості з використанням точки роси може вже викликати проблеми. Щоб їх було поменше, починаємо з розгляду графіка залежності тиску насиченої пари від температури (рис. 1): визначаємо, де область ненасиченого пара, а де - область рідини. Тоді відразу зрозуміло, що крива - це межа між парою і рідиною. Різні стану ненасиченого пара відповідають точкам нижче кривої, наприклад точці А.

Зробити пар насиченим - значить досягти будь-яким чином стану насичення, тобто кривої BC. Найпростіше - шляхами АВ або АС. Але що це означає? АВ - ізотермічний стиск пара, АС - його изобарического охолодження, причому в міру протікання обох процесів насичення збільшується. Ознака того, що пар наситився, - поява перших крапель сконденсировавшейся рідини, роси. У природі насичення пара досягається найчастіше саме другим способом, тобто изобарического або майже изобарического охолодженням. Отже, температура, при якій колишній ненасичений пар стає насиченим, називається точкою роси.

Життєвих прикладів насичення при охолодженні дуже багато. Це і випадання роси під ранок, і запотівання холодного скла, якщо на нього подихати, це і освіта крапель води на водопровідній трубі з холодною водою  у ванній кімнаті, і вогкість в підвалах будинків, яка викликана зазвичай зовсім не протіканням труб, а саме охолодженням повітря.

Розглянемо формулу (1): pненас - тиск даного ненасиченого пара, наприклад в стані А, а Pнас - значення тиску насиченої пари при тій же температурі. Але якщо ми подивимося на графік, то побачимо, що тиск ненасиченого пара в стані А чисельно дорівнює тиску насиченої пари Pнас. р при більш низькій температурі (точка С) - в точці роси. Величина тиску насиченої пари при даній температурі Pнас. данн відповідає насиченню в точці В. Це дозволяє перейти до формули:

Для класів різного профілю, зрозуміло, підбираємо завдання різних рівнів складності. У гуманітарному і не дуже сильному загальноосвітньому класі обмежуємося простими завданнями на застосування основних (трьох розглянутих) формул і основних формул з використанням рівняння Клапейрона-Менделєєва або газових законів, не складніше, ніж, наприклад, така: «У кімнаті об'ємом 15 м3 з абсолютно сухим повітрям випарувалося зі склянки 200 г води. Який стала відносна вологість повітря? »У медико-біологічних класах завдання беремо складніше, типу такий:« У закритій кімнаті з площею підлоги 6 м2 і висотою стелі 3 м відносна вологість повітря становила 20%. Яку масу води треба додатково випарувати в цій кімнаті, щоб вологість досягла 70%? Яка максимальна маса води, яка може додатково випаруватися в кімнаті? »

Вивчаючи вологість повітря, ми маємо на увазі зміст в повітрі тільки водяної пари. А адже в повітрі можуть бути і інші пари. Більш того, вони теж можуть бути і ненасиченими, і насиченими, і за певних умов можуть конденсуватися. Наприклад, має право на існування поняття відносна спиртова вологість.

Пам'ятаю, якось раз, 3 травня, тобто в третій день травневих свят, їхав я в гості до свого інститутського приятеля на тролейбусі. Пасажирів було небагато (але всі сидячі місця були зайняті), бажаючих входити і виходити не було, і тролейбус довгий час їхав повз зупинок, лише трохи пригальмовуючи. На вулиці було прохолодно, всі кватирки і люки в салоні були закриті. Народ розмірено, але з великою амплітудою, погойдувався на сидіннях. Здавалося, що всі дивляться кудись «в нескінченність». Поступово шибки запітніли. І коли тролейбус різко повернув, мене сильно хитнуло до вікна і ... О боже! Від запітнілого скла виходив стійкий, але ... приємний аромат спирту ...

Природно, я не забув розповісти про побачене, вірніше, про «пронюхали», своїм знайомим і учням. А потім цей сюжет знайшов відображення і в завданні для десятикласників, яка увійшла в наш задачник, складений для медико-біологічних класів:

«У святковий вечір в повітрі, що видихається людьми, містяться пари спирту. В такий вечір в тролейбусі, на великому перегоні між зупинками, маса парів спирту в повітрі досягла 800 м Температура повітря в салоні тролейбуса 20 ° С, а шибок - всього 5 ° С. Обсяг повітря в салоні 22 м3. Чи буде конденсуватися спирт на стеклах? Яка відносна спиртова вологість повітря в салоні тролейбуса? Тиск насичених парів спирту при 20 ° С становить 5,90 кПа, при 5 ° С - 2,30 кПа ».

Завдання не тільки весела, але і комплексна, тому що має на увазі знання і основний формули для визначення відносної вологості, і рівняння Клапейрона-Менделєєва, і поняття точки роси, тобто насичення пара внаслідок охолодження, тому розглянемо її рішення.

Відразу усвідомимо, що тиск повітря в салоні тролейбуса у всіх точках однаково. Причому не тільки за все повітря, але і його складових (парціальний тиск кисню, азоту, парів спирту і т.д.). І це незважаючи на те, що повітря в салоні може мати різну температуру: поблизу шибок він холодний (будемо вважати, що 5 ° С), а далеко від них - теплий (20 ° С).

Розрахуємо парціальний тиск парів спирту в салоні, використовуючи рівняння Клапейрона-Менделєєва. Для цього, правда, доведеться прийняти, що всі пари і гази ідеальні, отже,

де Т - абсолютна температура. Якщо температура 293 К, тобто 20 ° С, то під m слід розуміти масу тієї частини парів спирту, яка має саме зазначену температуру. Але оскільки маса холодних парів, тобто знаходяться в безпосередній близькості від стекол, дуже мала, то під m будемо розуміти масу (0,8 кг) всіх парів спирту. З цієї ж причини обсяг повітря будемо вважати рівним 22 м3, тобто це весь вільний обсяг салону тролейбуса. Знаючи, що молярна маса етилового спирту (С2Н5ОН) дорівнює 0,046 кг / моль, а універсальна газова стала R = 8,31 Дж / (К Ч моль), зробимо розрахунок:

Розрахуємо відносну спиртову вологість теплого повітря в тролейбусі. Як тиску насичених парів візьмемо значення при 20 ° С, яке становить 5,90  103 Па. Отже:

Розрахуємо відносну спиртову вологість холодного повітря біля шибок. Як тиску насичених парів візьмемо значення тиску при 5 ° С, яке становить 2,30  103 Па.

тобто 83%. Так як це значення менше 100%, то видно, що навіть холодні пари спирту, біля стекол, ще не є насиченими, і спирт конденсуватися не буде. Але треба зауважити, що якби парціальний тиск p парів спирту було б побільше, то конденсація могла б і початися. А для збільшення цього тиску необхідно збільшення маси парів спирту в повітрі.

До речі, ця задача непогано сприймається і гуманітаріями, оскільки за своєю складністю не виходить за рамки дозволеного. Про позитивні емоції учнів, думаю, говорити не варто. Ну а для «продовження задоволення» можна учням дати для домашнього рішення завдання, аналогічну наведеній, але з іншим питанням: «При якій масі парів спирту в тролейбусі спирт все-таки буде конденсуватися на склі?» Як бачимо, ця задача - зворотна попередньої: по заданій вологості (100%) і отже, парціальному тиску парів спирту розрахувати їх масу.

З учнями фізико-математичних класів і в загальноосвітньому сильному класі можна розглянути завдання на аналіз можливості простого зниження тиску ненасичених парів при зниженні температури типу: «У герметично закритій посудині, що містить тільки повітря і водяні пари при температурі 25 ° С, вологість повітря становить 80% . Яким буде парціальний тиск водяної пари після охолодження судини і його вмісту до 5 ° С? Тиск насичених водяних парів при 25 ° С становить 3,10 кПа, а при 5 ° С - 0,88 кПа ».

Розглянемо рішення і цього завдання. Отже, для першого стану водяної пари Т1 = 298 К, ​​1 - відносна вологість повітря при цій температурі, pнас1 = 3,10  103 Па, p1 - парціальний тиск ненасиченої водяної пари, яке треба буде висловити через pнас1. Відповідно для другого стану: Т2 = 278 К, pнас2 = 0,88  103 Па, p2 - парціальний тиск водяної пари.

і, згідно із законом Шарля:

Підставами числа і отримаємо:

Теоретично розраховане p2 виявилося більше pнас2, чого насправді бути не може. Отже, частина парів при охолодженні сконденсіруется, а частина, що залишилася буде мати тиск pнас2, максимально допустимий при даній температурі. Отже, тиск водяної пари при 5 ° С становить 0,88 кПа, тобто ці пари насичені.

Можна ще розглянути механізм явища, описаного в задачі, за допомогою графіків, що відображають закон Шарля, - изохор, що виходять з початку координат (рис. 2). Ізохорно охолодження - це рух по Ізохор зі стану 1 в стан 2.

Але якщо зіставити це з графіком залежності тиску насиченої пари від температури (рис. 3), то виявиться, що стан 2 знаходиться за межами «дозволеного», в області рідини. Тому охолодження ненасиченого пара буде йти зі стану 1 лише до перетину з

кривої тиску насиченої

Важливе також питання про визначення відносної вологості на практиці за допомогою приладів - гігрометрів. Найчастіше зустрічається, звичайно ж, гігрометр психрометрический - психрометр. Назва це грецького походження, адже  [псіхрос] означає холодний. До речі, гуманітаріїв добре б і самих запитати про походження слова. В основі роботи психрометра лежить явище аспірації. Нехай учні самі здогадаються, що означає слово аспірація, по однокорінним словами. Назва ліки «аспірин» всім добре відомо, а його основне призначення - зняття спека, тобто відведення тепла при випаровуванні. Адже недарма людина з підвищеною температурою тіла, який прийняв аспірин, спочатку рясно потіє, після чого йому стає легше. (Як бачите, цим лінгвістичним моментом ми полестити і майбутнім гуманітаріям, і майбутнім медикам. З відведенням тепла при випаровуванні можна привести і ще один приклад: перед ін'єкцією ліки відповідне місце протирають спиртом, після чого місце відчуває холод - випаровується спирт віднімає тепло. Втім, можна обійтися і без уколу: просто налити трохи спирту або ефіру на долоню і почекати.)

Швидкість аспірації залежить від відносної вологості повітря. Але як? Нехай учні це теж вирішать самостійно, тільки їм треба для цього привести простий життєвий приклад: білизна, що сохне на мотузці в суху і в дощову погоду. Діти вже з досвіду знають, що швидкість висихання білизни визначається не стільки температурою повітря, скільки його вологістю. В холодний осінній час білизна може висохнути і швидше, ніж влітку, якщо повітря сухе (вологість 30-40%), а влітку - дуже вологий (80-90%). Отже, чим менше вологість повітря, тим легше волозі випаровуватися.

У психрометрами є два термометра. Один - звичайний, його називають сухим. Він вимірює температуру навколишнього повітря. На спиртову колбу іншого термометра одним своїм кінцем надітий тряпочних трубчастий гніт. Щоб гніт постійно був вологим, його другий кінець опущений в колбу з водою. Таким чином, інший термометр показує температуру не повітря, а вологого гніту, звідси і назва зволожений термометр. Чим менше вологість повітря, тим інтенсивніше випаровується волога з гніту, тим більша кількість теплоти в одиницю часу відводиться від спиртової колби увлажненного термометра, тим менше його свідчення, отже, тим більше різниця показань сухого і зволоженого термометрів.

Знаючи показання сухого та визначивши різницю з показаннями увлажненного термометра, за спеціальною таблицею (до речі, наявної на лицьовій стороні психрометра), на перетині відповідних рядка та стовпчика, знаходять значення відносної вологості. Для наочності спочатку вчитель весь процес визначення вологості показує сам, а потім дає три психрометра на кожен ряд для самостійної роботи. Як показує досвід, принцип роботи з психрометром хлопці запам'ятовують добре, принаймні до випускних іспитів в 11-му класі.

У медико-біологічних класах треба зупинитися ще на вплив вологості повітря на самопочуття людини і на стан його окремих органів. Людина відчуває себе комфортно при вологості від 40 до 60%, причому максимально допустиме значення, при якому людина відчуває себе ще нормально, зменшується з ростом температури (див. Таблицю).

Видно, що високу температуру легше переносити при сухому повітрі. Тому 40 ° С в сухій пустелі можуть не так сильно виснажувати, як 30 ° С в місті після зливи, коли вологість доходить до 70%. Це і зрозуміло. Щоб не перегрітися, організму в спеку треба б інтенсивно потіти, але при високій вологості піт не буде встигати висихати, а буде, як кажуть, лити струмком, що не дасть рятівного охолодження тіла.

Низька вологість повітря в жарких країнах використовується і в медичних цілях. Зокрема, для лікування нирок, коли потрібно послабити навантаження на них. При високій температурі повітря і низькій вологості людина, сильно потіючи, виводить вологу з організму здебільшого не через нирки, а через шкіру. Так що після такої процедури залишається тільки прийняти душ.

Вологість повітря,   вміст у повітрі водяної пари; одна з найбільш істотних характеристик погоди і клімату. вологість повітря має велике значення при деяких технологічних процесах, Лікуванні ряду хвороб, зберіганні витворів мистецтва, книг і т.д.

Характеристиками вологості повітря служать:

1. пружність  (Або парціальний тиск)е  водяної пари, що виражається вн / м  2 (в мм рт. ст.  або в мб)
2. абсолютна вологість а -  кількість водяної пари вг / м 3 ;
3. питома вологість q -  кількість водяної пари вг  на кг  вологого повітря;
4. відношення сумішіw, Яке визначається кількістю водяної пари вг  на кг  сухого повітря;
5. відносна вологість r -   відношення пружностіе  водяної пари, що міститься в повітрі, до максимальної пружностіЕ  водяної пари, що насичує простір над плоскою поверхнею чистої води (пружності насичення) при даній температурі, виражене в%;
6. дефіцит вологості d -  різниця між максимальною і фактичною пружністю водяної пари при даній температурі і тиску;
7. точка росиτ   - температура, яку прийме повітря, якщо охолодити його ізобаріческі (при постійному тиску) до стану насичення знаходиться в ньому водяної пари.

Зміни вологості в атмосфері Землі

Вологість повітря земної атмосфери коливається в широких межах. Так, у земної поверхні вміст водяної пари в повітрі складає в середньому від 0,2% за обсягом в високих широтах до 2,5% в тропіках. Відповідно пружність парае  в полярних широтах взимку менше 1мб  (Іноді лише соті часткимб) І влітку нижче 5 мб; в тропіках же вона зростає до 30мб, А іноді і більше. У субтропічних пустеляхе  знижена до 5-10 мб (1 мб =10 2 - н / м 2 ).

Відносна вологість r  дуже висока в екваторіальній зоні (середньорічна до 85% і більше), а також в полярних широтах і взимку усередині материків середніх широт - тут за рахунок низької температури повітря. Влітку високою відносною вологістю характеризуються мусонні райони (Індія - 75-80%). низькі значенняr  спостерігаються в субтропічних і тропічних пустелях і взимку в мусонних районах (до 50% і нижче). З висотоюr, а  і   q  швидко зменшуються.

На висоті 1,5-2 км  пружність пара в середньому вдвічі менше, ніж у земної поверхні. На тропосферу (нижні 10-15км) Припадає 99% водяної пари атмосфери. В середньому над кожнимм 2   земної поверхні в повітрі міститься близько 28,5кг водяної пари.

Добові і річні коливання вологості

Добовий хід пружності пари над морем і в приморських областях паралельний добовому ходу температури повітря: вміст вологи зростає вдень із зростанням випару. Такий же добовий хіде  в центральних районах материків в холодну пору року.

Більш складний добовий хід з двома максимумами - вранці і ввечері - спостерігається в глибині материків влітку. Добовий хід відносної вологостіr  зворотний добовому ходу температури: вдень із зростанням температури і, отже, з ростом пружності насиченняЕ  відносна вологість убуває.

Річний хід пружності пари паралельний річному ходу температури повітря; відносна вологість змінюється в річному ході назад температурі. Вологість повітря вимірюється гігрометрами і психрометрами.

Вплив вологості повітря на життєдіяльність людини

Вологість повітря, істотно впливаючи на теплообмін організму з навколишнім середовищем, має велике значення для життєдіяльності людини.

• При низькій температурі і високій вологості повітря підвищується тепловіддача і людина піддається більшому охолодженню
• При високій температурі і високій вологості повітря тепловіддача різко скорочується, що веде до перегрівання організму, особливо при виконанні фізичної роботи. Висока температура легше переноситься, коли В. в. знижена. Так, при роботі в гарячих цехах оптимальний вплив на теплообмін і самопочуття надає відносна В. в. 20%.
• Найбільш сприятливою для людини в середніх кліматичних умовах є відносна вологість повітря 40-60% .
• Для усунення несприятливого впливу вологості повітря в приміщеннях застосовують вентиляцію, кондиціонування повітря тощо.

Поняття вологості повітря визначається, як фактичне перебування частинок води в певній фізичному середовищі, в тому числі - в атмосфері. При цьому слід розрізняти вологість абсолютну і відносну: в першому випадку мова йде про чистий процентному кількості вологи. Відповідно до закону термодинаміки, граничний вміст молекул води в повітрі обмежена. Максимально допустимий рівень визначає відносні показники вологості та залежить від ряду факторів:

• атмосферний тиск;
• температура повітря;
• наявність дрібних частинок (пилу);
• рівень забруднення хімічними речовинами;

Загальноприйнята міра вимірювання - відсотки, при цьому розрахунок йде за спеціальною формулою, яка буде розглянута далі.

Абсолютна вологість вимірюється в грамах на кубічний сантиметр, які для зручності також переводяться у відсотки. Зі збільшенням висоти кількість вологи може збільшуватися залежно від регіону, але після досягнення певного стелі (приблизно 6-7 кілометрів над рівнем моря) вологість знижується до близько нульових значень. Абсолютна вологість вважається одним з основних макропараметрів: на його основі складаються планетарні кліматичні карти і зони.

Визначення рівня вологості

(Прилад психометрія - по ньому визначають вологість по різниці температур між сухим і вологим термометром)

Вологість за абсолютним співвідношенню визначається за допомогою спеціальних приладів, які встановлюють процентний вміст молекул води в атмосфері. Як правило, добові коливання незначні - цей показник можна вважати статичним, і він не відображає важливі кліматичні умови. Навпаки, відносна вологість зазнавати значних добових коливань, і відображає точний розподіл конденсованої вологи, її тиск і рівноважний насичення. Саме цей показник вважається основним і розраховується як мінімум раз на добу.

Визначення щодо вологість повітря проводиться за складною формулою, яка враховує:

• поточну точку роси;
• температуру;
• тиск насиченої пари;
• різні математичні моделі;

У практиці синоптичних прогнозів використовується спрощений підхід, коли вологість обчислюється приблизно, з урахуванням температурної різниці і точки роси (позначки, коли зайва волога випадає у вигляді опадів). Такий підхід дозволяє з точністю в 90-95% визначити необхідні показники, що більш ніж достатньо для повсякденних потреб.

Залежність від природних факторів

Зміст молекул води в повітрі залежить від кліматичних особливостей конкретного регіону, погодних умов, атмосферного тиску і деяких інших умов. Так, найбільша абсолютна вологість спостерігається в тропічній і прибережної зони і досягає позначки в 5%. Відносна вологість додатково залежить від коливань ряду факторів, розглянутих раніше. У дощовий період з умовами пониженого атмосферного тиску, показники відносної вологості можуть досягати 85-95%. Високий тиск знижує насичення водяної пари в атмосфері, відповідно знижуючи їх рівень.

Важлива особливість відносної вологості - її залежність від термодинамічної стану. Природною рівноважної вологістю є показник в 100%, що, зрозуміло, недосяжно, через надмірну нестійкості клімату. Техногенні фактори також впливають на коливання атмосферної вологості. В умовах мегаполісів спостерігається підвищений випаровування вологи з асфальтованих поверхонь, одночасно з викидом великої кількості зважених часток і чадного газу. Це обумовлює сильне зниження вологості в більшості міст світу.

Вплив на людський організм

Комфортні для людини кордону атмосферної вологості знаходяться в межах від 40 до 70%. Тривале знаходження в умовах сильного відхилення від зазначеної норми може викликати помітне погіршення самопочуття, аж до розвитку патологічних станів. Слід зазначити, що людина особливо чутливий до надмірно низької вологості, відчуваючи ряд характерних симптомів:

• подразнення слизових оболонок;
• розвиток хронічних ринітів;
• підвищена стомлюваність;
• погіршення стану шкірних покривів;
• зниження імунітету;

Серед негативних ефектів підвищеної вологості можна відзначити ризик розвитку грибкових і простудних захворювань.