Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 6.8. Влажность воздуха

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озер и рек, не является насыщенным: атмосфера — «открытый сосуд». 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. Содержание водяного пара в воздухе — его влажность — характеризуется рядом величин.

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 нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара. Парциальное давление р водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Абсолютная влажность

За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара р, содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью и из-за ее малости выражают в граммах на кубический метр. Абсолютная влажность, таким образом, показывает, сколько водяного пара в граммах содержится в 1 м³ воздуха.

Абсолютная влажность и парциальное давление водяного пара связаны уравнением Менделеева—Клапейрона

Относительная влажность

Знание парциального давления (упругости) водяного пара или абсолютной влажности ничего не говорит о том, насколько водяной пар в данных условиях далек от насыщения. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды (или конденсация пара) и, следовательно, потеря влаги живыми организмами. От этого же зависит быстрота высыхания тканей, почвы, увядание растений и многое другое. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность.

Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р₀ насыщенного пара при той же температуре:

Воспользовавшись уравнением (6.8.1), можно для относительной влажности получить еще одну формулу:

где ρ — абсолютная влажность, а ρ₀ — плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.

Итак, для вычисления относительной влажности надо знать парциальное давление или плотность пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, и давление или плотность насыщенного водяного пара при этой же температуре.

Давление и плотность насыщенного водяного пара при разных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами, которые имеются в справочниках или задачниках по физике. А как определить парциальное давление и плотность водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре? Ответить на этот вопрос можно различными способами.

Точка росы

При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, так как чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара. В конце концов пар становится насыщенным. Это легко понять, если посмотреть на график зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры (рис. 6.16).

Рис. 6.16

Пусть при температуре t₁ парциальное давление водяного пара равно рг. Состояние пара изобразится при этом точкой А. Если охладить воздух до температуры t_r при р₁ = const, то пар станет насыщенным и его состояние изобразится точкой В.

Температура t_r, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.

Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, равной точке росы, и есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере.

При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса.

Точка росы также характеризует влажность воздуха, так как она позволяет определить парциальное давление водяного пара и абсолютную влажность с помощью таблиц, в которых представлена зависимость давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры (о них мы уже говорили).

Гигрометр

Точку росы определяют с помощью прибора, называемого конденсационным гигрометром. Внешний вид этого прибора показан на рисунке 6.17, а, а его разрез — на рисунке 6.17, б. Гигрометр представляет собой металлическую коробку 1, передняя стенка 2 которой хорошо отполирована. Коробка окружена полированным кольцом 3, отделенным от нее теплоизолирующей прокладкой 4. Коробка соединена с резиновой грушей 5. Внутрь коробки наливают легко испаряющуюся жидкость — эфир и вставляют термометр. Продувая через коробку воздух с помощью груши, вызывают сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки 2. Это и есть точка росы, так как появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным.

Рис. 6.17

Определение точки росы — наиболее точный способ измерения относительной влажности.

Волосной гигрометр

Действие гигрометра другого типа — волосного — основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности. При помощи волосного гигрометра можно непосредственно измерять относительную влажность воздуха. Его устройство показано на рисунке 6.18. Между двумя металлическими стойками 1 укреплен обезжиренный человеческий волос 2. Один конец волоса закреплен на верхнем штифте, которым можно с помощью гайки 3 регулировать натяжение волоса. Другой конец волоса нагружен небольшой гирькой и перекинут через блок 5, на котором укреплена стрелка 4 с противовесом. При изменении влажности воздуха длина волоса изменяется (увеличивается при увеличении влажности и уменьшается при ее уменьшении), и стрелка по шкале указывает относительную влажность воздуха в процентах.

Рис. 6.18

Волосной гигрометр применяют в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.

Психрометр

Психрометр(1) состоит из двух термометров (рис. 6.19). Резервуар одного из них остается сухим, и термометр показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идет испарение и тем меньше разность показаний термометра, окруженного полоской влажной ткани, и сухого термометра. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур термометров с помощью специальных таблиц, называемых психрометрическими, можно определить относительную влажность воздуха. Психрометрами обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.

Рис. 6.19

Значение влажности

Люди весьма восприимчивы к влажности. От нее зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи. При высокой влажности, особенно в жаркий день, испарение влаги с поверхности кожи уменьшается и поэтому затрудняется терморегуляция человеческого организма. В сухом воздухе, напротив, происходит быстрое испарение влаги с поверхности кожи, что приводит к высыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность от 40 до 60%. Такая влажность, например, поддерживается в космических кораблях.

Большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. Хотя 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. Испарение воды и образование водяного пара сопровождается, наоборот, поглощением теплоты.

Определенную влажность необходимо поддерживать в ткацком, кондитерском, табачном и других производствах для нормального течения процесса, а также при хранении произведений искусства и книг в библиотеках и музеях. Поэтому в музеях на стенах вы можете увидеть психрометры.

Важное значение для человека наряду с температурой и давлением атмосферы имеет количество в ней водяных паров. Содержание водяного пара в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

(1) От греческих слов psychros — холодный и metreo — измеряю.