Материалы имеют способность переходить из твердого состояния в жидкое и из жидкого состояния в газообразное. Этот последний процесс называется парообразованием, и он может происходить путем испарения или кипения.
Кипение происходит при определённой температуре для каждой жидкости. А вот испарение жидкости, напротив, происходит при любой ее температуре.
Значит, испарение на нашей планете происходит непрерывно: испаряется вода с поверхностей озер, океанов, рек, различной растительности и т. д. Вследствие этого воздух в нашей атмосфере всегда содержит в себе водяные пары.
Влажность — это понятие, которое характеризует содержание водяного пара в атмосфере. На данном уроке мы разберем понятия абсолютной и относительной влажности воздуха, точки росы, познакомимся с приборами для измерения влажности воздуха.
Абсолютная и относительная влажность
Количество водяных паров в воздухе при определенной температуре определяет степень влажности. Но как эту степень оценить? В этом нам помогут два новых определения: абсолютная влажность и относительная влажность.
Абсолютная влажность $\rho$ — это физическая величина, показывающая, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом $1 \space м^3$ при данных условиях, т. е. плотность водяного пара.
$\rho = \frac{m}{V}$.
Обратите внимание, что, рассчитывая плотность различных веществ, мы использовали стандартную единицу измерения — $\frac{кг}{м^3}$. Для абсолютной влажности принято применять внесистемную единицу измерения плотности — $\frac{г}{м^3}$.
Степень влажности определяется фактором того, насколько водяной пар близок или далек от состояния насыщения.
- Чем больше в воздухе водяных паров, тем ближе пар к состоянию насыщения
- Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения
Вспомним: насыщенным называют пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Число молекул, вылетающих из жидкости, становится равно числу молекул, возвращающихся в нее.
Соответственно, зная только абсолютную влажность, нельзя сказать сухой это воздух или влажный, насколько он близок к состоянию насыщения.
Чаще всего водяной пар, содержащийся в воздухе, является ненасыщенным. Если бы водяной пар в воздухе был всегда насыщенным, то все, что находится на земной поверхности, никогда бы не высыхало.
Относительная влажность воздуха $\varphi$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $\rho$ к плотности $\rho_0$ насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
$\varphi = \frac{\rho}{\rho_0} \cdot 100 \%$.
Т.е., относительная влажность характеризует процентное содержание влаги в воздухе. Наиболее благоприятной для человека считается относительная влажность воздуха $40-60 \%$.
Чтобы в полной мере научиться пользоваться приведенными выше формулами, загляните в урок на решение задач по данной теме.
Точка росы
В любом случае в воздухе находится водяной пар. Если мы будем понижать температуру воздуха, то при определенной температуре сможем довести пар, содержащийся в нем, до состояния насыщения.
Если после этого продолжать снижать температуру, то пар начнет конденсироваться. В итоге, образуется туман, и выпадают капельки росы. Здесь у нас появляется еще одна новая величина, которая тоже характеризует влажность воздуха, — точка росы.
Точка росы — это температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным.
Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов: конденсационных и волосных гигрометров и психрометров.
Конденсационный гигрометр
Рассмотрим устройство и принцип работы конденсационного гигрометра (рисунок 1). С помощью него можно определить абсолютную влажность воздуха по точке росы.
В его основе — небольшая металлическая коробка 1. Ее передняя стенка 2 окружена кольцом 3. Поверхности этих элементов хорошо отполированы. Между ними помещена теплоизолирующая прокладка 4. К самой коробке присоединена резиновая груша 5. Внутрь коробки вставлен термометр 6.
Заполним коробку, например, эфиром. Вы уже знаете, что эта жидкость достаточно быстро испаряется. Начнём продувать воздух через коробку с помощью груши. Так мы ускорим испарение эфира, коробка быстро охладится. Вскоре на полированной поверхности появятся капельки росы.
Отметим температуру, которая наблюдается в данный момент. Так мы определили точку росы. Именно в этот момент пар стал насыщенным.
Далее, используя специальные таблицы, можно определить абсолютную влажность воздуха.
Вид обычного лабораторного гигрометра представлен на рисунке 2.
Волосной гигрометр
Из названия этого прибора можно догадаться, что где-то в его устройстве присутствует волос. И, действительно, действие волосного гигрометра (рисунок 3) основано на одном интересном свойстве человеческого волоса. Дело в том, что при увеличении относительной влажности воздуха волос удлиняется.
На шкале этого прибора уже отмечены величины относительной влажности воздуха. При увеличении относительной влажности волос удлиняется, а при уменьшении — укорачивается. При этом стрелка двигается вдоль шкалы, указывая на величину относительной влажности воздуха.
Психрометр
Психрометр (от латинского психрос — холодный, метрио — измерять) представлен на рисунке 4.
Этот прибор состоит из двух термометров. Конец одного из них обмотан тканью и опущен в воду. Вода испаряется, термометр охлаждается. Термометры будут показывать разные значения.
Испарение проходит менее интенсивно при большой относительной влажности, и более интенсивно при малой относительной влажности. Чтобы оценить ее, нужно зафиксировать разность температур на термометрах. Для них также существуют специальные таблицы, из которых можно узнать величину относительной влажности воздуха.
Влажность в окружающем мире
Влажность воздуха важна как в природе, так и в быту человека. Изначально, наше самочувствие часто зависит от этого показателя. Ведь интенсивность испарения влаги с нашего кожного покрова определяется влажностью воздуха. Низкая влажность может приводить к пересыханию слизистых оболочек, проблемам с кожей и волосами, а очень высокая — к ухудшению общего физического состояния.
Влажность воздуха влияет на теплообмен многих организмов с окружающей средой, на жизнь животных и растений. Когда люди выращивают растения в теплицах или оранжереях, им необходимо знать и контролировать влажность воздуха. Таким образом поддерживается нужный режим для их роста и жизнедеятельности.
Значение влажности воздуха играет большую роль в метеорологи для прогнозов погоды. При работе различной техники важно учитывать влажность — при высоких показателях быстрее возникает коррозия. При хранении важных произведений искусств и книг также следят за влажностью.
Как измерить влажность воздуха?
Влажность воздуха может измеряться при помощи гигрометра — устройства, которое позволяет измерять влажность воздуха в процентах относительной влажности. Вот несколько способов измерения влажности воздуха:
-
Гигрометр: Гигрометр представляет собой устройство, которое можно купить в магазине. Оно обычно имеет два термометра и шкалу для отображения влажности. Один термометр измеряет температуру воздуха, а другой измеряет температуру конденсации. Разница между этими двумя температурами определяет относительную влажность.
-
Психрометр: Психрометр — это устройство, которое используется для измерения влажности воздуха на основе охлаждения воздуха при помощи воды. Он состоит из двух термометров — один измеряет температуру сухого воздуха, а другой измеряет температуру влажного воздуха. Отношение между двумя температурами позволяет определить влажность воздуха.
-
Точка росы: Точка росы — это температура, при которой воздух начинает конденсироваться и образовывать росу. Если знать температуру воздуха и точку росы, то можно определить относительную влажность воздуха при помощи специальных таблиц или формул.
-
Электронные датчики: Существуют также электронные устройства для измерения влажности воздуха, которые обычно используются в системах автоматического контроля и регулирования влажности. Они основаны на электрических свойствах воздуха и могут давать более точные показания, чем другие методы.
В любом случае, для получения точных результатов измерения влажности воздуха, рекомендуется проводить измерения в относительно стабильных условиях и использовать проверенные и калиброванные приборы.
