Влажность

На этой странице вы узнаете

• «Это трава вспотела» или как ответить на детский вопрос? 
• Как сделать росу в закрытой банке?
• Почему никогда не будет дождя из еды?

На улице 0 ℃, но ощущается как -5 ℃. Неприятная история, и планы на прогулку срываются. 

Почему погода может ощущаться иначе? Что такое точка росы? Разве нам недостаточно просто знать температуру воздуха? Давайте разберемся подробнее.

Понятие влажности

Мы на подсознательном уровне понимаем, что градус не всегда показатель того, будет нам холодно на улице или нет. К примеру, если за окном солнышко и +20°С, но сильный ветер, то может быть прохладно. Какие еще факторы влияют на наше ощущение погоды? Один из таких — влажность.

Влажность — физическая величина, которая показывает содержание водяных паров в воздухе. 

Прежде чем продолжить, нам следует ввести понятие насыщенного пара и разобраться с процессами, которые с ним связаны. 

Каждый день мы сталкиваемся с такими явлениями, как испарение и конденсация. Рассмотрим процесс испарения жидкости: молекулы воды буквально вырываются с поверхности жидкости в воздух и переходят в пар. В дождливый летний день лужи очень быстро исчезают с асфальта, как только выглядывает солнце. Причина этого явления заключается в испарении. 

Обратный процесс можно наблюдать после купания, когда зеркало в ванной запотевает из-за того, что зеркало выступает в роли холодной поверхности, которая контактирует с теплым водяным паром, трансформирующимся в конденсат. В таком случае происходит конденсация.

Рассмотрим случай, когда нам срочно требуется надеть любимую футболку на вечерний праздник, а утром ее только достали из стирки. Можем ли мы оценить, как быстро она высохнет и от чего это будет зависеть? На процесс испарения влаги влияет много факторов, среди основных можно выделить следующие:

• Температура – если история случилась в летний период, то из-за положительной температуры к нужному часу футболка будет сухой, а если события происходят зимой, то придется искать замену. То есть чем выше температура, тем быстрее происходит испарение.
• Влажность воздуха – если мы будем сушить футболку в комнате с бассейном, то нам придется очень долго ждать, когда испарится влага. Значит, чем выше влажность, тем затруднительнее будет протекать процесс испарения.
• Площадь поверхности – если мы повесим нашу футболку сушиться сразу после стирки, то она высохнет быстрее. Соответственно, чем больше площадь поверхности, с которой происходит испарение, тем больше испарится молекул жидкости.

Если мы отвлечемся от футболки и представим, какие еще факторы могут влиять на интенсивность испарения, то обязательно отметим ветер и тип жидкости. К примеру, если мы будем пить горячий чай на улице в ветреную погоду, то он достаточно быстро остынет за счет испарения, а если в наш чай добавлены различные сиропы, то процесс остывания немного затруднится. То есть, чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее она будет испаряться. 

«Это трава вспотела» или как ответить на детский вопрос? Многие в детстве задавались вопросом, откуда утром берутся капельки воды на траве. Конечно, став старше, мы узнали, что слезы небесных нимф или фитнес-тренировки растений здесь ни при чем. Но точно ли вы представляете себе процесс образования росы? Давайте проверим.  Роса образовывается из-за водяного пара, который постоянно содержится в воздухе. Ночью температура окружающего воздуха становится ниже, и водяной пар опускается на землю, собираясь на листьях травы. Все происходит так же, как и в опыте, описанном выше. Условно, наша планета с ее атмосферой это тоже закрытая система, и образование росы — это самый простой и наглядный пример потери молекулами воды кинетической энергии и, собственно, их конденсации. Кстати, пропадет роса днем все по тем же причинам — с повышением температуры окружающей среды капельки нагреются, кинетическая энергия молекул воды достигнет того значения, когда они снова смогут «взлететь», и капельки просто испарятся.

Если окажется, что число молекул, «вышедших» из жидкости, равно числу молекул, «вернувшихся» в жидкость, то такое состояние будет называться динамическим равновесием.

Насыщенный пар — это пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Соответственно, ненасыщенный пар в таком состоянии не находится. Температура воздуха, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы.

Параметры насыщенного пара (давление, плотность и т.д.) являются табличными значениями. Например, для насыщенного пара при 100℃ давление составляет 100 кПа.

Что же еще помимо температуры способно влиять на наше ощущение погоды? К такому фактору мы можем отнести атмосферное давление, изменение которого без подручных инструментов способны замечать метеочувствительные люди. 

Атмосферное давление

Хоть это кажется невообразимым, но воздух имеет вес и может оказывать давление на все предметы, расположенные на нашей планете. Для более корректного определения этого явления введено понятие «атмосферное давление». Атмосфера буквально состоит из слов пар и шар (сфера). То есть атмосферное давление позволяет понять, с какой силой в каждой точке нашей планеты пар давит на земную поверхность. 

Для измерения этого явления приняты следующие единицы измерения: в Международной системе единиц (СИ) используется величина паскаль (Па), названная в честь французского ученого Б.Паскаля; в отечественной системе принята единица измерения  – 1 миллиметр ртутного столба (мм.рт.ст.). Для того чтобы увязать эти величины между собой, принято считать, что 1 мм.рт.ст. = 133,3 Па.

В каком же случае атмосферное давление является благоприятным для работоспособности человека и называется нормальным? В случае, когда температура равна 0 °C и высота столба ртути составляет 760 мм. 

С увеличением высоты атмосферное давление снижается, это связано с тем, что воздух разряжается и в нем уменьшается содержание кислорода. Именно поэтому альпинисты не любят пить чай в горах, так как кипятить воду для него придется с большим усилием. Если вы планируете в ближайшее время взобраться на Эверест, то внимательно изучите данный раздел, чтобы продержаться под натиском высотных явлений.

Теперь, когда мы разобрались с факторами, влияющими на наше ощущение погоды, пришло время разобраться с особенностями насыщенного пара. Нас будет интересовать зависимость его плотности и давления от температуры и независимость от объема. Но как определить, почему одни параметры зависят друг от друга, а другие нет? Для этого стоит применить инструмент качественного анализа.

Зависимость плотности и давления насыщенного пара от температуры

Для того чтобы невооруженным взглядом оценить, от каких параметров зависят плотность и давление насыщенного пара, рассмотрим график:

Для сравнения возьмем взаимосвязь тех же параметров от температуры и объема  для модели идеального газа. В модели идеального газа молекулы представляют собой материальные точки, не взаимодействующие на расстоянии, а только при столкновении друг с другом или с сосудом. Отличительной особенностью этой модели является давление порядка 1 атм. и комнатная температура. Более подробно с понятием идеального газа вы можете познакомиться в этой статье.

Анализируя график, можно сделать вывод, что давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от его объема. А что насчет плотности? В случае, когда происходит сжатие насыщенного пара и поддерживается постоянная температура, происходит нарушение равновесия, которое будет до тех пор, пока концентрация сжимаемых молекул не восстановится до концентрации насыщенного пара. То есть, плотность имеет зависимость от температуры и не зависит от объема, аналогично давлению насыщенного пара.

После того, как мы разобрались с факторами, влияющими на состояние влажности и того, как мы ее ощущаем, стоит поговорить о категориях влажности. Нас будут интересовать такие понятия, как абсолютная и относительная влажность.

Абсолютная влажность 

Абсолютная влажность — это количественный показатель содержания водяного пара в воздухе, позволяющий оценить плотность водяных паров в единице объема, которая показывает, какая масса водяного пара содержится в этом объеме.

Выглядит это примерно так: 

1. берем какой-то объем (\(V\)) воздуха (обычно 1 \(м^3\) — кубометр, куб); 
2. взвешиваем массу (\(m\)) водяного пара, который в нем содержится. 

Если взять отношение массы пара к объему куба, то получим плотность водяного пара. Другими словами, абсолютная влажность — это плотность водяных паров. 

\(\rho=\frac{m}{V}\), где \(\rho\) — абсолютная влажность воздуха (\(\frac{г}{м^3}\)); \(m\) — масса водяного пара в воздухе (г); \(V\) — объем воздуха (\(м^3\)).

Задачи на абсолютную влажность довольно простые, но в то же время зачастую вызывают трудности у учеников. Например, задача на эту тему может попасться в №8 ЕГЭ. 

Задача. Определите массу водяного пара в комнате объемом \(72 м^3\), если абсолютная влажность составляет \(10 \frac{г}{м^3}\). Ответ приведите в граммах.

Решение. Запишем формулу для поиска абсолютной влажности:

\(\rho=\frac{m}{V}\)

Выразим массу водяного пара:

\(m=\rho V\)

Подставим значения:

\(m=72*10=720\) г

Ответ: \(720\) 

Относительная влажность

Возвращаемся к погоде. Знали ли вы, что при одной температуре воздуха на улице в нем может находиться разное количество влаги? Это явление описывается с помощью относительной влажности.

Влажность можно измерить путем сравнения. Для этого надо понять, во сколько раз имеющийся у нас пар менее плотный, чем насыщенный пар при той же температуре. Это, в принципе, и есть определение относительной влажности воздуха.

Относительная влажность воздуха (φ, %) — физическая величина, равная отношению плотности пара ρ к плотности насыщенного пара ρ0, взятого при той же температуре. 

\(φ =\frac{ρ}{ρ_0}*100%\), где \(φ\) — относительная влажность; \(\rho\) — плотность водяного пара (\(\frac{г}{м^3}\)); \(0\) — плотность насыщенного водяного пара (\(\frac{г}{м^3}\)), табличная величина.

Примечание: плотность водяных паров будем брать в \(\frac{г}{м^3}\) , поскольку она невелика, но иногда бывают случаи, когда в условиях единица измерения \(\frac{кг}{м^3}\).

Тогда, при подсчете относительной влажности, необходимо будет учитывать размерность каждой величины. Обычно для универсальности расчетов все используемые числовые данные переводят в систему СИ (Международная система единиц физических величин, принятая во всем мире). Для плотности водяных паров это как раз \(\frac{г}{м^3}\).

Мы говорим, что пар образуется при нагревании, но увеличение температуры также приводит к повышению давления. Часто в задачах мы будем пользоваться еще одной формулой, которая связывает относительную влажность и давление.

\(φ =\frac{p}{p_0}*100%\), где \(φ\) — относительная влажность; \(p\) — парциальное давление водяного пара (Па); \(p_0\) — давление насыщенного пара при данной температуре (Па).

Давайте рассмотрим задачу на применение этих формул. В ЕГЭ подобные задания встречаются в задании 8.

Задача. Определите давление насыщенного пара в изолированном сосуде, если при его реальном давлении в 40 кПа влажность воздуха равна 80%.

Решение. Запишем уравнение для определения относительной влажности:
\(φ =\frac{p}{p_0}*100%\)

Выразим давление насыщенного пара: 

\(p_0=\frac{p}{φ}*100%\)

Подставим значения:

\(p_0=\frac{40*10^3}{80}* 100%=50\) (кПа) 

Ответ: 50 

Влажность смеси газов

Рассмотренные нами понятия хорошо объяснимы в идеальных условиях. Теперь необходимо разобраться, от чего будет зависеть влажность, если взять смесь газов.

Если в будущем вы планируете стать нефтяником, то уже сегодня ваша задача – разбираться в деталях профессии. К таким деталям можно отнести тот факт, что газ, транспортируемый по газопроводам, содержит некоторое количество влаги. Зная про негативное взаимодействие влаги и материала, из которого сделан газопровод, можно говорить о коррозии и образовании конденсата. Это грозит прорывом газопровода и дорогостоящим ремонтом с долгим выявлением дефекта в огромной магистрали.

Для газа влажность классифицируется, как абсолютная и относительная. 

• Абсолютная отвечает за количество водяного пара, содержащегося в единице количества газа. 
• Относительная влажность газа характеризует отношение парциального давления пара в газе к давлению насыщенного пара при той же температуре.

Более того, природный газ – это смесь газов, в которой преобладает метан. И для того, чтобы рассчитать те или иные параметры, нам необходимо знать состав этой смеси и индивидуальные характеристики компонентов. 

К примеру, если у нас есть компот из дачных ягод, то для термодинамического расчета нам понадобится информация о том, какие именно ягоды использовались  и какими свойствами обладает, допустим, клубника (метан). И чтобы рассчитать массовую концентрацию конкретного компонента в нашем газовом «компоте», воспользуемся формулой:

\(m_i=\frac{G_i}{G}\), где \(m_i\) — массовая концентрация  i-ого компонента смеси; \(G_i\) — количество  i-ого компонента в смеси; \(G\) — общее количество смеси.

Важно помнить про давление, которое оказывает газ на конкретный сосуд, заполненный этим газом. Для смеси газов существует своя специфика в этом вопросе.

Парциальное давление — это давление газа из общей смеси газов в сосуде в том случае, если бы этот конкретный газ один занимал весь объем данного сосуда. Иначе говоря, это давление газа, которое он оказывает в данной ситуации. 

Представим, что в закрытом сосуде с поршнем находится смесь газов. Эта смесь газов оказывает давление на поршень. Парциальное давление одного из газов в смеси будет равняться такому давлению, какое оказал бы этот газ в том же сосуде, если бы из него выкачали все остальные газы.

Как сделать росу в закрытой банке?  Относительная влажность не может быть более 100%. Если продолжать увеличивать давление в сосуде, то пар начинает конденсироваться, поскольку он достиг своей точки росы. В этот момент на стенках банки начнут появляться капли. Таким образом, мы создадим росу в домашних условиях.

Делаем вывод: абсолютная влажность напрямую показывает количество пара в воздухе, а относительная — сравнивает это количество с насыщенным паром. Важно понимать, что относительная влажность не может быть больше 100%. Поэтому важно научиться правильно ее рассчитывать исходя из начальных условий.

Теперь, когда мы разобрались с основными определениями и поняли, что для расчетов важно учитывать много различных параметров, логично задаться вопросом о способах измерения влажности. С помощью каких инструментов ее определяют и причем тут таблицы?

Приборы для измерения влажности

Выделяют два основных прибора: психрометр и гигрометр. Давайте же рассмотрим основной принцип работы этих двух приборов.

Простейший психрометр состоит из двух термометров. Наконечник одного из термометров обмотан тканью, которая погружена в воду. Испарение воды вызывает охлаждение тряпки. Поэтому температура влажного термометра уменьшается. Когда воды в столбике становится совсем мало, ее добавляют через специальное отверстие. 

По разнице температур сухого и влажного термометров можно определить влажность воздуха. Это делается с помощью психрометрической таблицы, фрагмент которой представлен ниже. Берутся показания двух термометров, и сопоставляются значения температур. Так находят относительную влажность.

Теперь рассмотрим принципиальную схему работы конденсационного гигрометра. 

С его помощью также измеряют влажность, но другим способом: путем определения точки росы. Он представляет собой металлическую коробочку (1), у которой передняя стенка (2) хорошо отполирована и окружена отполированным кольцом (3). К коробочке подсоединена резиновая груша (4) и вставлен термометр (5). 

Если налить в коробочку легко испаряющуюся жидкость (к примеру, эфир), то, продувая воздух с помощью груши, мы добьемся быстрого испарения жидкости. Это приведет к конденсации капелек росы на стенках металлической коробки. С помощью термометра мы измеряем температуру, при которой появляется роса (определяем точку росы). 

С помощью обычного термометра измерим температуру в помещении и найдем давление воздуха по таблице для давлений и плотностей насыщенных водяных паров при разных температурах.

Остается лишь воспользоваться формулой относительной влажности через давления

\(φ =\frac{p}{p_0}*100%\)

 и найти эту самую влажность.

Почему никогда не будет дождя из еды? Возможно, кому-то хотелось побывать на месте главных героев мультфильма «Облачно, возможны осадки в виде фрикаделек» и насладиться едой, которая падает с неба прямо в руки.  Однако это невозможно, так как реальные облака состоят из водяных частиц. Когда теплый воздух с частичками воды из нижних слоев встречается с холодным воздухом со слоев выше, происходит конденсация водяных паров, вследствие чего образуются облака. Эти же облака собираются в кучи и превращаются в тучи. А дальше вода выпадает в виде осадков.  Именно поэтому на Земле дожди могут быть только с каплями воды, а дожди из еды невозможны.

Таким образом, мы с вами рассмотрели такую непростую тему, как влажность воздуха. Как вы заметили, в данной теме мы рассматриваем термодинамическое равновесие пара и воды. Все законы подтверждаются молекулярно-кинетической теорией, с которой мы приглашаем вас ознакомиться более подробно.

Термины

Конденсация — процесс перехода пара в жидкое или газообразное состояние.

Испарение — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Фактчек

• Влажность — физическая величина, которая показывает содержание водяных паров в воздухе. 
• Если число молекул, вышедших из жидкости, равно числу молекул, вернувшихся в жидкость, то такое состояние будет называться динамическим равновесием, а пар, который при этом соответствует жидкости — насыщенным.
• Насыщенный пар — это пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
• Относительная влажность воздуха (φ, %) — физическая величина, равная отношению плотности пара \(ρ\) к плотности насыщенного пара \(ρ_0\), взятого при той же температуре: \(φ =\frac{ρ}{ρ_0}* 100%\) или \(φ =\frac{p}{p_0}* 100%\).
• Абсолютная влажность — плотность водяных паров в воздухе. Она показывает, какая масса водяного пара сосредоточена в этом объеме.
• С помощью психрометра определяют влажность через два термометра, один из которых опущен в воду. 
• С помощью гигрометра определяют влажность через точку росы легко испаряемой жидкости.
• Интенсивность испарения зависит от температуры, влажности воздуха, площади поверхности, рода жидкости, ветра.
• Атмосферное давление позволяет понять, с какой силой в каждой точке нашей планеты пар давит на земную поверхность. 
• Давление насыщенного пара, как и плотность, зависит только от температуры и не зависит от его объема.
• Влажность смеси газов определяется из понимания состава компонентов смеси и индивидуальных характеристик этих компонент. 

Проверь себя

Задание 1.
В чем измеряется абсолютная влажность?

1. в %
2. в г/м³
3. в Па
4. в м³

Задание 2.
В герметично закрытом сосуде находится водяной пар, который занимает в два раза больше места, чем вода в этом же сосуде. Определите относительную влажность в сосуде.

1. 50 %
2. 100 % 
3. 150 %

Задание 3.
Показания сухого термометра составляют 6 °С, а влажного 1 °С. Какова относительная влажность термометра? Воспользуйтесь психрометрической таблицей.

1. 32 %
2. 35 %
3. 37 % 
4. 39 %

Задание 4.
Определите, в каком случае пар в банке будет насыщенным?

1. Банка открыта и находится рядом с озером.
2. Банка герметично закрыта, в ней, а также на ее стенках присутствует вода.
3. Банку наполнили водой и убрали крышку.

Ответы:1. — 2; 2. — 2; 3. — 2; 4. — 2.