Влажность воздуха. Насыщенный пар. Точка росы
Почему запотевают окна и откуда берётся иней: насыщенный пар, относительная влажность, точка росы и приборы для её измерения.
Морозным утром окна в квартире запотели так, что улицы не видно, а в особенно сильный холод на стекле вырос сухой узор инея. Вода пришла не с улицы — из самой квартиры: в воздухе всегда есть водяной пар, и на холодном стекле он превращается в капли. Сколько пара «живёт» в воздухе, при какой температуре он выпадет росой и зачем в квартире гигрометр — об этом урок.
Насыщенный пар: предел над водой
Молекулы воды вылетают с поверхности жидкости и возвращаются обратно. Пока возвращаются не все, пар называют ненасыщенным; когда вылет и возврат сравнялись, воздух над водой держит максимум — это насыщенный пар. Давление насыщенного пара резко растёт с температурой: при 20 °C это около 2,3 кПа, а при 100 °C — уже 101,3 кПа, ровно нормальное атмосферное. Поэтому вода и кипит при 100 °C: пузыри пара внутри жидкости дожимаются до давления снаружи. У холодной воды предел ниже: тёплый воздух в ванной «вмещает» много пара, а у холодного стекла лимит маленький — и лишняя влага оседает на нём каплями.
Относительная влажность и точка росы
Абсолютная влажность — плотность водяного пара в граммах на кубометр: при 20 °C насыщенный пар — это 17,3 г/м³. Для жизни важнее относительная влажность — доля от насыщения в процентах: . Если в кубометре 8,65 г при 20 °C — влажность 50%. Прогрел воздух с 15 до 25 °C, не добавив пара, — предел насыщения вырос, и влажность упала почти вдвое, хотя воды в воздухе столько же. Точка росы — температура, при охлаждении до которой пар становится насыщенным: при 20 °C и 50% это примерно 9 °C. Любая поверхность холоднее точки росы запотеет — от зеркала в ванной до ледяной бутылки с лимонадом.
| Понятие | Что показывает | Единица / пример |
|---|---|---|
| Абсолютная влажность | сколько граммов пара в кубометре воздуха | г/м³: насыщенный пар при 20 °C — 17,3 г/м³ |
| Относительная влажность | долю насыщения в процентах | %: 8,65 г/м³ при 20 °C — это 50% |
| Точка росы | при какой температуре пар станет насыщенным | °C: при 20 °C и 50% — около 9 °C |
- При 25 °C в кубометре воздуха находится 11,5 г водяного пара. Плотность насыщенного пара при 25 °C — 23 г/м³.
- Делим фактическую плотность на насыщенную и переводим в проценты.
- Пар занял половину возможного: воздух «на середине насыщения», и точка росы лежит заметно ниже 25 °C — около 14 °C.
Откуда в комнате берётся водяной пар
Даже в запертой квартире вода не стоит на месте: она испаряется с мокрого полотенца, из кастрюли с супом, из аквариума и с нашей собственной кожи. Взрослый человек за сутки отдаёт воздуху около литра воды — с выдохом и через кожу. Добавь сюда чайник, сушку белья и полив цветов, и получится, что квартира работает как маленький испаритель. Молекулы воды при этом не пропадают: они смешиваются с азотом и кислородом и встраиваются в воздух комнаты.
Любопытная деталь: молекула воды легче молекул азота и кислорода, поэтому влажный воздух при том же давлении и температуре чуть легче сухого. Разница невелика — доли процента, но она реальна. Метеорологи следят за паром не меньше, чем за температурой: без данных о влажности нельзя предсказать ни туман, ни облачность, ни дождь.
- дыхание и кожа жильцов — около литра воды в сутки на человека
- готовка: кастрюли без крышки и чайник отдают десятки граммов воды в минуту
- ванна и душ — пар поднимается столбом, особенно горячий
- сушка белья в комнате — мокрая футболка несёт в себе пару сотен граммов воды
- аквариум и комнатные растения — тихое, но постоянное испарение
Сколько пара держит воздух: таблица насыщения
Плотность насыщенного пара зависит только от температуры — не от объёма комнаты и не от наличия сквозняка. Ниже справочные значения, которые стоит помнить хотя бы примерно: каждые десять градусов нагрева примерно удваивают «ёмкость» воздуха.
| Температура | Плотность насыщенного пара |
|---|---|
| −10 °C | 2,1 г/м³ |
| 0 °C | 4,8 г/м³ |
| 10 °C | 9,4 г/м³ |
| 15 °C | 12,8 г/м³ |
| 20 °C | 17,3 г/м³ |
| 30 °C | 30,3 г/м³ |
Как пользоваться таблицей: фактическую плотность пара делишь на табличную и умножаешь на 100%. Например, при 30 °C в воздухе 15 г/м³: 15 из 30,3 — это примерно половина насыщения, то есть около 50%. А вот при 0 °C те же 15 г/м³ существовать не могут: максимум 4,8, всё лишнее немедленно выпадет туманом или инеем. Отсюда зимние туманы над незамёрзшей рекой: тёплый пар с воды встречает морозный воздух и сразу превращается в капельки.
- Записываем данные: температура 20 °C, относительная влажность 55%.
- По таблице насыщения при 20 °C предел плотности — 17,3 г/м³.
- Считаем фактическую плотность: 55% от насыщения.
- Вопрос «когда пар станет насыщенным» превращается в другой: при какой температуре 9,5 г/м³ — это предел?
- Снова смотрим в таблицу: 9,4 г/м³ — насыщение при 10 °C.
- Точка росы — примерно 10 °C: любая поверхность холоднее запотеет, от банки с лимонадом до трубы с холодной водой.
Приборы: волосяной, конденсационный, электронный
Психрометр — не единственный способ измерить влажность. Волосяной гигрометр использует обезжиренный человеческий волос: при изменении влажности от 0 до 100% его длина меняется примерно на 2,5%. Крошечное движение через рычажок передаётся стрелке — прибор работает без таблиц и при любой погоде. Именно волосяными гигрометрами снабжают метеорологические будки в холодных регионах, где психрометр зимой бесполезен: вода в резервуаре попросту замёрзнет.
Самый точный метод — конденсационный гигрометр. Металлическое зеркальце охлаждают и следят за его поверхностью: в момент появления едва заметной плёнки росы фиксируют температуру зеркала. Она и есть точка росы, дальше работает таблица насыщения. Электронные датчики устроены иначе: между электродами лежит тонкая полимерная плёнка, которая впитывает молекулы воды из воздуха и меняет электрическую ёмкость — электроника пересчитывает её в проценты.
Влажность, комфорт и здоровье
Комфортная зона для человека — 40-60%. Зимой в отапливаемых квартирах влажность падает до 10-20%, и вот почему: морозный воздух на улице при −20 °C насыщается уже при 0,9 г/м³. Когда этот воздух нагревается до 22 °C, воды в нём по-прежнему меньше грамма на кубометр, а предел вырос до 19,4 г/м³ — относительная влажность выходит около 5%. Отсюда сухая кожа, першение в горле, искры при касании дверной ручки и рассыхающиеся деревянные полы.
Перебор тоже плох: при влажности выше 70% испарение с кожи затрудняется, и жара переносится тяжелее — те же 26 °C ощущаются заметно жарче. Влажные углы и зашторенные окна покрываются плесенью, а пылевые клещи чувствуют себя как дома. Баланс держат проветриванием, увлажнителем зимой и вытяжкой в ванной летом.
Как это спрашивают на контрольной
Типовых задач три, и все они опираются на одну формулу относительной влажности. Первая — прямая: даны обе плотности, найти долю насыщения. Вторая — обратная: дана влажность и предел насыщения, найти фактическую плотность пара. Третья — на точку росы: сначала находишь плотность пара, потом по таблице подбираешь температуру, при которой она становится насыщающей.
- дано ρ и ρ0 — найди φ: раздели и умножь на 100%
- дано φ и ρ0 — найди ρ: переведи проценты в долю и умножь
- дано φ и температура — найди точку росы: через ρ и таблицу насыщения
- Динамическое равновесие#
- состояние, когда число молекул, покидающих жидкость за секунду, равно числу возвращающихся
- Ненасыщенный пар#
- пар, далёкий от насыщения: испарение с жидкости идёт быстрее конденсации
- Абсолютная влажность#
- плотность водяного пара в воздухе, измеряется в граммах на кубометр
- Психрометрическая таблица#
- таблица, связывающая разницу показаний термометров психрометра с относительной влажностью
- Конденсационный гигрометр#
- прибор, находящий точку росы по появлению плёнки росы на охлаждаемом зеркале
- Туман#
- мелкие капли воды, взвешенные в воздухе: тот же конденсат, что и роса, только в объёме
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Плотность насыщенного пара при 20 °C — 17,3 г/м³, а в воздухе 8,65 г/м³. Какова относительная влажность? Ответ в процентах.
2 Давление насыщенного пара растёт с температурой.
3 Почему запотевает зеркало в ванной?
4 Влажность воздуха 100%, температура 18 °C. Чему равна точка росы? Ответ в °C.
5 Соедини термин и его смысл.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
6 Что произойдёт при охлаждении насыщенного пара? Выбери все верные утверждения.
7 Куда уходит вода? Распредели по процессам.
Разложи элементы по категориям: нажми на элемент, потом на категорию.
8 Дополни про психрометр.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Влажный термометр психрометра показывает , чем сухой, потому что вода с тряпочки .
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Почему окна потеют изнутри зимой и что с этим делать?
Воздух в комнате накапливает пар от дыхания и готовки, а стекло холодное — ниже точки росы. Помогают проветривание и слабый подогрев стекла: температура поверхности уходит выше точки росы, и конденсат исчезает.
Как пользоваться психрометрической таблицей?
Берёшь разницу показаний сухого и влажного термометров и температуру сухого: на пересечении строки и столбца — относительная влажность. Чем больше разница, тем суше воздух.
Может ли относительная влажность быть больше 100%?
В обычном воздухе нет: при насыщении лишний пар сразу конденсируется. Без пыли и зародышей капель пар может «перенасытиться» — так образуется пересыщенный пар, но в быту он живёт недолго.
Чем гигрометр отличается от психрометра?
Гигрометр — общее название прибора для влажности: волосяной, конденсационный. Психрометр — его частный случай: пара термометров плюс психрометрическая таблица.