Влажность воздуха в физике - это мера содержания водяного пара в воздухе. Включает абсолютную (граммы водяного пара в 1 м³ воздуха при заданных условиях) и относительную влажность (процент от максимума при данной температуре).
Примеры:
- Абсолютная влажность: 10 г/м³.
- Относительная влажность: 50%.
Все дело в разной влажности воздуха. Интуитивно вы легко определяете, где воздух более влажный: у берегов водоемов, в бассейне, в ванной комнате. Но что такое влажность в физике? Можно ли измерить ее количественно? От чего она зависит? На эти и многие другие вопросы мы получим ответы в статье.
Начнем издалека: чтобы основательно разобраться в теме, нам необходимо понять, что такое испарение и насыщенный пар.
Испарение
Испарение — это парообразование, которое происходит на поверхности жидкости.
«Постойте, — можете возразить вы. — Что-то подобное мы уже изучали в главе “Тепловые явления”. Разве за парообразование не отвечает процесс кипения?»
И это отличный вопрос! Дело в том, что кипение происходит только при температуре кипения и этот процесс затрагивает весь объем жидкости. Испарение же способно происходить при любой температуре и только на поверхности.
В чем причина этого процесса?
Как мы знаем, молекулы жидкости находятся в бесконечном хаотичном движении. При этом скорости молекул отличаются друг от друга, и если быстрая молекула окажется у поверхности жидкости, ей удастся вырваться, вылететь из вещества. Частиц, подобных ей, достаточно много, и процесс будет происходить до тех пор, пока вся жидкость не испарится. Если вы оставите стакан с водой без присмотра на пару минут, вряд ли произойдет что-то непоправимое — вы не заметите, что объем изменился. Но стоит забыть про емкость на пару дней, как от воды не останется и следа.
Скорость испарения зависит от трех факторов. Первый — это род вещества: некоторые жидкости испаряются быстрее, чем остальные. Это происходит потому, что молекулы обладают меньшими силами притяжения: можно легко их преодолеть и вырваться на свободу. Так, эфир является более «независимым», чем пресная вода, он испаряется очень и очень быстро.
Также испарение зависит от температуры, причем эта зависимость прямо пропорциональна: чем больше температура, тем большее количество молекул вылетает из жидкости.
На процесс испарения влияет и площадь поверхности жидкости. Как вы думаете, кто будет чемпионом по количеству вылетевших молекул: океан или маленькая лужица? Думаем, ответ здесь очевиден. Эта зависимость легко прослеживается и в бытовых вопросах: если вы случайно разлили что-то на пол, стоит растереть лужу по всей его поверхности — так она быстрее высохнет. А чтобы белье быстрее высохло, лучше его расправить, чем развесить в мятом состоянии.
Наряду с процессом испарения происходит и обратный ему процесс: часть молекул, вылетевших с поверхности жидкости, вновь возвращается в нее.
Когда количество молекул, вылетевших из жидкости, равно количеству молекул, вернувшихся в жидкость, наступает так называемое динамическое равновесие. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным.
Насыщенный пар
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
В таком случае ненасыщенный пар — пар, который не находится в динамическом равновесии. Это означает, что количество молекул, находящееся над жидкостью, не постоянно и процесс испарения продолжается.
На нашей планете вода испаряется непрерывно: с поверхностей рек, озер, морей, океанов, а также с растительных и ледяных покровов. Атмосфера всегда наполнена водяным паром — тут-то в дело и вступает понятие влажности.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Понятие влажности. Абсолютная и относительная влажность
Влажность воздуха — это содержание в нем водяных паров. В физике разделяют абсолютную и относительную влажность.
Абсолютная влажность
Если это определение кажется вам знакомым, то неудивительно: отношение массы к объему носит название плотность, так что под абсолютной влажностью мы подразумеваем плотность водяного пара. Измеряется она в кг/м3, но часто в таблицах и задачах можно встретить и единицу измерения г/м3.
Абсолютная влажность прямо пропорциональна массе водяных паров: чем их больше, тем больше и абсолютная влажность, и обратно пропорциональна объему воздуха. Так, при равной массе водяных паров абсолютная влажность воздуха будет больше в той емкости, у которой объем меньше, и наоборот.
Относительной влажностью воздуха
Чтобы найти относительную влажность воздуха, нужно:
- Фактическое количество водяного пара в воздухе
- Разделить на максимально возможное при этой температуре
- Умножить на 100%.
Например: если фактическое содержание пара 5 г/м³, а максимальное при данной температуре 20 г/м³, относительная влажность будет 25%.
Чтобы наглядно увидеть разницу между абсолютной и относительной влажностью, давайте посмотрим на сравнительную таблицу.
| Абсолютная влажность | Относительная влажность | |
|---|---|---|
| Обозначение | ||
| Единица измерения | кг/м3 | % |
| Формула |
|
|
Для чего было необходимо вводить относительную влажность, если абсолютная довольно емко количественно описывает явление? Дело в том, что организм человека и других живых существ достаточно чутко реагирует на малейшие изменения влажности. Для комфортного существования каждого организма необходимо определенное процентное соотношение водяного пара относительно максимально возможного значения, так что введение относительной величины упростило многие расчеты для ученых.
Для определения относительной влажности необходимо учитывать плотность насыщенного водяного пара. Но как ее найти? Без паники!
Плотность и давление насыщенного пара зависят от температуры. Эти соотношения уже рассчитаны учеными, так что мы можем воспользоваться плодами их труда: для нашего удобства в конце учебника по физике и в интернете даны соответствующие таблицы.
Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры
|
Температура, °C |
Давление, мм рт. ст. |
Плотность пара, кг/м3 |
|---|---|---|
|
−10 |
1,95 |
2,14 |
|
−8 |
2,32 |
2,54 |
|
−6 |
2,76 |
2,09 |
|
−4 |
3,28 |
3,51 |
|
−2 |
3,88 |
4,13 |
|
0 |
4,58 |
4,84 |
|
2 |
5,3 |
5,6 |
|
4 |
6,1 |
6,4 |
|
6 |
7,0 |
7,3 |
|
8 |
8,0 |
8,3 |
|
10 |
9,2 |
9,4 |
Таким образом, эта таблица еще раз доказывает, что:
- процесс испарения возможен при любой температуре;
- с ростом температуры увеличиваются плотность и давление насыщенного пара.
Нужно ли всегда рассчитывать влажность с помощью формул? Только представьте: в бассейн вы берете с собой не только плавательный костюм и шапочку, но еще и ручку, блокнот, калькулятор, учебник по физике.
Звучит странно, не правда ли? Как тогда узнать, какая влажность воздуха в бассейне?
Все просто: с помощью измерительных приборов.
Приборы для измерения влажности
Основные приборы для измерения влажности — психрометрический, волосяной и конденсационный гигрометры. Давайте познакомимся со всеми по порядку.
Психрометрический гигрометр
В устройство психрометрического гигрометра входят два обыкновенных термометра: сухой и влажный (его конец обмотан тканью, опущенной в воду). Градусники дают разные показания: по этой разности температур с помощью специальных таблиц и определяют влажность воздуха.
Составим алгоритм работы с психрометрическим гигрометром (психрометром):
-
Зафиксировать показания сухого и влажного термометров.
-
Найти разницу их значений.
-
Сопоставить пункты 1 и 2 с помощью психрометрической таблицы.
Давайте закрепим полученные знания на задаче.
Предположим, сухой термометр зафиксировал температуру, равную 22 °С, а влажный — температуру, равную 19 °С. Чему будет равна влажность воздуха?
Решение.
Рассчитаем разницу значений температур: 22 − 19 = 3.
Найдем в таблице столбец со значением температуры по сухому термометру и сопоставим ее с разницей показаний. Влажность воздуха будет равна 76%.
Ответ: влажность воздуха равна 76%.
Волосяной гигрометр
С волосяным гигрометром дела обстоят куда проще. Его действие основано на способности волоса увеличивать свою длину при росте влажности воздуха (думаем, многие из вас сталкивались с проблемой испорченной прически в особенно пасмурные дни). Вследствие изменения длины волоса стрелка перемещается, указывая на соответствующее значение относительной влажности на круговой шкале.
Конденсационный гигрометр
С помощью конденсационного гигрометра можно определить относительную влажность воздуха по точке росы.
Готовы предположить, что сейчас вы напряглись, так как появилась новая непонятная физическая величина. Уверяем вас, в ней нет ничего сложного.
Точка росы — это температура воздуха, при которой содержащийся в нем пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу.
Для определения этой точки также существует таблица. Обещаем, последняя на сегодня.
|
t воздуха, °С |
t точки росы (поверхности) в °С при относительной влажности воздуха в % |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
45% |
50% |
55% |
60% |
65% |
70% |
75% |
80% |
85% |
90% |
95% |
|
|
25 |
12,2 |
13,9 |
15,3 |
16,7 |
18,0 |
19,1 |
20,3 |
21,3 |
22,3 |
23,2 |
24,1 |
|
24 |
11,3 |
12,9 |
14,4 |
15,8 |
17,0 |
18,2 |
19,3 |
20,3 |
21,3 |
22,3 |
23,1 |
|
23 |
10,4 |
12,0 |
13,5 |
14,8 |
16,1 |
17,2 |
18,3 |
19,4 |
20,3 |
21,3 |
22,1 |
|
22 |
9,5 |
11,1 |
12,5 |
13,9 |
15,1 |
16,3 |
17,4 |
18,4 |
19,4 |
20,3 |
21,1 |
|
21 |
8,6 |
10,2 |
11,6 |
12,9 |
14,2 |
15,3 |
16,4 |
17,4 |
18,4 |
19,3 |
20,2 |
|
20 |
7,7 |
9,3 |
10,7 |
12,0 |
13,2 |
14,4 |
15,4 |
16,4 |
17,4 |
18,3 |
19,2 |
|
19 |
6,8 |
8,3 |
9,8 |
11,1 |
12,3 |
13,4 |
14,5 |
15,3 |
16,4 |
17,3 |
18,2 |
|
18 |
5,9 |
7,4 |
8,8 |
10,1 |
11,3 |
12,5 |
13,5 |
14,5 |
15,4 |
16,3 |
17,2 |
|
17 |
5,0 |
6,5 |
7,9 |
9,2 |
10,4 |
11,5 |
12,5 |
13,5 |
14,5 |
15,3 |
16,2 |
|
16 |
4,1 |
5,6 |
7,0 |
8,2 |
9,4 |
10,5 |
11,6 |
12,6 |
13,5 |
14,4 |
15,2 |
|
15 |
3,2 |
4,7 |
6,1 |
7,3 |
8,5 |
9,6 |
10,6 |
11,6 |
12,5 |
13,4 |
14,2 |
|
14 |
2,3 |
3,7 |
5,1 |
6,4 |
7,5 |
8,6 |
9,6 |
10,6 |
11,5 |
12,4 |
13,2 |
|
13 |
1,3 |
2,8 |
4,2 |
5,5 |
6,6 |
7,7 |
8,7 |
9,6 |
10,5 |
11,4 |
12,2 |
|
12 |
0,4 |
1,9 |
3,2 |
4,5 |
5,7 |
6,7 |
7,7 |
8,7 |
9,6 |
10,4 |
11,2 |
|
11 |
−0,4 |
1,0 |
2,3 |
3,5 |
4,7 |
5,8 |
6,7 |
7,7 |
8,6 |
9,4 |
10,2 |
|
10 |
−1,2 |
0,1 |
1,4 |
2,6 |
3,7 |
4,8 |
5,8 |
6,7 |
7,6 |
8,4 |
9,2 |
Как пользоваться этой таблицей?
Первое, что нам нужно узнать, — это значение начальной температуры воздуха и его относительную влажность. Допустим, мы взяли воздух при температуре 20 °С и влажности 65%. До какой температуры необходимо охладить его, чтобы водяной пар начал конденсироваться? Сопоставим данные значения по таблице: им будет соответствовать 13,2 °С.
Но вернемся к конденсационному гигрометру. Почему он так называется? Дело в том, что его действие основано на измерении количества конденсата, который скапливается на стеклянных поверхностях. Встроенный термометр измеряет значение температуры этой жидкости, что трансформируется внутри прибора в значения относительной влажности.
Гигрометр такого типа считается высокоточным прибором. Его используют для получения информации о микроклимате в помещении.
Зачем измерять влажность воздуха
Возможно, вы немного устали, и это абсолютно нормально. Понятие влажности связано с большим количеством определений, формул и таблиц. Возможно, у вас даже возник вопрос: «А так ли важно измерять влажность?» Попробуйте сами на него ответить.
Мы уже упоминали о чувствительности организмов к изменениям этого показателя. Среднестатистический человек чувствует себя комфортно при уровне относительной влажности около 40–60%, но для людей, страдающих от астмы и других заболеваний, эти показатели могут меняться.
Для тропических растений необходимо поддерживать высокие показатели влажности, для пустынных же это будут невыносимые условия.
Не только живые организмы, но и техника зависит от содержания влаги в воздухе: большая концентрация может привести к коррозии и поломкам.
Как мы видим, многое в жизни человека зависит от понимания физических процессов и явлений. Как говорится, знание — сила, а еще комфорт, здоровье и благополучие. Хотите узнать больше? Тогда ждем вас на курсах подготовки к ЕГЭ по физике в онлайн-школе Skysmart — там вы узнаете не только все нюансы сдачи экзамена, но и много интересного об окружающем вас мире и его закономерностях.
