Влажность воздуха: концентрация, виды и влияние

Введение

Концентрация водяного пара в воздухе

Влажность – это концентрация водяного пара, присутствующего в воздухе. Водяной пар, газообразное состояние воды, обычно невидим для человеческого глаза. Влажность указывает на вероятность выпадения осадков, образования росы или тумана. Влажность зависит от температуры и давления рассматриваемой системы. Одинаковое количество водяного пара приводит к более высокой относительной влажности в холодном воздухе, чем в теплом. Связанным параметром является точка росы. Количество водяного пара, необходимое для достижения насыщения, увеличивается с повышением температуры. По мере понижения температуры воздушной массы она в конечном итоге достигнет точки насыщения без добавления или потери массы воды. Количество водяного пара, содержащегося в воздушной массе, может значительно варьироваться. Например, воздушная масса, близкая к насыщению, может содержать 28 г воды на кубический метр воздуха при , но только 8 г воды на кубический метр воздуха при .

Существуют три основных способа измерения влажности: абсолютная, относительная и удельная. Абсолютная влажность выражается как масса водяного пара на объем влажного воздуха (в граммах на кубический метр) или как масса водяного пара на массу сухого воздуха (обычно в граммах на килограмм). Относительная влажность, часто выражаемая в процентах, указывает на текущее состояние абсолютной влажности по отношению к максимальной влажности при той же температуре. Удельная влажность – это отношение массы водяного пара к общей массе влажного воздушного пакета.

Влажность играет важную роль для жизни на поверхности Земли. Для животных, зависящих от потоотделения для регулирования внутренней температуры тела, высокая влажность снижает эффективность теплообмена, уменьшая скорость испарения влаги с поверхности кожи. Этот эффект можно рассчитать с помощью таблицы теплового индекса или, альтернативно, с помощью аналогичного humidex. Часто в связи с понятием относительной влажности упоминается представление о том, что воздух "удерживает" водяной пар или "насыщается" им. Однако это вводит в заблуждение: количество водяного пара, которое входит (или может войти) в данное пространство при данной температуре, почти не зависит от количества воздуха (азота, кислорода и т. д.). Действительно, вакуум обладает примерно такой же равновесной способностью удерживать водяной пар, как и тот же объем, заполненный воздухом; оба значения определяются давлением водяного пара при данной температуре.

Удельная влажность

Удельная влажность (или содержание влаги) — это отношение массы водяного пара к общей массе воздушной массы. Удельная влажность приблизительно равна отношению смесей, которое определяется как отношение массы водяного пара в воздушной массе к массе сухого воздуха в той же воздушной массе. По мере понижения температуры количество водяного пара, необходимое для достижения насыщения, также уменьшается. Когда температура воздушной массы снижается, она в конечном итоге достигает точки насыщения без добавления или потери массы воды.

Связанные понятия

Термин относительная влажность применяется к системам, содержащим водяной пар в воздухе. Термин относительная насыщенность используется для описания аналогичного свойства для систем, состоящих из конденсируемой фазы, отличной от воды, в неконденсируемой фазе, отличной от воздуха.

Плотность и объем воздуха

Влажность зависит от испарения и конденсации воды, которые, в свою очередь, в основном зависят от температуры. Поэтому, при увеличении давления на газ, насыщенный водяным паром, все компоненты первоначально уменьшатся в объеме приблизительно в соответствии с законом идеального газа. Однако, часть воды сконденсируется, пока влажность не вернется почти к исходному значению, что приведет к отклонению результирующего общего объема от предсказанного законом идеального газа. И наоборот, понижение температуры также приведет к конденсации воды, снова вызывая отклонение конечного объема от предсказанного законом идеального газа. Таким образом, объем газа можно выразить как сухой объем, исключая содержание влаги. Эта величина более точно подчиняется закону идеального газа. Напротив, насыщенный объем – это объем, который имела бы газовая смесь при добавлении влаги до насыщения (или 100% относительной влажности). Влажный воздух менее плотный, чем сухой, поскольку молекула воды (M ≈ 18 u) имеет меньшую массу, чем молекула азота (M ≈ 28) или молекула кислорода (M ≈ 32). Около 78% молекул в сухом воздухе составляют молекулы азота (N2). Еще 21% молекул в сухом воздухе составляют молекулы кислорода (O2). Оставшиеся 1% сухого воздуха – это смесь других газов. Для любого газа при заданной температуре и давлении число молекул в определенном объеме постоянно. Следовательно, при введении некоторого числа N молекул воды (пара) в объем сухого воздуха, число молекул воздуха в этом объеме должно уменьшиться на то же число N, чтобы давление оставалось постоянным без изменения температуры. Эти числа будут точно равны, если рассматривать газы как идеальные. Добавление молекул воды или любых других молекул к газу без удаления эквивалентного числа других молекул неизбежно потребует изменения температуры, давления или общего объема, то есть изменения как минимум одного из этих трех параметров. Если температура и давление остаются постоянными, объем увеличится, и вытесненные молекулы сухого воздуха первоначально переместятся в дополнительный объем, после чего смесь станет однородной за счет диффузии. Следовательно, масса на единицу объема газа – его плотность – уменьшается. Исаак Ньютон открыл это явление и описал его в своей книге "Оптика".

Зависимость от давления

Относительная влажность системы воздух-вода зависит не только от температуры, но и от абсолютного давления рассматриваемой системы. Эта зависимость демонстрируется рассмотрением системы воздух-вода, показанной ниже. Система закрыта (то есть вещество не поступает в систему и не выходит из нее). Если система в состоянии А нагревается изобарически (нагревание без изменения давления в системе), то относительная влажность системы уменьшается, поскольку равновесное давление паров воды увеличивается с ростом температуры. Это показано в состоянии B. Если система в состоянии А сжимается изотермически (сжатие без изменения температуры в системе), то относительная влажность системы увеличивается, поскольку парциальное давление воды в системе возрастает при уменьшении объема. Это показано в состоянии C. При давлении выше 202,64 кПа относительная влажность превысит 100%, и вода может начать конденсироваться. Если давление в состоянии А изменить, просто добавив больше сухого воздуха, не изменяя объем, относительная влажность не изменится. Следовательно, изменение относительной влажности можно объяснить изменением температуры системы, изменением объема системы или изменением обоих этих параметров системы.

Эффекты

Контроль климата — это регулирование температуры и относительной влажности в зданиях, транспортных средствах и других замкнутых пространствах для обеспечения комфорта, здоровья и безопасности людей, а также для удовлетворения экологических требований, предъявляемых к оборудованию, чувствительным материалам (например, историческим) и технологическим процессам.

Климат

Хотя влажность сама по себе является климатической характеристикой, она также оказывает влияние на другие климатические характеристики. На влажность окружающей среды влияют ветры и осадки. Самые влажные города на Земле обычно расположены ближе к экватору, вблизи прибрежных районов. Города в некоторых частях Азии и Океании входят в число самых влажных. Бангкок, Хошимин, Куала-Лумпур, Гонконг, Манила, Джакарта, Наха, Сингапур, Гаосюн и Тайбэй характеризуются очень высокой влажностью большую часть или весь год из-за близости к водоемам и экватору, а также частой облачности. В некоторых местах во время сезона дождей наблюдается экстремальная влажность, сочетающаяся с теплом, что создает ощущение теплой парной, как, например, в Калькутте, Ченнаи и Кочи (Индия) и Лахоре (Пакистан). Город Суккур, расположенный на реке Инд в Пакистане, характеризуется одними из самых высоких и неприятных значений точки росы в стране, которые часто превышают 30 °C (86 °F) в сезон муссонов. Высокие температуры в сочетании с высокой точкой росы приводят к ощущаемой температуре выше 65 °C (149 °F). В Дарвине наблюдается чрезвычайно влажный сезон дождей с декабря по апрель. В Хьюстоне, Майами, Сан-Диего, Осаке, Шанхае, Шэньчжэне и Токио также есть периоды экстремальной влажности в летние месяцы. В период юго-западного и северо-восточного муссонов (соответственно, с конца мая по сентябрь и с ноября по март) следует ожидать сильных дождей и относительно высокой влажности после осадков. Вне сезонов муссонов влажность остается высокой (по сравнению со странами, расположенными дальше от экватора), но при этом наблюдается много солнечных дней. В более прохладных местах, таких как Северная Тасмания (Австралия), высокая влажность сохраняется круглый год из-за океана между материковой Австралией и Тасманией. Летом этот океан поглощает горячий сухой воздух, и температура редко поднимается выше .

Глобальный климат

Влажность влияет на энергетический бюджет и тем самым на температуру двумя основными способами. Во-первых, водяной пар в атмосфере содержит "скрытую" энергию. Во время транспирации или испарения эта скрытая теплота отводится от поверхностной жидкости, охлаждая поверхность Земли. Это самый значительный нерадиационный эффект охлаждения на поверхности. Он компенсирует примерно 70% среднего чистого радиационного потепления на поверхности. Во-вторых, водяной пар – наиболее распространенный из всех парниковых газов. Водяной пар, подобно зеленой линзе, пропускающей зеленый свет, но поглощающей красный, является "селективным поглотителем". Как и другие парниковые газы, водяной пар прозрачен для большей части солнечной энергии. Однако он поглощает инфракрасное излучение, испускаемое (излучаемое) вверх поверхностью Земли, что объясняет, почему влажные районы почти не охлаждаются ночью, а сухие пустынные регионы значительно остывают. Это селективное поглощение и вызывает парниковый эффект. Оно повышает температуру поверхности существенно выше теоретической температуры радиационного равновесия с Солнцем, и водяной пар вносит больший вклад в это потепление, чем любой другой парниковый газ. Однако, в отличие от большинства других парниковых газов, вода не только находится ниже точки кипения во всех регионах Земли, но и ниже точки замерзания на многих высотах. Будучи конденсируемым парниковым газом, она выпадает в виде осадков, с гораздо меньшей высотой масштаба и более коротким временем жизни в атмосфере – неделями вместо десятилетий. Без других парниковых газов температура черного тела Земли, ниже точки замерзания воды, привела бы к удалению водяного пара из атмосферы. Таким образом, водяной пар является "зависимым" от неконденсируемых парниковых газов.

Животные и растения

Влажность – один из фундаментальных абиотических факторов, определяющих любую среду обитания (тундра, водно-болотные угодья и пустыня – лишь несколько примеров), и является определяющим фактором, влияющим на то, какие животные и растения могут успешно существовать в данной среде. Человеческое тело рассеивает тепло посредством потоотделения и испарения пота. Тепловая конвекция в окружающий воздух и тепловое излучение – основные способы переноса тепла от тела. При высокой влажности скорость испарения пота с кожи снижается. Кроме того, если атмосфера во время высокой влажности такая же теплая или теплее кожи, кровь, поступающая к поверхности тела, не может рассеивать тепло путем теплопроводности в воздух. Поскольку значительный объем крови направляется к внешней поверхности тела, меньше крови поступает к активным мышцам, мозгу и другим внутренним органам. Физическая сила снижается, а усталость наступает быстрее, чем обычно. Также могут ухудшаться концентрация внимания и умственные способности, что может привести к тепловому удару или гипертермии. Домашним растениям и животным (например, ящерицам) для оптимального развития требуется регулярное поддержание определенного уровня влажности при выращивании в домашних условиях и в контейнерах. Способы повышения влажности для растений включают: поддоны с влажным наполнителем (например, с галькой), влажностные куполы, увлажнители воздуха, ежедневное ручное опрыскивание, теплицы (или ящики для укоренения) или выращивание растений в естественной среде с повышенной влажностью (например, в ванной комнате).

Строительство зданий

Обычные методы строительства часто приводят к созданию ограждающих конструкций с плохой теплоизоляцией, что требует применения системы теплоизоляции и пароизоляции, предназначенной для поддержания комфортного микроклимата в помещении и защиты от внешних воздействий. Энергоэффективная и герметичная архитектура, получившая распространение в 20-м веке, также препятствовала перемещению влаги, что привело к вторичной проблеме – образованию конденсата внутри и вокруг стен, способствующего развитию плесени и грибка. Кроме того, в зданиях с неправильно изолированными фундаментами вода может проникать сквозь стены за счет капиллярного впитывания в пористые материалы. Разработка решений для энергоэффективных зданий, предотвращающих образование конденсата, является актуальной задачей современной архитектуры. Для поддержания комфортного климата в зданиях, оборудованных системами ОВК, ключевым является поддержание относительной влажности в комфортном диапазоне – достаточно низком для обеспечения комфорта, но достаточно высоком, чтобы избежать проблем, связанных с чрезмерно сухим воздухом. При высокой температуре и низкой относительной влажности вода испаряется быстро: почва высыхает, мокрая одежда на веревке или сушилке быстро сохнет, а пот легко испаряется с кожи. Деревянная мебель может сжиматься, что приводит к растрескиванию покрытия. При низкой температуре и высокой относительной влажности испарение воды замедляется. При приближении относительной влажности к 100% на поверхностях может образовываться конденсат, вызывающий проблемы с плесенью, коррозией, гниением и другими повреждениями, связанными с влагой. Конденсат может представлять угрозу безопасности, способствуя росту плесени и гниению древесины, а также возможному замерзанию аварийных выходов. Определенные производственные и технологические процессы, а также обработки на заводах, в лабораториях, больницах и других объектах требуют поддержания конкретного уровня относительной влажности с использованием увлажнителей, осушителей и соответствующих систем управления.

Транспортные средства

Основные принципы, изложенные выше, применимы и к транспортным средствам. Помимо этого, могут возникать вопросы безопасности. Например, высокая влажность внутри транспортного средства может приводить к проблемам с конденсатом, таким как запотевание лобового стекла и короткое замыкание электрических компонентов. В транспортных средствах и сосудах, работающих под давлением, таких как самолеты, подводные лодки и космические аппараты, эти факторы могут быть критически важны для безопасности, и требуются сложные системы контроля окружающей среды, включая оборудование для поддержания давления.

Авиация

Авиалайнеры работают с низкой внутренней относительной влажностью, часто менее 20%, особенно на длительных рейсах. Низкая влажность обусловлена забором очень холодного воздуха с низкой абсолютной влажностью, который встречается на крейсерских высотах авиалайнеров. Последующий нагрев этого воздуха снижает его относительную влажность. Это вызывает дискомфорт, такой как жжение в глазах, сухость кожи и пересыхание слизистых оболочек, однако увлажнители не используются для повышения влажности до комфортного среднего уровня, поскольку объем воды, необходимый для перевозки на борту, может привести к значительному увеличению веса. По мере снижения авиалайнера с более холодных высот в более теплый воздух, возможно, даже при полете сквозь облака на высоте нескольких тысяч футов над землей, окружающая относительная влажность может резко возрасти. Часть этого влажного воздуха обычно поступает в герметизированную кабину самолета и в другие негерметизированные отсеки, где конденсируется на холодной обшивке самолета. Жидкую воду часто можно увидеть стекающей по обшивке самолета как внутри, так и снаружи кабины. Из-за резких изменений относительной влажности внутри самолета, компоненты должны быть сертифицированы для работы в таких условиях. Рекомендуемые экологические требования для большинства компонентов коммерческих самолетов указаны в RTCA DO 160. Холодный, влажный воздух способствует образованию льда, который представляет опасность для самолетов, поскольку изменяет профиль крыла и увеличивает вес. В двигателях внутреннего сгорания с естественной аспирацией существует дополнительная опасность образования льда внутри карбюратора. Поэтому в авиационных сводках погоды (METAR) указывается относительная влажность, обычно в виде точки росы. Пилоты должны учитывать влажность при расчете дистанции разгона, поскольку высокая влажность требует более длинной взлетно-посадочной полосы и снижает характеристики набора высоты. Высота плотности – это высота относительно стандартных атмосферных условий (Международной стандартной атмосферы), при которой плотность воздуха будет равна измеренной плотности воздуха в месте наблюдения, то есть высота, определяемая по плотности воздуха, а не по расстоянию от земли. "Высота плотности" – это высота давления, скорректированная на нештатную температуру. Повышение температуры и, в меньшей степени, влажности приводит к увеличению высоты плотности. Таким образом, в жарких и влажных условиях высота плотности в определенном месте может быть значительно выше истинной высоты.

Электроника

Электронные устройства часто рассчитаны на работу только в определенных условиях влажности (например, от 10% до 90%). Оптимальная влажность для электронных устройств составляет от 30% до 65%. При верхнем пределе этого диапазона влага может повысить проводимость проницаемых изоляторов, что приведет к сбоям в работе. Слишком низкая влажность может сделать материалы хрупкими. Особую опасность для электронных устройств, независимо от заявленного диапазона рабочей влажности, представляет конденсация. При перемещении электронного устройства из холодного места (например, гаража, автомобиля, сарая, помещения с кондиционером в тропиках) в теплое и влажное место (дом, открытое пространство в тропиках) конденсация может образоваться на печатных платах и других изоляторах, вызывая короткое замыкание внутри оборудования. Включение такого оборудования до полного испарения конденсата может привести к значительному и необратимому повреждению. Аналогичный эффект конденсации можно наблюдать, например, когда человек в очках заходит с улицы в теплое помещение – очки запотевают. Рекомендуется дать электронному оборудованию акклиматизироваться в течение нескольких часов после перемещения из холодного места, прежде чем включать его. Некоторые устройства способны обнаруживать подобные изменения и сигнализировать (обычно символом капли) о невозможности использования до тех пор, пока не исчезнет риск конденсации. В ситуациях, когда время ограничено, увеличение воздушного потока внутри устройства, например, снятие боковой панели компьютерного корпуса и направление вентилятора внутрь, значительно сократит время акклиматизации. Напротив, очень низкая влажность способствует накоплению статического электричества, что может привести к спонтанному отключению компьютеров при разряде. Помимо случайных сбоев в работе, электростатические разряды могут вызвать диэлектрический пробой твердотельных компонентов, приводящий к необратимым повреждениям. По этим причинам в центрах обработки данных часто контролируют уровень относительной влажности.

Промышленность

Высокая влажность часто оказывает негативное влияние на производительность химических заводов и нефтеперерабатывающих предприятий, использующих печи в определенных процессах (например, паровой риформинг, процессы влажной серной кислоты). Например, поскольку влажность снижает концентрацию кислорода в окружающем воздухе (в сухом воздухе обычно содержится 20,9% кислорода, а при 100% относительной влажности – 20,4% кислорода), вентиляторам отвода дымовых газов требуется забирать воздух с большей производительностью, чем необходимо для поддержания той же интенсивности горения.

Печь

Высокая влажность в духовке, характеризующаяся повышенной температурой по влажному термометру, увеличивает теплопроводность воздуха вокруг выпекаемого изделия, что ускоряет процесс выпечки или может привести к подгоранию. Напротив, низкая влажность замедляет процесс выпечки.

Другие важные факты

При 100% относительной влажности воздух насыщен и находится в точке росы: давление водяного пара не позволит ни испарению находящейся рядом жидкости, ни конденсации для увеличения объема этой жидкости; ни сублимации находящегося рядом льда, ни осаждению для увеличения объема этого льда. Относительная влажность может превышать 100%, в этом случае воздух перенасыщен. Для образования облаков требуется перенасыщенный воздух. Ядра конденсации облаков снижают степень перенасыщения, необходимую для образования туманов и облаков. В отсутствие ядер, вокруг которых могут формироваться капли или кристаллы льда, для их спонтанного образования требуется более высокая степень перенасыщения. В облачной камере Уилсона, используемой в экспериментах по ядерной физике, внутри камеры создается состояние перенасыщения, а движущиеся субатомные частицы выступают в качестве ядер конденсации, поэтому следы тумана показывают траектории этих частиц. Для заданной точки росы и соответствующей абсолютной влажности относительная влажность будет изменяться обратно пропорционально температуре, хотя и нелинейно. Это связано с тем, что давление водяного пара увеличивается с повышением температуры – принцип, лежащий в основе работы всего, от фенов до осушителей. Из-за возрастающего потенциала для более высокого парциального давления водяного пара при более высоких температурах воздуха, содержание воды в воздухе на уровне моря может достигать 3% по массе при температуре, по сравнению с не более чем 0,5% по массе при температуре. Это объясняет низкий уровень влажности (при отсутствии мер по увлажнению) в отапливаемых помещениях зимой, что приводит к сухости кожи, зуду в глазах и накоплению статического электричества. Даже при насыщении (100% относительной влажности) на улице, нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, поступающего в помещение, повышает его влагоемкость, что снижает относительную влажность и увеличивает скорость испарения с влажных поверхностей в помещении, включая человеческое тело и комнатные растения. Аналогично, летом во влажном климате большое количество жидкой воды конденсируется из воздуха, охлаждаемого кондиционерами. Теплый воздух охлаждается ниже точки росы, и избыточный водяной пар конденсируется. Этот феномен аналогичен образованию капель воды на внешней стороне стакана с ледяным напитком. Существует эмпирическое правило, согласно которому максимальная абсолютная влажность удваивается при каждом увеличении температуры на. Таким образом, относительная влажность снижается в два раза при каждом увеличении температуры на, при условии сохранения абсолютной влажности. Например, в диапазоне нормальных температур воздух при и 50% относительной влажности станет насыщенным при охлаждении до, его точки росы, а воздух при 80% относительной влажности, нагретый до, будет иметь относительную влажность всего 29% и казаться сухим. Для сравнения, стандарт теплового комфорта ASHRAE 55 требует, чтобы системы, предназначенные для контроля влажности, поддерживали точку росы, хотя нижний предел влажности не установлен.

Общие источники

Агентство по охране окружающей среды США, "Качество воздуха в помещениях в крупных зданиях" Получено 9 января 2006 г.