Физика. Уровень стандарта. 10 класс. Барьяхтар

§ 32. Влажность воздуха. Точка росы

Известно, что человек примерно на 70 % состоит из воды, при этом не все догадываются, что в жизни человека значительную роль играет уровень влажности атмосферы. Однако мы интуитивно чувствуем, что обычно влажный воздух полезен для здоровья, поэтому стремимся отдыхать на берегу моря, реки, озера. Выясним, от каких факторов зависит влажность воздуха и как ее можно изменить.

1. Что такое влажность воздуха

Воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Содержание водяного пара в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютная влажность ρ_а — физическая величина, которая характеризует содержание водяного пара в воздухе и численно равна массе водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха:

Единица абсолютной влажности в СИ — килограмм на метр кубический: [ρ_а] = 1 кг/м³ (kg/m³).

Обычно абсолютную влажность приводят в г/м³. В экваториальных широтах она может достигать 30 г/м³, к полюсам Земли снижается до 0,1 г/м³.

Относительная влажность φ — физическая величина, которая показывает, насколько водяной пар близок к насыщению, и равна выраженному в процентах отношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре:

Плотность насыщенного водяного пара (ρ_н.п) при данной температуре — величина постоянная, поэтому ее заносят в таблицы (табл. 1) или представляют в виде графиков (рис. 32.1). Обратите внимание на два момента.

Таблица 1

Давление и плотность насыщенного водяного пара

t, °С	рн.п, кПа	ρн.п, г/м3
0	0,61	4,8
2	0,71	5,6
4	0,81	6,4
6	0,93	7,3
8	1,07	8,3
10	1,23	9,4
12	1,40	10,7
14	1,60	12,1
16	1,81	13,6
18	2,07	15,4
20	2,33	17,3
22	2,64	19,4
24	2,99	21,8
26	3,36	24,4
28	3,79	27,2
30	4,24	30,3

2. Точка росы

Анализ графика на рис. 32.1, а показывает, что относительную влажность можно увеличить, увеличив абсолютную влажность, то есть увеличив массу водяного пара в воздухе. Если на кухне долго кипятить воду, то относительная влажность может достигнуть 100 % (точка С графика), а кафель покроется влагой.

Рис. 32.1. Графики зависимости ρ_н.п (t) — плотности насыщенного водяного пара от температуры; ρ_а — абсолютная влажность

Относительная влажность также увеличится, если уменьшить температуру воздуха (рис. 32.1, б). При температуре t_р (в точке В) пар становится насыщенным (относительная влажность достигает 100 %). В дальнейшем даже незначительное уменьшение температуры приведет к тому, что избыточный водяной пар будет конденсироваться и выпадать в виде росы или тумана. Так под утро, когда температура воздуха резко уменьшается, на траве выпадает роса, а над поверхностью водоемов появляется туман.

Температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы t_р.

3. Как измерить влажность воздуха

Приборы для прямого измерения влажности воздуха называют гигрометрами. Наиболее часто употребляемые виды гигрометров — волосяной (волосной) и психрометрический. Принцип действия волосяного гигрометра (рис. 32.2) базируется на свойстве обезжиренного волоса увеличивать свою длину с увеличением влажности воздуха. Зимой волосяной гигрометр является основным прибором для измерения влажности воздуха вне помещений.

Рис. 32.2. Строение волосяного гигрометра: волос 1 натягивают на металлическую рамку 2; изменение длины волоса передается стрелке 3, которая перемещается вдоль шкалы 4

Чаще всего используют гигрометр психрометрический — психрометр. Его действие основано на двух фактах: 1) скорость испарения жидкости тем выше, чем ниже относительная влажность воздуха; 2) жидкость при испарении охлаждается. Психрометр состоит из двух термометров — сухого, измеряющего температуру окружающей среды, и влажного — его колба обернута тканью, конец которой опущен в сосуд с водой (рис. 32.3). Вода из ткани испаряется, и влажный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем ниже относительная влажность, тем быстрее испаряется жидкость и тем больше разница показаний сухого и влажного термометров. Относительную влажность определяют с помощью психрометрической таблицы (табл. 2). Например, сухой термометр показывает 15 °С, а влажный 10 °С; разность температур Δt = 5 °C. Из табл. 2 видим, что φ = 52 %.

Рис. 32.3. Гигрометр психрометрический: а — вид; б — устройство

• Какова относительная влажность, если оба термометра психрометра показывают одинаковую температуру?

Таблица 2

Психрометрическая таблица

Показания сухого термометра t, °С	Разность показаний сухого и влажного термометров Δt, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Относительная влажность φ, %
13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6
14	100	89	79	70	60	51	42	34	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12
16	100	90	81	71	62	54	46	37	30	22	15
17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17
18	100	91	82	73	65	56	49	41	34	27	20
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33

4. Почему нужно следить за влажностью воздуха

Человек чувствует себя хорошо при относительной влажности 50-65 %. Для его здоровья вредны как чрезмерно сухой, так и очень влажный воздух. Избыточная влажность способствует размножению различных болезнетворных грибков. В сухом воздухе человек быстро утомляется, у него першит в горле, пересыхают губы, становится сухой кожа и т. п. Если воздух слишком сухой, то пыль, не связанная влагой, летает по всему помещению, и это особенно опасно для людей, страдающих аллергией. Недостаточная влажность приводит к гибели чувствительных к уровню влажности домашних растений; трещины на предметах из дерева, расстроенные музыкальные инструменты — тоже результат недостаточной влажности воздуха.

Влажность воздуха важно учитывать в ткацком, кондитерском и других производствах; при хранении книг и картин; в лечении многих болезней и т. д.

Подводим итоги

• Приборы для измерения влажности называют гигрометрами.

• Температуру, при которой относительная влажность воздуха достигает 100 %, то есть водяной пар в воздухе становится насыщенным, называют точкой росы.

Контрольные вопросы

1. Приведите характеристики абсолютной и относительной влажностей воздуха как физических величин. 2. Как можно увеличить относительную влажность? 3. Какие приборы для определения влажности воздуха вы знаете? Опишите устройство и принцип действия каждого из них. 4. Что называют точкой росы? Как, зная точку росы, определить абсолютную влажность? относительную влажность?

Упражнение № 32

1. Почему на холодной водопроводной трубе образуются капли воды?

2. Почему человек легче переносит жару, если воздух сухой?

3. Почему зимой, когда работает отопление, воздух в помещениях сравнительно сухой? Что нужно делать, чтобы поддерживать оптимальную влажность воздуха?

4. На стене помещения, внутренний объем которого 100 м³, висит психрометр (см. рис. 32.3). Определите относительную и абсолютную влажности воздуха в помещении. Какова масса водяного пара в воздухе помещения? Какую массу воды нужно испарить, чтобы увеличить влажность до 50 %?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, когда и почему следует увеличивать (уменьшать) влажность воздуха.

Экспериментальное задание

«Гигрометр». Воспользовавшись металлической банкой с водой, спиртовым термометром и кусочками льда, определите влажность воздуха в вашей комнате.

1. Измерьте температуру в комнате.

2. Погрузите термометр в воду и постепенно охлаждайте ее, добавляя кусочки льда. Следите за поверхностью банки: как только она помутнеет (появятся мелкие капельки воды, то есть температура поверхности банки достигнет точки росы t_р), измерьте температуру воды (t_р).