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

Единица абсолютной влажности в СИкилограмм на метр кубический: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 (ρн.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 ρн.п (t) — плотности насыщенного водяного пара от температуры; ρа — абсолютная влажность

Относительная влажность также увеличится, если уменьшить температуру воздуха (рис. 32.1, б). При температуре tр (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 tр.

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 tр), измерьте температуру воды (tр).