Воздух под наблюдением

Spectrum · 13 · ПОЛНОЕ ЧТЕНИЕ

01. Невидимая вода вокруг нас

В прозрачном воздухе есть водяной пар — вода в газообразном состоянии. Белый туман состоит уже из капель, а не из отдельных невидимых молекул пара. Влажность описывает содержание пара. Чтобы судить о ней, нужны измерения: ощущение «душно» зависит также от температуры, движения воздуха и других условий. В этом уроке мы сравним две характеристики влажности, прочитаем показания приборов и объясним, почему холодное стекло покрывается каплями.

02. Абсолютная влажность: масса в объёме

Абсолютная влажность ρ — масса водяного пара в единице объёма воздуха. Формула ρ = m / V. Здесь m — именно масса пара, а не всего воздуха; V — объём образца. Удобная единица — г/м³. Например, 8,65 г пара в 1 м³ дают 8,65 г/м³. В 2 м³ при той же плотности будет 17,3 г пара. Большая общая масса ещё не означает большую абсолютную влажность: обязательно сравни объёмы.

03. Насыщение зависит от температуры

При равновесии с жидкой водой при заданной температуре пар имеет определённую плотность ρₛ. Такой пар называется насыщенным. При повышении температуры ρₛ возрастает: например, около 9,4 г/м³ при 10 °C, 17,3 при 20 °C и 30,4 при 30 °C. Это округлённые учебные значения. Воздух не является губкой с пустыми ячейками: насыщение определяется равновесием воды и её пара. При этом испарение и конденсация продолжаются.

04. Относительная влажность: что означает процент

Относительная влажность φ показывает, насколько пар близок к насыщению при той же температуре. В школьной модели φ = (ρ / ρₛ) · 100%. При 20 °C и ρ = 8,65 г/м³ получаем 8,65 / 17,3 · 100% = 50%. Это не означает, что половина воздуха состоит из воды. Мы сравнили две плотности пара. В метеорологии часто используют эквивалентное приближение через отношение давления пара к давлению насыщения.

05. Нагрев без добавления воды

В опыте на странице герметичная камера имеет постоянный объём 1 м³. В ней 8,65 г пара. При нагреве от 20 до 30 °C масса и объём не меняются, поэтому абсолютная влажность остаётся 8,65 г/м³. Плотность насыщенного пара возрастает до 30,4 г/м³, и относительная влажность уменьшается примерно до 28,5%. Вода не исчезла: изменилось значение, с которым мы её сравниваем. В модели нет жидкой воды, её испарения и обмена веществом через стенки.

06. Охлаждение и точка росы

Если охлаждать влажный воздух без удаления пара, он приближается к насыщению. Точка росы — температура, при которой при таком охлаждении начинается насыщение и может появиться конденсат. Для воздуха при 20 °C и 60% относительной влажности расчётная точка росы около 12 °C. Поверхность с температурой 8 °C холоднее этого порога: около неё пар может конденсироваться. Точка росы зависит от содержания пара и условий охлаждения; это не постоянные 0 или 100 °C.

07. Почему запотевает окно

Стекло может быть холоднее воздуха комнаты. Водяной пар воздуха у поверхности охлаждается, образуя капли, если поверхность достаточно холодна. На странице воздух остаётся при 20 °C; отдельно изменяются его влажность и температура стекла. Порог вычислен приближённой формулой Магнуса для обычного давления. Количество капель и время их роста не рассчитываются. При равенстве температуре точки росы показано начало насыщения; ниже порога — условия для конденсации.

08. Роса и туман — разные места появления капель

Роса — капли на поверхности, например на траве. Ночью поверхность теряет энергию излучением и может стать холоднее окружающего воздуха. Поэтому роса бывает даже тогда, когда температура воздуха ещё выше точки росы: важна температура самой травы. Туман — множество мелких капель, взвешенных в воздухе. Оба явления связаны с конденсацией, но капли появляются в разных местах.

09. Два термометра психрометра

Психрометр — прибор для определения влажности по двум температурам. Сухой термометр измеряет температуру воздуха. Резервуар второго термометра обёрнут влажной тканью. Испаряющаяся вода отбирает энергию, поэтому влажный термометр обычно показывает меньше сухого. Прибору нужны чистая влажная ткань, вода, достаточный обдув и время для устойчивых показаний. Сам по себе сухой фитиль не делает второй термометр «влажным».

10. Как прочитать психрометрическую таблицу

Сначала запиши температуру сухого термометра. Затем вычти показание влажного: ΔT = Tсух − Tвлаж. Найди строку по сухой температуре и столбец по разности. На пересечении прочитай относительную влажность. Например, 20 и 16 °C дают разность 4 °C. В таблице урока строка 20 и столбец 4 дают 66%. У другого прибора или при других условиях нужна его собственная таблица: давление и обдув влияют на результат.

11. Что означает маленькая разность

При одной и той же сухой температуре большая разность обычно означает более сухой воздух: испарение охлаждает влажный термометр сильнее. При насыщении оба показания совпадают. Но разности без сухой температуры недостаточно. В нашей таблице при разности 4 °C строка 16 °C даёт 62%, а строка 26 °C — 71%. Нельзя пользоваться одним числом разности для всех температур.

12. Влажная температура — не точка росы

Влажная температура устанавливается при совместном действии испарительного охлаждения и поступления тепла. Точка росы описывает насыщение при охлаждении без удаления пара. Это разные условия. В обычном ненасыщенном воздухе точка росы ниже влажной температуры, а влажная температура ниже сухой. При насыщении все три могут совпасть. Поэтому нельзя назвать 16 °C точкой росы только потому, что столько показывает влажный термометр.

13. Волос, зеркало и электронный датчик

Волосной гигрометр использует изменение длины обработанного волоса при изменении влажности; механизм поворачивает стрелку. Конденсационный гигрометр охлаждает поверхность и обнаруживает начало появления росы, измеряя её температуру. В современном ёмкостном датчике тонкий полимер поглощает и отдаёт воду. Меняется его электрическая ёмкость, а электроника преобразует сигнал в показание. У каждого прибора есть калибровка и ограничения.

14. Почему в музеях наблюдают за влажностью

Дерево, бумага и другие материалы могут поглощать и отдавать влагу, меняя размеры. Изменения влажности имеют значение для хранения коллекций. Для разных материалов и состояний нужны разные условия; одного идеального процента для любого экспоната нет. В игровой задаче задан конкретный учебный диапазон 40–60%: он является условием задания, а не универсальной музейной нормой.

15. Два способа уменьшить показание

Нагрев при неизменном объёме и массе пара уменьшает относительную влажность, но не удаляет воду. Осушитель удаляет часть пара из воздуха. Эти действия нельзя считать одинаковыми. В задаче о витрине нужно убрать избыток влаги при сохранении температуры: поэтому подходит осушение, а не один только нагрев. В настоящей комнате проветривание зависит от того, сколько пара содержит наружный воздух; низкий процент сам по себе недостаточен для сравнения.

16. Как записать собственные показания

Снимай показания после установления температуры и сравнивай с таблицей своего прибора. На странице журнал принимает две температуры. Он вычисляет разность и влажность только для строк и столбцов учебной таблицы. Дробные значения или отсчёты вне таблицы сохраняются с пометкой «не рассчитано». Неожиданное показание влажного термометра выше сухого тоже сохраняется для обсуждения, без придуманной влажности. Учебный пример явно помечен. Для сохранения скачай CSV.

17. Типичные ошибки и проверка результата

Не считай процент долей воды в общей массе воздуха. Не меняй местами сухую температуру и разность в таблице. Не называй влажную температуру точкой росы. Не делай вывод о количестве пара только по проценту, если температуры разные. Проверь единицы и условия: г/м³ — плотность; °C — температура; % — относительная влажность. Значение выше 100% не является обычным устойчивым состоянием нашей модели равновесия.

18. Что теперь можно объяснить

Ты можешь вычислить массу пара по абсолютной влажности и объёму, найти относительную влажность по двум плотностям при одной температуре, прочитать психрометрическую таблицу и отличить росу от невидимого пара. Ты также можешь объяснить два разных результата: при нагреве процент уменьшается без удаления воды; при охлаждении холодной поверхности появляются условия для конденсации. Следующий урок исследует кипение и роль давления.

Проверь себя

1. Что измеряет абсолютная влажность?

Массу водяного пара в единице объёма воздуха.

2. 8,65 г пара находятся в 0,5 м³. Найди ρ.

8,65 / 0,5 = 17,3 г/м³.

3. ρ = 8,65 г/м³. Сколько пара в 2 м³?

m = ρV = 17,3 г.

4. Что означает φ = 50%?

Плотность пара вдвое меньше плотности насыщенного пара при той же температуре.

5. При 20 °C ρ = 17,3 г/м³. Найди φ.

100% по таблице урока.

6. Почему нагрев может уменьшить процент?

Плотность насыщенного пара возрастает; при неизменной плотности имеющегося пара их отношение уменьшается.

7. Удаляет ли нагрев воду из закрытой камеры?

Нет: если обмена веществом нет, масса воды сохраняется.

8. Что называют точкой росы?

Температуру достижения насыщения при охлаждении влажного воздуха без удаления пара в заданных условиях.

9. Воздух 20 °C, φ = 60%, стекло 8 °C. Ожидать ли конденсацию?

Да. В модели точка росы около 12 °C, стекло холоднее.

10. Почему роса может быть при воздухе выше точки росы?

Сама поверхность может быть холоднее воздуха.

11. Чем туман отличается от пара?

Туман содержит жидкие капли; газообразный водяной пар невидим.

12. Что измеряет сухой термометр?

Температуру воздуха.

13. Почему влажный термометр обычно холоднее?

Испарение воды с ткани расходует энергию и охлаждает резервуар.

14. Сухой 20 °C, влажный 16 °C. Найди разность и φ.

Разность 4 °C; по учебной таблице 66%.

15. Сухой 24 °C, влажный 22 °C. Найди φ.

Разность 2 °C; таблица даёт 84%.

16. Когда оба термометра показывают одинаково?

При насыщении в исправном, правильно используемом приборе; отсутствие разности при сухой ткани требует проверки.

17. Является ли влажная температура точкой росы?

Обычно нет. Это температуры, определённые разными процессами.

18. Почему нельзя сравнивать влажность только по разности?

Нужна также сухая температура: она задаёт строку таблицы.

19. Как работает волосной гигрометр?

Изменение длины обработанного волоса передаётся механизму стрелки.

20. Чем осушение отличается от нагрева?

Осушение удаляет часть пара; нагрев без обмена веществом только меняет относительную влажность.

Учителю

Материал рассчитан на два занятия. На первом сравните массу, плотность и процент, затем исследуйте холодное стекло. На втором снимите два отсчёта, прочитайте таблицу и выполните игровые задания. Не представляйте насыщение как механическую вместимость воздуха. Отдельно проговорите, какие условия постоянны: герметичная камера сохраняет массу и объём, модель окна рассматривает воздух комнаты при заданной температуре и обычном давлении. Психрометрическая таблица здесь учебная: для реального прибора нужны его паспорт, давление и условия обдува. Опыт с эфиром не предлагается для самостоятельного выполнения. Реальные измерения учеником не заявлены; журнал лишь помогает обработать введённые данные. Проверьте, что ученик может объяснить правильный ответ, а не только найти число.

Словарь RU / EN