4. Абсолютная влажность воздуха. Относительная влажность воздуха. Психрометр. Гигрометр. Кипение.

Абсолютная влажность воздуха — физическая величина, показывающая массу водяных паров, содержащихся в 1 м³ воздуха. Другими словами, это плотность водяного пара в воздухе. Обычно обозначается буквой f.

Абсолютная влажность воздуха рассчитывается по следующей формуле:

,

где V — объём влажного воздуха, а m — масса водяного пара, содержащегося в этом объёме.

Обычно используемая единица абсолютной влажности: [f] = 1 г/м³.

Абсолютная влажность воздуха зависит от температурного режима и переноса (адвекции) влаги с океаническими массами воздуха. При одной и той же температуре воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь состояния полного насыщения. Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения носит название влагоёмкости. Величина влагоёмкости воздуха резко возрастает с увеличением его температуры.

Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Обозначается греческой буквой φ.

Относительная влажность

Эквивалентное определение — отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется в процентах и определяется по формуле:

где:  — относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха);  — парциальное давление паров воды в смеси;  — равновесное давление насыщенного пара.

Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).

Оценка относительной влажности

Относительная влажность водно-воздушной смеси может быть оценена, если известны её температура (T) и температура точки росы (T_d). Когда T и T_d выражены в градусах Цельсия, тогда истинно выражение:

^[1]

где парциальное давление водного пара в смеси оценено e_p :

и влажное давление пара воды в смеси при температуре оценено e_s :

Психро́метр — прибор для измерения влажности воздуха и его температуры.

Простейший психрометр состоит из двух независимых термодатчиков, один из которых используется как сухой термометр, а другой — как влажный. Влажный термодатчик обернут хлопчатобумажной тканью, которая находится в сосуде с водой. Благодаря протекающему воздушному потоку и, вследствие этого, испарению, поверхность увлажнённого термодатчика охлаждается. Одновременно измеряется температура окружающего воздуха с помощью второго термодатчика (температура сухого термометра). Полученная таким образом разность температур является мерой относительной влажности — количества влаги, находящейся в воздухе относительно максимально возможного при данной температуре.

Самый простой комнатный психрометр состоит из двух спиртовых термометров, один из которых имеет устройство увлажнения. В конструкции прибора обычно включается таблица для чтения показаний - психрометрическая таблица, позволяющая, зная температуру каждого из термометров, найти относительную влажность воздуха. На практике для поиска по таблице необходимо знать показания мокрого (часто сухого) термометра и разницу показаний сухого и мокрого термометров.

На показания психрометра влияют давление и высота над уровнем моря, поэтому для точных измерений проводят приведение к уровню моря.

Современные психрометры можно разделить на три категории: станционные, аспирационные и дистанционные. В станционных психрометрах термометры закреплены на специальном штативе в метеорологической будке. Основной недостаток станционных психрометров — зависимость показаний увлажнённого термометра от скорости воздушного потока в будке. Основной станционный психрометр - психрометр Августа ^[1]. В аспирационном психрометре (например, психрометр Ассмана)^[1] термометры расположены в специальной оправе, защищающей их от повреждений и теплового излучения окружающих предметов, где обдуваются с помощью аспиратора (вентилятора) потоком исследуемого воздуха с постоянной скоростью около 2 м/с. При положительной температуре воздуха аспирационный психрометр — наиболее надёжный прибор для измерения температуры и влажности воздуха. В дистанционных психрометрах используются термометры сопротивления, терморезисторы.

Гигрометр — измерительный прибор для определения влажности воздуха. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: весовой, волосной, плёночный и прочих.

Весовой (абсолютный) гигрометр состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после измерения, а также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет измерять относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы.

Плёночный гигрометр имеет чувствительный элемент из органической плёнки, которая растягивается при повышении влажности и сжимается при понижении. Изменение положения центра плёночной мембраны передаётся стрелке. Волосной и плёночный гигрометр в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора — психрометра, который также применяется для измерения влажности воздуха.

В электролитическом гигрометре пластинку из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают гигроскопическим слоем электролита — хлористого лития — со связующим материалом. При изменении влажности воздуха меняется концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление; недостаток этого гигрометра — зависимость показаний от температуры.

Действие керамического гигрометра основано на зависимости электрического сопротивления твёрдой и пористой керамической массы (смесь глины, кремния, каолина и некоторых окислов металла) от влажности воздуха.

Конденсационный гигрометр определяет точку росы по температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент появления на нём следов воды (или льда), конденсирующейся из окружающего воздуха. Конденсационный гигрометр состоит из устройства для охлаждения зеркальца, оптического или электрического устройства, фиксирующего момент конденсации, и термометра, измеряющего температуру зеркальца. В современных конденсационных гигрометрах для охлаждения зеркальца пользуются полупроводниковым элементом, принцип действия которого основан на Пельтье эффекте, а температура зеркальца измеряется вмонтированным в него проволочным сопротивлением или полупроводниковым микротермометром.

Всё большее распространение находят электролитические гигрометры с подогревом, действие которых основано на принципе измерения точки росы над насыщенным соляным раствором (обычно хлористым литием), которая для данной соли находится в известной зависимости от влажности. Чувствительный элемент состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет чулок из стекловолокна, пропитанный раствором хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.

Кипение - это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё. Кипение  происходит с поглощением теплоты. Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара. В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре. Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

. где m - масса жидкости (кг), L - удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L ] = 1 Дж/ кг С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот. Во время кипения температура жидкости не меняется.. Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость. Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения. При увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления - наоборот.. Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.