Wilgotność
Wilgotność i higrometria |
---|
Pojęcia szczegółowe |
Pojęcia ogólne |
Miary i instrumenty |
Wilgotność to stężenie pary wodnej obecnej w powietrzu. Para wodna, stan gazowy wody, jest na ogół niewidoczna dla ludzkiego oka. Wilgotność wskazuje prawdopodobieństwo wystąpienia opadów , rosy lub mgły .
Wilgotność zależy od temperatury i ciśnienia w układzie będącym przedmiotem zainteresowania. Ta sama ilość pary wodnej skutkuje wyższą wilgotnością względną powietrza chłodnego niż powietrza ciepłego. Powiązanym parametrem jest punkt rosy . Ilość pary wodnej potrzebna do osiągnięcia nasycenia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura paczki powietrza spada, ostatecznie osiągnie punkt nasycenia bez dodawania lub utraty masy wody. Ilość pary wodnej zawartej w paczce powietrza może się znacznie różnić. Na przykład paczka powietrza bliskiego nasyceniu może zawierać 28 g wody na metr sześcienny powietrza o temperaturze 30 ° C (86 ° F), ale tylko 8 g wody na metr sześcienny powietrza o temperaturze 8 ° C (46 ° F) .
Powszechnie stosuje się trzy podstawowe pomiary wilgotności: bezwzględną, względną i specyficzną. Wilgotność bezwzględna jest wyrażana jako masa pary wodnej na objętość wilgotnego powietrza (w gramach na metr sześcienny) lub jako masa pary wodnej na masę suchego powietrza (zwykle w gramach na kilogram). Wilgotność względna , często wyrażona w procentach, wskazuje aktualny stan wilgotności bezwzględnej w stosunku do maksymalnej wilgotności przy tej samej temperaturze. Wilgotność właściwa to stosunek masy pary wodnej do całkowitej masy wilgotnego powietrza.
Wilgotność odgrywa ważną rolę w życiu na powierzchni. Dla życia zwierząt zależnego od pocenia się w celu regulacji wewnętrznej temperatury ciała, wysoka wilgotność pogarsza efektywność wymiany ciepła poprzez zmniejszenie szybkości odparowywania wilgoci z powierzchni skóry. Efekt ten można obliczyć za pomocą wskaźników ciepła , znanej również jako humidex .
Pojęcie „zatrzymywania” pary wodnej w powietrzu lub bycia nią „nasyconego” jest często wymieniane w związku z pojęciem wilgotności względnej. Jest to jednak mylące - ilość pary wodnej, która dostaje się (lub może dostać się) do danej przestrzeni w danej temperaturze, jest prawie niezależna od ilości obecnego powietrza (azotu, tlenu itp.). Rzeczywiście, próżnia ma w przybliżeniu taką samą zdolność równowagi do utrzymywania pary wodnej, jak ta sama objętość wypełniona powietrzem; oba są określone przez równowagową prężność pary wodnej w danej temperaturze. Istnieje bardzo mała różnica opisana w sekcji „Współczynnik wzmocnienia” poniżej, którą można pominąć w wielu obliczeniach, chyba że wymagana jest duża dokładność.
Definicje
Wilgotność bezwzględna
Wilgotność bezwzględna to całkowita masa pary wodnej obecnej w danej objętości lub masie powietrza. Nie bierze pod uwagę temperatury. Wilgotność bezwzględna w atmosferze waha się od bliskiej zeru do około 30 g (1,1 uncji) na metr sześcienny, gdy powietrze jest nasycone w temperaturze 30 ° C (86 ° F).
to masa pary wodnej mieszaniny powietrza i pary , co można wyrazić jako:
Wilgotność bezwzględna zmienia się wraz ze zmianą temperatury lub ciśnienia powietrza, jeśli objętość nie jest stała. To sprawia, że nie nadaje się do inżynierii chemicznej , np. w suszeniu, gdzie temperatura może się znacznie różnić. W rezultacie wilgotność bezwzględna w inżynierii chemicznej może odnosić się do masy pary wodnej na jednostkę masy suchego powietrza, znanej również jako stosunek wilgotności lub stosunek mieszania mas (patrz „wilgotność właściwa” poniżej), który jest lepiej dostosowany do ciepła i masy obliczenia bilansowe. Masa wody na jednostkę objętości, jak w powyższym równaniu, jest również definiowana jako wilgotność objętościowa . Ze względu na potencjalne zamieszanie, brytyjska norma BS 1339 sugeruje unikanie terminu „wilgotność bezwzględna”. Jednostki należy zawsze dokładnie sprawdzać. Wiele wykresów wilgotności podaje się w g/kg lub kg/kg, ale można użyć dowolnych jednostek masy.
Dziedzina zajmująca się badaniem właściwości fizycznych i termodynamicznych mieszanin gazów i par nosi nazwę psychrometria .
Wilgotność względna
Wilgotność względna i wody jest definiowana jako stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu do ciśnienia pary nasyconej wody w tej samej temperaturze, zwykle wyrażonej w procentach: (
Innymi słowy, wilgotność względna to stosunek ilości pary wodnej w powietrzu do ilości pary wodnej, którą powietrze może potencjalnie zawierać w danej temperaturze. Zmienia się w zależności od temperatury powietrza: zimniejsze powietrze może zawierać mniej pary. Tak więc zmiana temperatury powietrza może zmienić wilgotność względną, nawet jeśli wilgotność bezwzględna pozostaje stała.
skraplanie pary wodnej (jeśli wilgotność względna wzrośnie powyżej 100%, punkt rosy ). Podobnie, ocieplające się powietrze zmniejsza wilgotność względną. Ogrzanie części powietrza zawierającego mgłę może spowodować jej odparowanie, ponieważ powietrze między kroplami wody staje się bardziej zdolne do zatrzymywania pary wodnej.
Wilgotność względna uwzględnia tylko niewidoczną parę wodną. Mgły, chmury, mgły i aerozole wodne nie są wliczane do miary wilgotności względnej powietrza, chociaż ich obecność wskazuje, że powietrze może znajdować się blisko punktu rosy.
Wilgotność względna jest zwykle wyrażana w procentach; wyższy procent oznacza, że mieszanina powietrza i wody jest bardziej wilgotna. Przy wilgotności względnej 100% powietrze jest nasycone i znajduje się w punkcie rosy. W przypadku braku ciała obcego, na którym kropelki lub kryształy mogą zarodkować , wilgotność względna może przekroczyć 100%, w którym to przypadku mówi się, że powietrze jest przesycone . Wprowadzenie niektórych cząstek lub powierzchni do powietrza o wilgotności względnej powyżej 100% umożliwi kondensację lub tworzenie się lodu na tych jądrach, usuwając w ten sposób część pary i obniżając wilgotność.
Wilgotność względna jest ważnym wskaźnikiem używanym w prognozach i raportach pogodowych, ponieważ jest wskaźnikiem prawdopodobieństwa wystąpienia opadów atmosferycznych , rosy lub mgły. Podczas gorącej letniej pogody wzrost wilgotności względnej zwiększa odczuwalną temperaturę dla ludzi (i innych zwierząt), utrudniając odparowywanie potu ze skóry. Na przykład, zgodnie z indeksem ciepła , wilgotność względna 75% przy temperaturze powietrza 80,0 °F (26,7 °C) będzie odczuwalna jako 83,6 °F ±1,3 °F (28,7 °C ±0,7 °C).
Wilgotność względna jest również kluczowym wskaźnikiem służącym do oceny, kiedy należy zainstalować podłogę na płycie betonowej.
Związek między wilgotnością bezwzględną, względną i temperaturą
W atmosferze ziemskiej na poziomie morza:
Temperatura | Wilgotność względna | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0% | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% | |
50 ° C (122 ° F) | 0 (0) | 8,3 (0,22) | 16,6 (0,45) | 24,9 (0,67) | 33,2 (0,90) | 41,5 (1,12) | 49,8 (1,34) | 58,1 (1,57) | 66,4 (1,79) | 74,7 (2,01) | 83,0 (2,24) |
45 ° C (113 ° F) | 0 (0) | 6,5 (0,18) | 13,1 (0,35) | 19,6 (0,53) | 26,2 (0,71) | 32,7 (0,88) | 39,3 (1,06) | 45,8 (1,24) | 52,4 (1,41) | 58,9 (1,59) | 65,4 (1,76) |
40 ° C (104 ° F) | 0 (0) | 5,1 (0,14) | 10,2 (0,28) | 15,3 (0,41) | 20,5 (0,55) | 25,6 (0,69) | 30,7 (0,83) | 35,8 (0,97) | 40,9 (1,10) | 46,0 (1,24) | 51,1 (1,38) |
35 ° C (95 ° F) | 0 (0) | 4,0 (0,11) | 7,9 (0,21) | 11,9 (0,32) | 15,8 (0,43) | 19,8 (0,53) | 23,8 (0,64) | 27,7 (0,75) | 31,7 (0,85) | 35,6 (0,96) | 39,6 (1,07) |
30 ° C (86 ° F) | 0 (0) | 3,0 (0,081) | 6,1 (0,16) | 9,1 (0,25) | 12,1 (0,33) | 15,2 (0,41) | 18,2 (0,49) | 21,3 (0,57) | 24,3 (0,66) | 27,3 (0,74) | 30,4 (0,82) |
25 ° C (77 ° F) | 0 (0) | 2,3 (0,062) | 4,6 (0,12) | 6,9 (0,19) | 9,2 (0,25) | 11,5 (0,31) | 13,8 (0,37) | 16,1 (0,43) | 18,4 (0,50) | 20,7 (0,56) | 23,0 (0,62) |
20 ° C (68 ° F) | 0 (0) | 1,7 (0,046) | 3,5 (0,094) | 5,2 (0,14) | 6,9 (0,19) | 8,7 (0,23) | 10,4 (0,28) | 12,1 (0,33) | 13,8 (0,37) | 15,6 (0,42) | 17,3 (0,47) |
15 ° C (59 ° F) | 0 (0) | 1,3 (0,035) | 2,6 (0,070) | 3,9 (0,11) | 5,1 (0,14) | 6,4 (0,17) | 7,7 (0,21) | 9,0 (0,24) | 10,3 (0,28) | 11,5 (0,31) | 12,8 (0,35) |
10 ° C (50 ° F) | 0 (0) | 0,9 (0,024) | 1,9 (0,051) | 2,8 (0,076) | 3,8 (0,10) | 4,7 (0,13) | 5,6 (0,15) | 6,6 (0,18) | 7,5 (0,20) | 8,5 (0,23) | 9,4 (0,25) |
5 ° C (41 ° F) | 0 (0) | 0,7 (0,019) | 1,4 (0,038) | 2,0 (0,054) | 2,7 (0,073) | 3,4 (0,092) | 4,1 (0,11) | 4,8 (0,13) | 5,4 (0,15) | 6,1 (0,16) | 6,8 (0,18) |
0 ° C (32 ° F) | 0 (0) | 0,5 (0,013) | 1,0 (0,027) | 1,5 (0,040) | 1,9 (0,051) | 2,4 (0,065) | 2,9 (0,078) | 3,4 (0,092) | 3,9 (0,11) | 4,4 (0,12) | 4,8 (0,13) |
−5 ° C (23 ° F) | 0 (0) | 0,3 (0,0081) | 0,7 (0,019) | 1,0 (0,027) | 1,4 (0,038) | 1,7 (0,046) | 2,1 (0,057) | 2,4 (0,065) | 2,7 (0,073) | 3,1 (0,084) | 3,4 (0,092) |
−10 ° C (14 ° F) | 0 (0) | 0,2 (0,0054) | 0,5 (0,013) | 0,7 (0,019) | 0,9 (0,024) | 1,2 (0,032) | 1,4 (0,038) | 1,6 (0,043) | 1,9 (0,051) | 2,1 (0,057) | 2,3 (0,062) |
−15 ° C (5 ° F) | 0 (0) | 0,2 (0,0054) | 0,3 (0,0081) | 0,5 (0,013) | 0,6 (0,016) | 0,8 (0,022) | 1,0 (0,027) | 1,1 (0,030) | 1,3 (0,035) | 1,5 (0,040) | 1,6 (0,043) |
−20 °C (−4 °F) | 0 (0) | 0,1 (0,0027) | 0,2 (0,0054) | 0,3 (0,0081) | 0,4 (0,011) | 0,4 (0,011) | 0,5 (0,013) | 0,6 (0,016) | 0,7 (0,019) | 0,8 (0,022) | 0,9 (0,024) |
−25 °C (−13 °F) | 0 (0) | 0,1 (0,0027) | 0,1 (0,0027) | 0,2 (0,0054) | 0,2 (0,0054) | 0,3 (0,0081) | 0,3 (0,0081) | 0,4 (0,011) | 0,4 (0,011) | 0,5 (0,013) | 0,6 (0,016) |
Specyficzna wilgotność
Wilgotność właściwa (lub zawartość wilgoci) to stosunek masy pary wodnej do całkowitej masy paczki powietrza. Wilgotność właściwa jest w przybliżeniu równa stosunkowi zmieszania , który definiuje się jako stosunek masy pary wodnej w paczce powietrza do masy suchego powietrza w tej paczce. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się również ilość pary wodnej potrzebnej do osiągnięcia nasycenia. Gdy temperatura paczki powietrza spada, ostatecznie osiągnie punkt nasycenia bez dodawania lub utraty masy wody.
Pojęcia pokrewne
Termin wilgotność względna jest zarezerwowany dla układów pary wodnej w powietrzu. Termin względne nasycenie jest używany do opisania analogicznej właściwości układów składających się z fazy skraplającej się innej niż woda w fazie nieskraplającej się innej niż powietrze.
Pomiar
Urządzenie służące do pomiaru wilgotności powietrza nazywa się psychrometrem lub higrometrem . Higrostat to przełącznik wyzwalany wilgotnością, często używany do sterowania osuszaczem .
Wilgotność mieszaniny powietrza i pary wodnej określa się za pomocą wykresów psychrometrycznych, jeśli znana jest zarówno temperatura termometru suchego ( T ), jak i temperatura termometru mokrego ( Tw ) mieszaniny. Wielkości te można łatwo oszacować za pomocą psychrometru zawiesiowego .
Istnieje kilka wzorów empirycznych, których można użyć do oszacowania równowagowej prężności pary wodnej w funkcji temperatury. Równanie Antoine'a należy do najmniej złożonych z nich i ma tylko trzy parametry ( A , B i C ). Inne wzory, takie jak równanie Goffa-Gratcha i przybliżenie Magnusa-Tetensa , są bardziej skomplikowane, ale dają lepszą dokładność. [ potrzebne źródło ]
Równanie Ardena Bucka jest powszechnie spotykane w literaturze dotyczącej tego tematu:
gdzie jest temperaturą termometru suchego wyrażoną w stopniach Celsjusza (° C), \ to równowagowa prężność pary wyrażona w milibarach. Buck poinformował, że maksymalny błąd względny jest mniejszy niż 0,20% między -20 a +50 ° C (-4 i 122 ° F), gdy ta szczególna postać uogólnionego wzoru jest używana do oszacowania równowagowej prężności pary wody.
Istnieją różne urządzenia służące do pomiaru i regulacji wilgotności. Standardy kalibracji dla najdokładniejszych pomiarów obejmują higrometr grawimetryczny, higrometr z chłodzonym lustrem i higrometr elektrolityczny. Metoda grawimetryczna, choć najdokładniejsza, jest bardzo kłopotliwa. Do szybkiego i bardzo dokładnego pomiaru skuteczna jest metoda schłodzonego lustra. Do pomiarów on-line procesu najczęściej stosowane obecnie czujniki oparte są na pomiarze pojemności pomiary do pomiaru wilgotności względnej, często z wewnętrznymi konwersjami, aby wyświetlić również wilgotność bezwzględną. Są tanie, proste, ogólnie dokładne i stosunkowo solidne. Wszystkie czujniki wilgotności mają problemy z pomiarem gazów zapylonych, takich jak strumienie spalin z suszarek do ubrań.
Wilgotność jest również mierzona w skali globalnej za pomocą zdalnie rozmieszczonych satelitów. Satelity te są w stanie wykryć stężenie wody w troposferze na wysokości od 4 do 12 km (2,5 do 7,5 mil). Satelity, które mogą mierzyć parę wodną, mają czujniki wrażliwe na promieniowanie podczerwone . Para wodna specyficznie pochłania i ponownie wypromieniowuje promieniowanie w tym paśmie widmowym. Satelitarne zdjęcia pary wodnej odgrywają ważną rolę w monitorowaniu warunków klimatycznych (takich jak powstawanie burz) oraz w opracowywaniu prognoz pogody .
Gęstość i objętość powietrza
Wilgotność zależy od parowania i skraplania wody, co z kolei zależy głównie od temperatury. Dlatego przy większym ciśnieniu gazu nasyconego wodą wszystkie składniki będą początkowo zmniejszać swoją objętość w przybliżeniu zgodnie z prawem gazu doskonałego . Jednak część wody będzie się skraplać, aż powróci do prawie takiej samej wilgotności jak poprzednio, co da wynikową całkowitą objętość odbiegającą od tego, co przewidywało prawo gazu doskonałego. I odwrotnie, spadek temperatury spowodowałby również skraplanie się wody, co ponownie spowodowałoby, że ostateczna objętość odbiegałaby od przewidywanej przez prawo gazu doskonałego. Dlatego objętość gazu można alternatywnie wyrazić jako objętość suchą, z wyłączeniem zawartości wilgoci. Ta frakcja dokładniej odpowiada prawu gazu doskonałego. Wręcz przeciwnie, objętość nasycona to objętość, jaką miałaby mieszanina gazów, gdyby dodano do niej wilgoć aż do nasycenia (lub 100% wilgotności względnej).
Wilgotne powietrze jest mniej gęste niż powietrze suche, ponieważ cząsteczka wody ( M ≈ 18 u ) jest mniej masywna niż cząsteczka azotu (M ≈ 28) lub cząsteczka tlenu (M ≈ 32). Około 78% cząsteczek w suchym powietrzu to azot (N 2 ). Kolejne 21% cząsteczek w suchym powietrzu to tlen (O 2 ). Ostatni 1% suchego powietrza to mieszanina innych gazów.
Dla dowolnego gazu, w danej temperaturze i ciśnieniu, liczba cząsteczek obecnych w określonej objętości jest stała. Kiedy więc cząsteczki wody (pary) zostaną wprowadzone do tej objętości suchego powietrza, liczba cząsteczek powietrza w tej objętości musi zmniejszyć się o tę samą liczbę, jeśli temperatura i ciśnienie pozostają stałe. (Dodanie cząsteczek wody lub jakichkolwiek innych cząsteczek do gazu, bez usunięcia równej liczby innych cząsteczek, będzie wymagało zmiany temperatury, ciśnienia lub całkowitej objętości; to znaczy zmiany co najmniej jeden z tych trzech parametrów. Jeśli temperatura i ciśnienie pozostają stałe, objętość wzrasta, a cząsteczki suchego powietrza, które zostały przemieszczone, początkowo przemieszczają się do dodatkowej objętości, po czym mieszanina ostatecznie stanie się jednorodna w wyniku dyfuzji.) Stąd masa przypadająca na jednostkę objętości gazu — jego gęstość — maleje. Isaac Newton odkrył to zjawisko i opisał je w swojej książce Opticks .
Zależność od ciśnienia
Wilgotność względna układu powietrzno-wodnego zależy nie tylko od temperatury, ale także od ciśnienia bezwzględnego układu, którego dotyczy problem. Zależność tę pokazano, biorąc pod uwagę układ powietrze-woda pokazany poniżej. System jest zamknięty (tj. bez względu na to, co wchodzi lub wychodzi z systemu).
Jeżeli układ w stanie A jest ogrzewany izobarycznie (ogrzewanie bez zmiany ciśnienia w układzie), wówczas wilgotność względna układu maleje, ponieważ równowagowe ciśnienie pary wodnej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Jest to pokazane w stanie B.
Jeżeli układ w stanie A jest sprężany izotermicznie (sprężany bez zmiany temperatury układu), wówczas wilgotność względna układu wzrasta, ponieważ ciśnienie cząstkowe wody w układzie wzrasta wraz ze zmniejszeniem objętości. Pokazano to w stanie C. Powyżej 202,64 kPa wilgotność względna przekroczyłaby 100% i woda może zacząć się skraplać.
Jeśli ciśnienie w stanie A zostałoby zmienione przez zwykłe dodanie większej ilości suchego powietrza bez zmiany objętości, wilgotność względna nie uległaby zmianie.
Dlatego zmianę wilgotności względnej można wytłumaczyć zmianą temperatury systemu, zmianą objętości systemu lub zmianą obu tych właściwości systemu.
Współczynnik wzmocnienia
Współczynnik wzmocnienia definiowany jako stosunek prężności pary nasyconej wody w wilgotnym powietrzu do prężność pary nasyconej czystej wody:
Współczynnik wzmocnienia jest równy jedności dla systemów gazu doskonałego. Jednak w rzeczywistych układach efekty interakcji między cząsteczkami gazu powodują niewielki wzrost równowagowej prężności pary wodnej w powietrzu w stosunku do równowagowej prężności pary czystej pary wodnej. Dlatego współczynnik wzmocnienia jest zwykle nieco większy niż jedność dla rzeczywistych systemów.
Współczynnik wzmocnienia jest powszechnie używany do korygowania równowagowej prężności pary wodnej, gdy zależności empiryczne, takie jak te opracowane przez Wexlera, Goffa i Gratcha, są wykorzystywane do oszacowania właściwości systemów psychrometrycznych.
Buck poinformował, że na poziomie morza prężność pary wodnej w nasyconym wilgotnym powietrzu wzrasta o około 0,5% w stosunku do równowagowej prężności pary czystej wody.
Efekty
Kontrola klimatu odnosi się do kontroli temperatury i wilgotności względnej w budynkach, pojazdach i innych zamkniętych przestrzeniach w celu zapewnienia ludziom komfortu, zdrowia i bezpieczeństwa oraz spełnienia wymagań środowiskowych maszyn, wrażliwych materiałów (na przykład zabytkowych) i technicznych procesy.
Klimat
Chociaż sama wilgotność jest zmienną klimatyczną, wpływa również na inne zmienne klimatyczne. Wilgotność środowiska zależy od wiatrów i opadów.
Najbardziej wilgotne miasta na Ziemi są na ogół położone bliżej równika, w pobliżu regionów przybrzeżnych. Miasta w niektórych częściach Azji i Oceanii należą do najbardziej wilgotnych. Bangkok, Ho Chi Minh City , Kuala Lumpur , Hongkong, Manila , Dżakarta , Naha , Singapur, Kaohsiung i Tajpej mają bardzo wysoką wilgotność przez większość lub cały rok ze względu na bliskość zbiorników wodnych i równika oraz często pochmurną pogodę. W niektórych miejscach podczas pory deszczowej występuje ekstremalna wilgotność połączona z ciepłem, co daje wrażenie letniej sauny, np Kalkuta , Chennai i Kochi w Indiach oraz Lahore w Pakistanie. Miasto Sukkur położone nad rzeką Indus w Pakistanie ma jedne z najwyższych i najbardziej niewygodnych punktów rosy w kraju, często przekraczające 30 ° C (86 ° F) w porze monsunowej .
Wysokie temperatury w połączeniu z wysokim punktem rosy tworzą wskaźnik ciepła przekraczający 65 ° C (149 ° F). Darwin przeżywa wyjątkowo wilgotną porę deszczową od grudnia do kwietnia. Houston, Miami, San Diego, Osaka, Szanghaj, Shenzhen i Tokio również mają wyjątkowo wilgotny okres w miesiącach letnich. Podczas południowo-zachodniej i północno-wschodniej pory monsunowej (odpowiednio od końca maja do września i od listopada do marca) należy spodziewać się ulewnych deszczy i stosunkowo wysokiej wilgotności po opadach. Poza porami monsunowymi wilgotność powietrza jest wysoka (w porównaniu do krajów położonych dalej od równika), ale dni całkowicie słonecznych nie brakuje. W chłodniejszych miejscach, takich jak Północna Tasmania w Australii, wysoka wilgotność występuje przez cały rok ze względu na ocean między Australią kontynentalną a Tasmanią. Latem ocean pochłania gorące, suche powietrze, a temperatura rzadko przekracza 35 ° C (95 ° F).
Klimat globalny
Wilgotność wpływa na budżet energetyczny , a tym samym na temperaturę na dwa główne sposoby. Po pierwsze, para wodna w atmosferze zawiera „ukrytą” energię. Podczas transpiracji lub parowania to utajone ciepło jest usuwane z cieczy powierzchniowej, chłodząc powierzchnię ziemi. Jest to największy nieradiacyjny efekt chłodzenia na powierzchni. Kompensuje około 70% średniego ocieplenia radiacyjnego netto na powierzchni.
Po drugie, para wodna jest najobficiej występującym ze wszystkich gazów cieplarnianych . Para wodna, podobnie jak zielona soczewka, która przepuszcza światło zielone, ale pochłania światło czerwone, jest „pochłaniaczem selektywnym”. Podobnie jak inne gazy cieplarniane, para wodna jest przezroczysta dla większości energii słonecznej. Pochłania jednak energię podczerwieni emitowaną (wypromieniowywaną) w górę przez powierzchnię ziemi, co jest powodem, dla którego wilgotne obszary doświadczają bardzo niewielkiego ochłodzenia w nocy, podczas gdy suche obszary pustynne znacznie się ochładzają w nocy. Ta selektywna absorpcja powoduje efekt cieplarniany. Podnosi temperaturę powierzchni znacznie powyżej jej teoretycznej temperatury równowagi promieniowania ze słońcem, a para wodna jest przyczyną większego ocieplenia niż jakikolwiek inny gaz cieplarniany.
Jednak w przeciwieństwie do większości innych gazów cieplarnianych woda nie tylko ma temperaturę poniżej punktu wrzenia we wszystkich regionach Ziemi, ale także poniżej punktu zamarzania na wielu wysokościach. Jako skraplający się gaz cieplarniany wytrąca się na znacznie mniejszą skalę i krótszy czas życia w atmosferze — tygodnie zamiast dziesięcioleci. Bez innych gazów cieplarnianych temperatura ciała doskonale czarnego na Ziemi , poniżej punktu zamarzania wody, spowodowałaby usunięcie pary wodnej z atmosfery. Para wodna jest zatem „niewolnikiem” nieskraplających się gazów cieplarnianych.
Życie zwierząt i roślin
Wilgotność jest jednym z podstawowych czynników abiotycznych , które definiują każde siedlisko (tundra, tereny podmokłe i pustynia to tylko kilka przykładów) i jest wyznacznikiem tego, które zwierzęta i rośliny mogą się rozwijać w danym środowisku.
Ciało ludzkie rozprasza ciepło poprzez pocenie się i jego parowanie. Konwekcja ciepła do otaczającego powietrza i promieniowanie cieplne to podstawowe sposoby transportu ciepła z organizmu. W warunkach wysokiej wilgotności zmniejsza się szybkość parowania potu ze skóry. Ponadto, jeśli atmosfera jest tak ciepła lub cieplejsza niż skóra w okresach wysokiej wilgotności, krew doprowadzona do powierzchni ciała nie może rozpraszać ciepła przez przewodzenie do powietrza. Ponieważ tak dużo krwi przepływa na zewnętrzną powierzchnię ciała, mniej trafia do aktywnych mięśni, mózgu i innych narządów wewnętrznych. Siła fizyczna spada, a zmęczenie pojawia się wcześniej niż w innym przypadku. Może to również mieć wpływ na czujność i zdolności umysłowe, co powoduje udar cieplny lub hipertermia .
Ludzki komfort
Chociaż wilgotność jest ważnym czynnikiem wpływającym na komfort termiczny, ludzie są bardziej wrażliwi na wahania temperatury niż na zmiany wilgotności względnej. Wilgotność ma niewielki wpływ na komfort termiczny na zewnątrz, gdy temperatura powietrza jest niska, nieco większy wpływ przy umiarkowanych temperaturach powietrza i znacznie większy wpływ przy wyższych temperaturach powietrza.
Ludzie są wrażliwi na wilgotne powietrze, ponieważ organizm ludzki wykorzystuje chłodzenie wyparne jako główny mechanizm regulacji temperatury. W wilgotnych warunkach tempo odparowywania potu na skórze jest niższe niż w suchych warunkach. Ponieważ ludzie postrzegają szybkość wymiany ciepła z ciała, a nie samą temperaturę, czujemy się cieplej, gdy wilgotność względna jest wysoka, niż gdy jest niska.
Ludzie mogą czuć się komfortowo w szerokim zakresie wilgotności w zależności od temperatury — od 30 do 70% — ale idealnie nie powyżej punktu rosy (60°F), między 40% a 60 %. Ogólnie rzecz biorąc, wyższe temperatury będą wymagały niższej wilgotności, aby osiągnąć komfort termiczny w porównaniu z niższymi temperaturami, przy zachowaniu wszystkich innych czynników na stałym poziomie. Na przykład przy poziomie odzieży = 1, tempie metabolizmu = 1,1 i prędkości powietrza 0,1 m/s zmiana temperatury powietrza i średniej temperatury promieniowania z 20°C na 24°C obniżyłaby maksymalną dopuszczalną wilgotność względną ze 100% do 65% dla utrzymania warunków komfortu cieplnego. CBE _ Narzędzie Thermal Comfort Tool może być użyte do zademonstrowania wpływu wilgotności względnej na określone warunki komfortu cieplnego i może być użyte do wykazania zgodności z normą ASHRAE 55-2017.
Niektóre osoby mają trudności z oddychaniem w wilgotnym środowisku. Niektóre przypadki mogą być prawdopodobnie związane z chorobami układu oddechowego, takimi jak astma, podczas gdy inne mogą być wynikiem niepokoju. osoby cierpiące często hiperwentylują , powodując między innymi uczucie drętwienia, omdlenia i utraty koncentracji .
Bardzo niska wilgotność może powodować dyskomfort, problemy z oddychaniem i nasilać alergie u niektórych osób. Niska wilgotność powoduje, że tkanki wyściełające kanały nosowe wysychają, pękają i stają się bardziej podatne na penetrację rinowirusa . Bardzo niska (poniżej 20 %) wilgotność względna może również powodować podrażnienie oczu. Używanie nawilżacza w domach, zwłaszcza w sypialniach, może pomóc w złagodzeniu tych objawów. Wilgotność względna w pomieszczeniach powinna być utrzymywana powyżej 30%, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wysychania dróg nosowych mieszkańców, zwłaszcza zimą.
Klimatyzacja zmniejsza dyskomfort, obniżając nie tylko temperaturę, ale także wilgotność. Ogrzewanie zimnego powietrza zewnętrznego może obniżyć poziom wilgotności względnej w pomieszczeniu do poziomu poniżej 30%. Zgodnie z normą ASHRAE 55-2017: Termiczne warunki środowiskowe dla przebywania ludzi komfort termiczny w pomieszczeniach można osiągnąć metodą PMV przy wilgotności względnej w zakresie od 0% do 100%, w zależności od poziomu innych czynników wpływających na komfort termiczny. Jednak zalecany zakres wilgotności względnej w pomieszczeniach w klimatyzowanych budynkach wynosi na ogół 30–60%.
Ludzkie zdrowie
Wyższa wilgotność zmniejsza zakaźność aerozolu wirusa grypy. W badaniu stwierdzono: „Utrzymywanie wilgotności względnej w pomieszczeniu na poziomie >40% znacznie zmniejszy zakaźność wirusa w aerozolu”.
Niska wilgotność powietrza utrudnia również oczyszczanie śluzowo-rzęskowe w drogach oddechowych . Jedno z badań na psach wykazało, że transport śluzu był niższy przy wilgotności bezwzględnej 9 g wody/m 3 niż przy 30 g wody/m 3 .
Zwiększona wilgotność może również prowadzić do zmian całkowitej wody w organizmie , co zwykle prowadzi do umiarkowanego przyrostu masy ciała, zwłaszcza jeśli ktoś jest przyzwyczajony do pracy lub ćwiczeń w gorące i wilgotne dni.
Budownictwo
Powszechne metody konstrukcyjne często prowadzą do powstania obudów budynków ze słabą granicą termiczną, co wymaga systemu izolacji i bariery powietrznej zaprojektowanej w celu utrzymania warunków środowiskowych wewnątrz budynku, a jednocześnie odpornych na warunki środowiska zewnętrznego. Energooszczędna, mocno uszczelniona architektura wprowadzona w XX wieku również zablokowała ruch wilgoci, co spowodowało wtórny problem kondensacji pary wodnej w ścianach i wokół nich, co sprzyja rozwojowi pleśni. Dodatkowo budynki z niewłaściwie uszczelnionymi fundamentami będą przepuszczać wodę przez ściany działanie kapilarne porów występujących w wyrobach murarskich. Rozwiązania dla energooszczędnych budynków, które unikają kondensacji, są aktualnym tematem architektury.
do kontroli klimatu w budynkach wykorzystujących systemy HVAC jest utrzymanie wilgotności względnej w komfortowym zakresie — wystarczająco niskim, aby zapewnić komfort, ale wystarczająco wysokim, aby uniknąć problemów związanych z bardzo suchym powietrzem.
Gdy temperatura jest wysoka, a wilgotność względna niska, parowanie wody jest szybkie; gleba wysycha, mokre ubrania rozwieszone na sznurku lub wieszaku szybko wysychają, a pot łatwo odparowuje ze skóry. Drewniane meble mogą się kurczyć, powodując pękanie farby pokrywającej te powierzchnie.
Gdy temperatura jest niska, a wilgotność względna wysoka, parowanie wody jest powolne. Gdy wilgotność względna zbliża się do 100 %, na powierzchniach może wystąpić kondensacja, co prowadzi do problemów z pleśnią, korozją, próchnicą i innymi uszkodzeniami związanymi z wilgocią. Kondensacja może stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa, ponieważ sprzyja rozwojowi pleśni i gniciu drewna, a także może powodować zamarzanie zamkniętych wyjść awaryjnych.
Niektóre procesy produkcyjne i techniczne oraz zabiegi w fabrykach, laboratoriach, szpitalach i innych obiektach wymagają utrzymania określonych poziomów wilgotności względnej za pomocą nawilżaczy, osuszaczy i powiązanych systemów sterowania.
Pojazdy
Powyższe podstawowe zasady dotyczące budynków odnoszą się również do pojazdów. Ponadto mogą istnieć względy bezpieczeństwa. Na przykład wysoka wilgotność wewnątrz pojazdu może prowadzić do problemów z kondensacją, takich jak zaparowywanie przednich szyb i zwarcie elementów elektrycznych. W pojazdach i zbiornikach ciśnieniowych , takich jak samoloty ciśnieniowe, łodzie podwodne i statki kosmiczne, względy te mogą mieć kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i potrzebne są złożone systemy kontroli środowiska, w tym sprzęt do utrzymywania ciśnienia.
Lotnictwo
Samoloty pasażerskie działają przy niskiej wilgotności względnej wewnątrz, często poniżej 20 %, zwłaszcza podczas długich lotów. Niska wilgotność jest konsekwencją zasysania bardzo zimnego powietrza o niskiej wilgotności bezwzględnej, które występuje na wysokościach przelotowych samolotów pasażerskich. Późniejsze ocieplenie tego powietrza obniża jego wilgotność względną. Powoduje to dyskomfort, taki jak ból oczu, suchość skóry i wysychanie błony śluzowej, ale nawilżacze nie są stosowane, aby podnieść go do komfortowych średnich poziomów, ponieważ ilość wody wymaganej do wniesienia na pokład może znacznie obniżyć wagę. Gdy samoloty schodzą z niższych wysokości w cieplejsze powietrze (być może nawet przelatują przez chmury kilka tysięcy stóp nad ziemią), wilgotność względna otoczenia może dramatycznie wzrosnąć. Część tego wilgotnego powietrza jest zwykle zasysana do kabiny samolotu pod ciśnieniem i do innych obszarów samolotu bez ciśnienia i skrapla się na zimnym poszyciu samolotu. Płynną wodę można zwykle zobaczyć wzdłuż poszycia samolotu, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz kabiny. Ze względu na drastyczne zmiany wilgotności względnej wewnątrz pojazdu, komponenty muszą być przystosowane do pracy w takich środowiskach. Zalecane kwalifikacje środowiskowe dla większości komponentów samolotów komercyjnych są wymienione w RTCA DO-160 .
Zimne, wilgotne powietrze może sprzyjać tworzeniu się lodu, który stanowi zagrożenie dla samolotów, ponieważ wpływa na profil skrzydła i zwiększa wagę. W wolnossących silnikach spalinowych występuje dodatkowe niebezpieczeństwo tworzenia się lodu wewnątrz gaźnika . Lotnicze komunikaty pogodowe ( METAR ) zawierają zatem informację o wilgotności względnej, zazwyczaj w postaci punktu rosy .
Piloci muszą brać pod uwagę wilgotność przy obliczaniu odległości startu, ponieważ wysoka wilgotność wymaga dłuższych pasów startowych i zmniejszy wydajność wznoszenia.
Wysokość gęstościowa to wysokość w stosunku do standardowych warunków atmosferycznych (Atmosfera Międzynarodowa), na której gęstość powietrza byłaby równa wskazanej gęstości powietrza w miejscu obserwacji, czyli innymi słowy wysokość mierzona pod względem gęstości powietrza, a nie odległości od ziemi. „Density Altitude” to wysokość ciśnieniowa dostosowana do niestandardowej temperatury.
Wzrost temperatury i, w znacznie mniejszym stopniu, wilgotności spowoduje wzrost wysokości gęstościowej. Tak więc w gorących i wilgotnych warunkach wysokość gęstościowa w określonym miejscu może być znacznie wyższa niż rzeczywista wysokość.
Elektronika
Urządzenia elektroniczne są często przystosowane do działania tylko w określonych warunkach wilgotności (np. od 10% do 90%). W górnej części zakresu wilgoć może zwiększyć przewodność przepuszczalnych izolatorów , prowadząc do nieprawidłowego działania. Zbyt niska wilgotność może powodować kruche materiały. Szczególnym zagrożeniem dla elementów elektronicznych, niezależnie od podanego zakresu wilgotności roboczej, jest kondensacja . Kiedy element elektroniczny jest przenoszony z zimnego miejsca (np. garażu, samochodu, szopy, klimatyzowanego pomieszczenia w tropikach) do ciepłego i wilgotnego miejsca (dom, poza tropikami), skraplanie może pokryć płytki drukowane i inne izolatory, prowadząc do zwarć okrążenie wewnątrz sprzętu. Takie zwarcia mogą spowodować znaczne trwałe uszkodzenia, jeśli urządzenie zostanie włączone przed odparowaniem skroplin . Podobny efekt kondensacji można często zaobserwować, gdy osoba w okularach wejdzie z zimna (tzn. okulary zaparują). Zaleca się, aby sprzęt elektroniczny aklimatyzował się przez kilka godzin po przyniesieniu go z zimna przed włączeniem. Niektóre urządzenia elektroniczne mogą wykryć taką zmianę i wskazać, po podłączeniu i zwykle za pomocą małego symbolu kropli, że nie można ich używać, dopóki nie minie ryzyko kondensacji. W sytuacjach, w których liczy się czas, zwiększenie przepływu powietrza przez elementy wewnętrzne urządzenia, takie jak zdjęcie panelu bocznego z obudowy komputera i skierowanie wentylatora w celu wdmuchnięcia do obudowy, znacznie skróci czas potrzebny na aklimatyzację w nowym środowisku.
Z kolei bardzo niski poziom wilgotności sprzyja gromadzeniu się elektryczności statycznej , co może skutkować samoczynnym wyłączaniem się komputerów w przypadku wyładowań. Oprócz fałszywych nieregularnych funkcji, wyładowania elektrostatyczne mogą powodować przebicia dielektryczne w urządzeniach półprzewodnikowych , powodując nieodwracalne uszkodzenia. Z tych powodów centra danych często monitorują poziomy wilgotności względnej.
Przemysł
Wysoka wilgotność może często mieć negatywny wpływ na wydajność zakładów chemicznych i rafinerii, które wykorzystują piece jako część pewnych procesów (np. reforming parowy, mokre procesy kwasu siarkowego ). Na przykład, ponieważ wilgotność zmniejsza stężenie tlenu w otoczeniu (suche powietrze zawiera zwykle 20,9% tlenu, ale przy 100% wilgotności względnej powietrze zawiera 20,4% tlenu), wentylatory spalin muszą zasysać powietrze z większą szybkością niż byłoby to wymagane w innym przypadku do utrzymania ta sama szybkostrzelność.
Pieczenie
Wysoka wilgotność w piekarniku, reprezentowana przez podwyższoną temperaturę mokrego termometru , zwiększa przewodność cieplną powietrza wokół wypieku, prowadząc do szybszego procesu pieczenia, a nawet spalania. I odwrotnie, niska wilgotność spowalnia proces pieczenia.
Inne ważne fakty
Przy 100% wilgotności względnej powietrze jest nasycone iw punkcie rosy : ciśnienie pary wodnej nie pozwoliłoby ani na odparowanie pobliskiej wody w stanie ciekłym, ani na wzrost skroplin w pobliskiej wodzie; ani sublimacja pobliskiego lodu, ani osadzanie się w celu wzrostu pobliskiego lodu.
Wilgotność względna może przekraczać 100%, w takim przypadku powietrze jest przesycone . Tworzenie chmur wymaga przesyconego powietrza. Jądra kondensacji chmur obniżają poziom przesycenia wymagany do tworzenia mgły i chmur - w przypadku braku jąder, wokół których mogą tworzyć się kropelki lub lód, wymagany jest wyższy poziom przesycenia, aby te kropelki lub kryształki lodu utworzyły się spontanicznie. W komorze chmurowej Wilsona , który jest używany w eksperymentach fizyki jądrowej, w komorze powstaje stan przesycenia, a poruszające się cząstki subatomowe działają jak jądra kondensacji, więc smugi mgły pokazują ścieżki tych cząstek.
Dla danego punktu rosy i odpowiadającej mu wilgotności bezwzględnej wilgotność względna zmieni się odwrotnie, choć nieliniowo, wraz z temperaturą. Dzieje się tak, ponieważ prężność pary wodnej wzrasta wraz z temperaturą — zasada działania stojąca za wszystkim, od suszarek do włosów po osuszacze .
Ze względu na rosnący potencjał wyższego ciśnienia cząstkowego pary wodnej przy wyższych temperaturach powietrza, zawartość wody w powietrzu na poziomie morza może osiągnąć nawet 3% masowych w temperaturze 30 ° C (86 ° F) w porównaniu do nie więcej niż około 0,5 % masowy w temperaturze 0 ° C (32 ° F). To wyjaśnia niski poziom (w przypadku braku środków zwiększających wilgoć) wilgoci w ogrzewanych konstrukcjach w okresie zimowym, powodujący suchość skóry, swędzenie oczu i utrzymujące się wyładowania elektrostatyczne opłaty. Nawet przy nasyceniu (wilgotność względna 100%) na zewnątrz, ogrzewanie infiltrowanego powietrza zewnętrznego napływającego do wnętrza zwiększa jego pojemność wilgoci, co obniża wilgotność względną i zwiększa szybkość parowania z wilgotnych powierzchni w pomieszczeniach (w tym ciał ludzkich i roślin domowych).
Podobnie latem, w wilgotnym klimacie, dużo wody w stanie ciekłym skrapla się z powietrza chłodzonego w klimatyzatorach. Cieplejsze powietrze ochładza się poniżej punktu rosy, a nadmiar pary wodnej skrapla się. Zjawisko to jest takie samo, jak to, które powoduje tworzenie się kropelek wody na zewnętrznej stronie kubka zawierającego lodowaty napój.
Przydatną praktyczną zasadą jest to, że maksymalna wilgotność bezwzględna podwaja się przy każdym wzroście temperatury o 20 ° F (11 ° C). Zatem wilgotność względna spadnie dwukrotnie na każde 20 ° F (11 ° C) wzrostu temperatury, przy założeniu zachowania wilgotności bezwzględnej. Na przykład w zakresie normalnych temperatur powietrze o temperaturze 68°F (20°C) i wilgotności względnej 50% stanie się nasycone, jeśli zostanie schłodzone do 50°F (10°C), jego punktu rosy i 41°F (5 °C) powietrze o wilgotności względnej 80% ogrzane do 20 °C będzie miało wilgotność względną tylko 29% i będzie suche. Dla porównania standard komfortu cieplnego ASHRAE 55 wymaga, aby systemy zaprojektowane do kontroli wilgotności utrzymywały punkt rosy na poziomie 16,8 ° C (62,2 ° F), chociaż nie ustalono dolnej granicy wilgotności.
Para wodna jest lżejszym gazem niż inne gazowe składniki powietrza o tej samej temperaturze, więc wilgotne powietrze będzie miało tendencję do wznoszenia się w wyniku naturalnej konwekcji . Jest to mechanizm stojący za burzami i innymi zjawiskami pogodowymi. Wilgotność względna jest często wymieniana w prognozach i raportach pogodowych , ponieważ jest wskaźnikiem prawdopodobieństwa wystąpienia rosy lub mgły. W upalne letnie dni zwiększa również odczuwalną temperaturę dla ludzi (i innych zwierząt), utrudniając odparowywanie potu ze skóry, gdy wzrasta wilgotność względna. Efekt ten jest obliczany jako wskaźnik ciepła lub nawilżacz .
Urządzenie służące do pomiaru wilgotności nazywa się higrometrem ; jeden używany do jego regulacji nazywa się higrostatem , a czasami higrostatem . (Są one analogiczne odpowiednio do termometru i termostatu dla temperatury).
Cytaty
Źródła ogólne
- Arundel, AV; Sterling, EM; Biggin, JH; Sterling, TD (1986). „Pośrednie skutki zdrowotne wilgotności względnej w pomieszczeniach” . Otaczać. Perspektywa zdrowia . 65 : 351–61. doi : 10.1289/ehp.8665351 . PMC 1474709 . PMID 3709462 .
- Brode, Piotr; Fiala, Dusan; Błażejczyk, Krzysztof; Holmer, Ingvar; Jendritzky, Gerd; Kampmann, Bernhard; Tinz, Birger; Havenith, George (2011-05-31). „Wyprowadzenie procedury operacyjnej dla uniwersalnego wskaźnika klimatu termicznego (UTCI)” (PDF) . Międzynarodowy Dziennik Biometeorologii . 56 (3): 481–494. doi : 10.1007/s00484-011-0454-1 . ISSN 0020-7128 . PMID 21626294 . S2CID 37771005 .
- Buck, Arden L. (1981). „Nowe równania do obliczania prężności pary i współczynnika wzmocnienia” . Journal of Applied Meteorology . 20 (12): 1527–1532. Bibcode : 1981JApMe..20.1527B . doi : 10.1175/1520-0450(1981)020<1527:NEFCVP>2.0.CO;2 . ISSN 0021-8952 .
- Fanger, PO (1970). Komfort cieplny: analiza i zastosowania w inżynierii środowiska . Duńska prasa techniczna. ISBN 978-87-571-0341-0 .
- Gilmore, CP (wrzesień 1972). „Więcej komfortu za dolara grzewczego” . Popularna nauka . P. 99.
- Schiavon, Stefano; Hoyt, Tyler; Piccioli, Alberto (27.12.2013). „Aplikacja internetowa do wizualizacji i obliczeń komfortu cieplnego zgodnie z normą ASHRAE 55” . Symulacja budynku . 7 (4): 321–334. doi : 10.1007/s12273-013-0162-3 . ISSN 1996-3599 . S2CID 56274353 .
- Wolkoff, Peder; Kjaergaard, Søren K. (sierpień 2007). „Dychotomia wilgotności względnej na jakość powietrza w pomieszczeniach”. Środowisko Międzynarodowe . 33 (6): 850–857. doi : 10.1016/j.envint.2007.04.004 . ISSN 0160-4120 . PMID 17499853 .
- Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych, „IAQ w dużych budynkach” . Źródło 9 stycznia 2006 r.
Dalsza lektura
- Himmelblau, David M. (1989). Podstawowe zasady i obliczenia w inżynierii chemicznej . Sala Prentice'a . ISBN 0-13-066572-X .
- Lide, David (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85 wyd.). Prasa CRC. ISBN 9780849304859 .
- Perry, RH; Zielony, DW (1997). Podręcznik inżynierów chemików Perry'ego (wyd. 7). McGraw-Hill . ISBN 0-07-049841-5 .