Wilgotność - Humidity

Wilgotność i higrometria
Chmur las góra kinabalu.jpg
Koncepcje szczegółowe
Pojęcia ogólne
Miary i instrumenty

Wilgotność to stężenie pary wodnej obecnej w powietrzu. Para wodna, gazowy stan wody, jest na ogół niewidoczny dla ludzkiego oka. Wilgotność wskazuje na prawdopodobieństwo wystąpienia opadów , rosy lub mgły .

Wilgotność zależy od temperatury i ciśnienia danego układu. Ta sama ilość pary wodnej powoduje większą wilgotność powietrza chłodnego niż ciepłego. Powiązanym parametrem jest punkt rosy . Ilość pary wodnej potrzebna do osiągnięcia nasycenia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury paczki powietrza osiągnie ona w końcu 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 (0,99 uncji) wody na metr sześcienny powietrza w temperaturze 30 °C (86 °F), ale tylko 8 g (0,28 uncji) wody na metr sześcienny powietrza w temperaturze 8°C (46°F).

Powszechnie stosowane są trzy podstawowe pomiary wilgotności: bezwzględna, względna i specyficzna. Wilgotność bezwzględna jest wyrażona 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 wyrażana w procentach, wskazuje aktualny stan wilgotności bezwzględnej w stosunku do wilgotności maksymalnej przy tej samej temperaturze. Wilgotność właściwa to stosunek masy pary wodnej do całkowitej masy wilgotnej przesyłki lotniczej.

Wilgotność odgrywa ważną rolę w życiu na powierzchni. W przypadku życia zwierząt zależnym od pocenia się ( pocenia ) w celu regulacji wewnętrznej temperatury ciała, wysoka wilgotność pogarsza wydajność wymiany ciepła, zmniejszając szybkość parowania wilgoci z powierzchni skóry. Efekt ten można obliczyć za pomocą tabeli indeksów ciepła , znanej również jako humidex .

Pojęcie powietrza „zatrzymującego” parę wodną lub „nasyconego” nią jest często przywoływane w połączeniu 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 powietrza (azotu, tlenu itp.), które jest obecne. Rzeczywiście, próżnia ma w przybliżeniu taką samą zdolność równowagi do zatrzymywania pary wodnej, jak ta sama objętość wypełniona powietrzem; oba są podane przez równowagową prężność pary wodnej w danej temperaturze. Istnieje bardzo mała różnica opisana poniżej w sekcji „Współczynnik wzmocnienia”, którą można pominąć w wielu obliczeniach, chyba że wymagana jest wysoka dokładność.

Definicje

Obserwatorium Paranal na Cerro Paranal na pustyni Atakama jest jednym z najbardziej suchych miejsc na Ziemi.

Wilgotność bezwzględna

Wilgotność bezwzględna to całkowita masa pary wodnej obecnej w danej objętości lub masie powietrza. Nie uwzględnia temperatury. Wilgotność bezwzględna w atmosferze waha się od bliskiej zera do około 30 g (1,1 uncji) na metr sześcienny, gdy powietrze jest nasycone w temperaturze 30 ° C (86 ° F).

Wilgotność bezwzględna to masa pary wodnej podzielona przez objętość mieszaniny powietrza i pary wodnej , którą można wyrazić jako:

Wilgotność bezwzględna zmienia się wraz ze zmianami temperatury lub ciśnienia powietrza , jeśli objętość nie jest ustalona. To sprawia, że ​​nie nadaje się do obliczeń 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 współczynnik wilgotności lub współczynnik mieszania masy (patrz „wilgotność właściwa” poniżej), który lepiej nadaje się 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 norma brytyjska BS 1339 sugeruje unikanie określenia „wilgotność bezwzględna”. Jednostki powinny być zawsze dokładnie sprawdzane. 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 gazowo-parowych nosi nazwę psychrometria .

Wilgotność względna

Względna wilgotność powietrza lub mieszaniny powietrza i wody jest określona jako stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w mieszaninie do ciśnienia pary równowagi wody na płaskiej powierzchni czystej wody w danej temperaturze:

Innymi słowy, wilgotność względna to stosunek tego, ile pary wodnej znajduje się w powietrzu i ile pary wodnej może potencjalnie zawierać powietrze w danej temperaturze. Zależy to od temperatury powietrza: chłodniejsze powietrze może zawierać mniej pary, więc schłodzenie części powietrza może spowodować kondensację pary wodnej . Podobnie, ogrzanie powietrza zawierającego mgłę może spowodować, że mgła wyparuje, ponieważ powietrze pomiędzy kroplami wody staje się bardziej zdolne do zatrzymywania pary wodnej. Tak więc zmiana temperatury powietrza może zmienić wilgotność względną, nawet gdy wilgotność bezwzględna pozostaje stała.

Wilgotność względna uwzględnia tylko niewidoczną parę wodną. Mgły, chmury, mgły i aerozole wodne nie wliczają się do pomiaru wilgotności względnej powietrza, chociaż ich obecność wskazuje, że ciało powietrza może znajdować się blisko punktu rosy .

Wilgotność względna jest zwykle wyrażana w procentach ; wyższy procent oznacza, że ​​mieszanina powietrze-woda jest bardziej wilgotna. Przy 100% wilgotności względnej powietrze jest nasycone i ma punkt rosy . W przypadku braku ciała obcego, na którym mogą zarodkować kropelki lub kryształy, wilgotność względna może przekroczyć 100%, w takim 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 pogody i raportach, ponieważ jest wskaźnikiem prawdopodobieństwa wystąpienia opadów , rosy lub mgły. W gorącym latem pogody , wzrost wilgotności względnej zwiększają pozorną temperaturę do ludzi (i innych zwierząt ) utrudniając odparowanie z potu z powierzchni skóry. Na przykład, zgodnie ze wskaźnikiem ciepła , wilgotność względna 75% przy temperaturze powietrza 80,0 °F (26,7 °C) będzie odczuwana jako 83,6 °F ±1,3 °F (28,7 °C ±0,7 °C).

Zależność między wilgotnością bezwzględną, względną i temperaturą

W atmosferze ziemskiej na poziomie morza:

Wilgotność bezwzględna w g / m 3 (uncji / Cu. M)
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)

Wilgotność właściwa

Wilgotność właściwa (lub zawartość wilgoci) to stosunek masy pary wodnej do masy całkowitej przesyłki lotniczej. Wilgotność właściwa jest w przybliżeniu równa stosunkowi zmieszania , który jest definiowany jako stosunek masy pary wodnej w przesyłce lotniczej do masy suchego powietrza dla tej samej przesyłki. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się również ilość pary wodnej potrzebnej do osiągnięcia nasycenia. Gdy temperatura paczki powietrza spada, w końcu osiągnie punkt nasycenia bez dodawania lub utraty masy wody.

Pojęcia pokrewne

Termin wilgotność względna jest zarezerwowany dla układów pary wodnej w powietrzu. Termin nasycenie względne jest używany do opisania analogicznej właściwości dla systemów składających się z fazy kondensującej innej niż woda w fazie niekondensowalnej innej niż powietrze.

Pomiar

Hygrothermograph wilgotności i temperatury zapisu
Higrometr do użytku domowego, psychrometr typu mokry/suchy
Termohigrometr wyświetlający temperaturę i wilgotność względną;

Urządzenie służące do pomiaru wilgotności powietrza nazywane jest psychrometrem lub higrometrem . Higrostat jest przełącznik wyzwalany wilgotność, często używany do sterowania osuszacza .

Wilgoć z mieszaniny powietrza i pary wodnej jest określana dzięki zastosowaniu psychrometrycznych wykresów gdy zarówno temperatura termometru suchego ( T ), a temperatura termometru wilgotnego ( T W ) mieszaniny są znane. Ilości te można łatwo oszacować za pomocą psychrometru procy .

Istnieje kilka wzorów empirycznych, które można wykorzystać do oszacowania równowagowego prężności pary wodnej w funkcji temperatury. Równanie Antoine jest jednym z co najmniej złożony z nich, mających tylko trzy parametry ( , B i C ). Inne formuły, takie jak równanie Goffa-Gratcha i przybliżenie Magnusa-Tetensa , są bardziej skomplikowane, ale zapewniają lepszą dokładność.

Równanie Arden Buck jest powszechnie spotykane w literaturze dotyczącej tego tematu:

gdzie jest temperaturą suchego termometru wyrażoną w stopniach Celsjusza (°C), jest ciśnieniem bezwzględnym wyrażonym w milibarach i równowagową prężnością pary wyrażoną w milibarach. Buck poinformował, że maksymalny błąd względny jest mniejszy niż 0,20% między -20 a +50 ° C (-4 i 122 ° F), gdy ta konkretna forma uogólnionego wzoru jest używana do oszacowania równowagowego ciśnienia pary wodnej.

Do pomiaru i regulacji wilgotności stosuje się różne urządzenia. Standardy kalibracyjne dla najdokładniejszych pomiarów obejmują grawimetrycznej higrometr , chłodzonym lustrem higrometr i elektrolitycznych higrometr . Metoda grawimetryczna, choć najdokładniejsza, jest bardzo kłopotliwa. Do szybkiego i bardzo dokładnego pomiaru skuteczna jest metoda schłodzonego lustra. W przypadku pomiarów procesowych on-line, obecnie najczęściej używane czujniki opierają się na pomiarach pojemności do pomiaru wilgotności względnej, często z wewnętrznymi konwersjami do wyświetlania również wilgotności bezwzględnej. Są tanie, proste, generalnie dokładne i stosunkowo solidne. Wszystkie czujniki wilgotności napotykają problemy w pomiarach zapylonych gazów, takich jak strumienie spalin z suszarni .

Wilgotność mierzy się również w skali globalnej za pomocą zdalnie umieszczonych satelitów . Satelity te są w stanie wykryć stężenie wody w troposferze na wysokościach 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 promieniuje promieniowanie w tym paśmie widmowym. Satelitarne obrazowanie pary wodnej odgrywa ważną rolę w monitorowaniu warunków klimatycznych (takich jak powstawanie burz) oraz w opracowywaniu prognoz pogody .

Gęstość i objętość powietrza

Wilgotność zależy od parowania i kondensacji wody, która z kolei zależy głównie od temperatury. W związku z tym, po przyłożeniu większego ciśnienia do gazu nasyconego wodą, początkowo objętość wszystkich składników zmniejszy się w przybliżeniu zgodnie z prawem gazu doskonałego . Jednak część wody będzie się skraplać, aż powróci do prawie tej samej wilgotności co poprzednio, dając wynikową całkowitą objętość odbiegającą od przewidywanego prawa gazu doskonałego. I odwrotnie, zmniejszająca się temperatura spowodowałaby również kondensację pewnej ilości wody, ponownie powodując, że końcowa 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, nasycona objętość to objętość, jaką miałaby mieszanina gazów, gdyby dodano do niej wilgoć aż do nasycenia (lub 100% wilgotności względnej).

Wilgotne powietrze jest mniej gęste niż 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 – patrz prawo gazu doskonałego . 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 takiej samej liczby innych cząsteczek, będzie z konieczności wymagało zmiany temperatury, ciśnienia lub całkowitej objętości; to znaczy zmiany co najmniej jednej z te trzy parametry. Jeśli temperatura i ciśnienie pozostają stałe, objętość wzrasta, a cząsteczki suchego powietrza, które zostały przemieszczone, początkowo przemieszczą się do dodatkowej objętości, po czym mieszanina w końcu stanie się jednorodna poprzez dyfuzję). gazu – jego gęstość – maleje. Izaak Newton odkrył to zjawisko i pisał o nim w swojej książce Opticks .

Zależność od ciśnienia

Wilgotność względna układu powietrze-woda zależy nie tylko od temperatury, ale także od ciśnienia bezwzględnego danego układu. Zależność tę demonstruje się, rozpatrując układ powietrzno-wodny przedstawiony poniżej. System jest zamknięty (tj. bez względu na to, czy wchodzi do systemu, ani go opuszcza).

Zmiany w wilgotności względnej.png

Jeżeli system w stanie A jest ogrzewany izobarycznie (ogrzewanie bez zmiany ciśnienia w systemie), wówczas wilgotność względna systemu spada, ponieważ równowaga parowa pary wodnej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Jest to pokazane w stanie B.

Jeżeli system w stanie A jest sprężony izotermicznie (sprężony bez zmiany temperatury systemu), wówczas wilgotność względna systemu wzrasta, ponieważ ciśnienie cząstkowe wody w systemie wzrasta wraz ze zmniejszeniem objętości. Pokazano to w stanie C. Powyżej 202,64 kPa wilgotność względna przekroczyłaby 100% i woda może zacząć się skraplać.

Gdyby ciśnienie w stanie A zostało zmienione przez proste 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 definiuje się jako stosunek prężności pary nasyconej wody w wilgotnym powietrzu do prężności pary nasyconej czystej wody:

Współczynnik wzmocnienia jest równy jedności dla idealnych systemów gazowych. Jednak w rzeczywistych układach efekty interakcji między cząsteczkami gazu powodują niewielki wzrost prężności równowagowej pary wodnej w powietrzu w stosunku do prężności równowagowej pary czystej pary wodnej. Dlatego współczynnik wzmocnienia jest zwykle nieco większy niż jedność dla rzeczywistych systemów.

Współczynnik wzmocnienia jest powszechnie używany do korygowania równowagowego ciśnienia pary wodnej, gdy zależności empiryczne, takie jak te opracowane przez Wexlera, Goffa i Gratcha, są wykorzystywane do szacowania właściwości układów psychrometrycznych.

Buck podał, że na poziomie morza ciśnienie pary wodnej w nasyconym, wilgotnym powietrzu wynosi około 0,5% w porównaniu z równowagową prężnością pary czystej wody.

Efekty

Higrostat ustawiony na 50% wilgotności względnej
Humidor , używany do kontroli wilgotności cygar

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 (np. zabytkowych) i technicznych procesy.

Klimat

Średnia wilgotność wokół Australii przez cały rok o 9 rano
  80–90%
  30-40%

Chociaż sama wilgotność jest zmienną klimatyczną, wpływa również na inne zmienne klimatyczne. Na wilgotność środowiska wpływają wiatry i opady deszczu.

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 Taipei charakteryzują się bardzo wysoką wilgotnością przez prawie cały rok ze względu na bliskość zbiorników wodnych i równika oraz często zachmurzenie. Niektóre miejsca doświadczają ekstremalnej wilgotności w porze deszczowej w połączeniu z ciepłem, które daje wrażenie letniej sauny, takich jak Kalkuta , Chennai i Cochin 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 łączą się z wysokim punktem rosy, tworząc indeks cieplny powyżej 65 °C (149 °F). Darwin doświadcza wyjątkowo wilgotnej pory deszczowej 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 deszczu. Poza porami monsunowymi wilgotność jest wysoka (w porównaniu do krajów położonych dalej od równika), ale obfitują w całkowicie słoneczne dni. W chłodniejszych miejscach, takich jak północna Tasmania w Australii, przez cały rok panuje wysoka wilgotność z powodu oceanu między Australią kontynentalną a Tasmanią. W lecie gorące, suche powietrze jest pochłaniane przez ocean, 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 „utajoną” 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 najpowszechniejszym ze wszystkich gazów cieplarnianych . Para wodna, podobnie jak zielona soczewka, która przepuszcza zielone światło, ale pochłania światło czerwone, jest „absorberem selektywnym”. Podobnie jak inne gazy cieplarniane, para wodna jest przezroczysta dla większości energii słonecznej. Jednak pochłania energię podczerwoną emitowaną (promieniowaną) w górę przez powierzchnię ziemi, co jest powodem, że obszary wilgotne doświadczają bardzo niewielkiego ochłodzenia nocnego, ale suche obszary pustynne znacznie ochładzają się w nocy. Ta selektywna absorpcja powoduje efekt cieplarniany. Podnosi temperaturę powierzchni znacznie powyżej jej teoretycznej temperatury równowagi radiacyjnej ze słońcem, a para wodna jest przyczyną większego tego ocieplenia niż jakikolwiek inny gaz cieplarniany.

Jednak w przeciwieństwie do większości innych gazów cieplarnianych, woda nie tylko znajduje się poniżej punktu wrzenia we wszystkich regionach Ziemi, ale poniżej punktu zamarzania na wielu wysokościach. Jako kondensujący się gaz cieplarniany wytrąca się ze znacznie niższą wysokością skali i krótszym czasem życia w atmosferze — tygodnie zamiast dziesięcioleci. Bez innych gazów cieplarnianych temperatura ciała doskonale czarnego Ziemi poniżej punktu zamarzania wody spowodowałaby usunięcie pary wodnej z atmosfery. Para wodna jest więc „niewolnikiem” nieskraplających się gazów cieplarnianych.

Życie zwierząt i roślin

Tillandsia usneoides w Tropical house, Królewskie Ogrody Botaniczne, Kew. Rośnie tam, gdzie klimat jest wystarczająco ciepły i ma stosunkowo wysoką średnią wilgotność.

Wilgotność jest jednym z podstawowych czynników abiotycznych, który definiuje każde siedlisko (np. tundra, tereny podmokłe i pustynia) i jest wyznacznikiem tego, jakie zwierzęta i rośliny mogą rozwijać się w danym środowisku.

Ciało ludzkie rozprasza ciepło poprzez pocenie się i jego parowanie. Konwekcja ciepła do otaczającego powietrza oraz promieniowanie cieplne są podstawowymi sposobami transportu ciepła z organizmu. W warunkach dużej wilgotności zmniejsza się szybkość parowania potu ze skóry. Ponadto, jeśli atmosfera jest tak ciepła jak skóra lub cieplejsza niż skóra w okresach wysokiej wilgotności, krew doprowadzona do powierzchni ciała nie może rozproszyć ciepła przez przewodzenie do powietrza. Przy tak dużej ilości krwi docierającej do zewnętrznej powierzchni ciała mniej trafia do aktywnych mięśni , mózgu i innych narządów wewnętrznych . Siła fizyczna spada, a zmęczenie pojawia się szybciej, niż miałoby to miejsce w innym przypadku. Czujność i zdolności umysłowe również mogą być zaburzone, co skutkuje udarem cieplnym lub hipertermią .

Ludzki komfort

Chociaż wilgotność jest ważnym czynnikiem komfortu cieplnego, ludzie są bardziej wrażliwi na zmiany temperatury niż na zmiany wilgotności względnej. Wilgotność ma niewielki wpływ na komfort cieplny na zewnątrz przy niskich temperaturach powietrza, nieco wyraźniejszy przy umiarkowanych temperaturach powietrza i znacznie silniejszy przy wyższych temperaturach powietrza.

Ludzie są wrażliwi na wilgotne powietrze, ponieważ ludzkie ciało wykorzystuje chłodzenie wyparne jako główny mechanizm regulacji temperatury. W wilgotnych warunkach tempo parowania potu na skórze jest niższe niż w suchych warunkach. Ponieważ ludzie postrzegają tempo przekazywania 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 najlepiej nie powyżej absolutnego punktu rosy (60°F), między 40 % a 60 %. Ogólnie rzecz biorąc, wyższe temperatury będą wymagały niższej wilgotności, aby osiągnąć komfort cieplny w porównaniu z niższymi temperaturami, przy zachowaniu wszystkich innych czynników. Na przykład przy poziomie odzieży = 1, tempie przemiany materii = 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. Narzędzie CBE Thermal Comfort Tool może być użyte do wykazania wpływu wilgotności względnej w określonych warunkach komfortu cieplnego i może być użyte do wykazania zgodności z normą ASHRAE 55-2017.

Niektórzy ludzie mają trudności z oddychaniem w wilgotnym środowisku. Niektóre przypadki mogą być związane z chorobami układu oddechowego, takimi jak astma , podczas gdy inne mogą być wynikiem niepokoju . W odpowiedzi osoby cierpiące na tę chorobę często ulegają hiperwentylacji , powodując między innymi uczucie odrętwienia , omdlenia i utraty koncentracji .

Bardzo niska wilgotność może powodować dyskomfort, problemy z oddychaniem i zaostrzać alergie u niektórych osób. Niska wilgotność powoduje wysychanie, pękanie i pękanie tkanek wyściełających błony śluzowe nosa, które stają się bardziej podatne na przenikanie wirusów przeziębienia rinowirusów . Skrajnie niska (poniżej 20 %) wilgotność względna może również powodować podrażnienie oczu. Stosowanie nawilżacza w domach, zwłaszcza w sypialniach, może pomóc w tych objawach. Wilgotność względna w pomieszczeniu powinna być utrzymywana powyżej 30%, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wysychania przewodów nosowych mieszkańców, zwłaszcza zimą.

Klimatyzacja zmniejsza dyskomfort, zmniejszając nie tylko temperaturę, ale także wilgotność. Ogrzewanie zimnego powietrza zewnętrznego może obniżyć poziom wilgotności względnej w pomieszczeniu do poniżej 30%. Zgodnie z normą ASHRAE 55-2017: Warunki cieplne środowiska dla przebywania ludzi , komfort cieplny w pomieszczeniach można osiągnąć za pomocą metody PMV przy wilgotności względnej w zakresie od 0% do 100%, w zależności od poziomu innych czynników wpływających na komfort cieplny. Jednak zalecany zakres wilgotności względnej w pomieszczeniach w budynkach klimatyzowanych wynosi zazwyczaj 30–60%.

Ludzkie zdrowie

Wyższa wilgotność zmniejsza zakaźność wirusa grypy w aerozolu. Badanie wykazało, że „utrzymanie względnej wilgotności w pomieszczeniu > 40% znacznie zmniejszy zakaźność aerozolowanego wirusa”.

Oczyszczanie śluzowo-rzęskowe w drogach oddechowych jest również utrudnione przez niską wilgotność. Jedno badanie 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 w całkowitej zawartości wody w organizmie, co zwykle prowadzi do umiarkowanego przyrostu masy ciała, zwłaszcza jeśli ktoś jest przyzwyczajony do pracy lub ćwiczeń w upalnej i wilgotnej pogodzie.

Konstrukcje budowlane

Skutki wysokiej wilgotności w strukturze budynku ( wykwity pierwotne )

Powszechnie stosowane metody budowy często wytwarzają obudowy budynków o słabej granicy termicznej, wymagające systemu izolacji i bariery powietrznej zaprojektowanej tak, aby zachować wewnętrzne warunki środowiskowe przy jednoczesnej odporności na zewnętrzne warunki środowiskowe. Energooszczędna, mocno uszczelniona architektura wprowadzona w XX wieku również odcięła przepływ wilgoci, co spowodowało wtórny problem kondensacji pary wodnej tworzącej się w ścianach i wokół nich, co sprzyja rozwojowi pleśni i pleśni. Dodatkowo budynki z nieodpowiednio uszczelnionymi fundamentami pozwolą na przepływ wody przez ściany w wyniku kapilarnego działania porów znajdujących się w wyrobach murarskich. Rozwiązania dla budynków energooszczędnych, które zapobiegają kondensacji to aktualny temat architektury.

W przypadku sterowania klimatem w budynkach wykorzystujących systemy HVAC kluczowe 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; ziemia wysycha, mokre ubrania wieszane na sznurku lub wieszaku szybko wysychają, a pot szybko odparowuje ze skóry. Meble drewniane 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 %, kondensacja może wystąpić na powierzchniach, prowadząc do problemów z pleśnią , korozją, próchnicą i innymi uszkodzeniami związanymi z wilgocią. Kondensacja może stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa, ponieważ może sprzyjać rozwojowi pleśni i zgnilizny drewna, a także możliwemu zamarznięciu wyjść awaryjnych.

Niektóre procesy produkcyjne i techniczne oraz zabiegi w fabrykach, laboratoriach, szpitalach i innych obiektach wymagają utrzymywania określonych poziomów wilgotności względnej za pomocą nawilżaczy, osuszaczy i powiązanych systemów sterowania.

Pojazdy

Powyższe podstawowe zasady dotyczące budynków dotyczą również pojazdów. Ponadto mogą być względy bezpieczeństwa. Na przykład wysoka wilgotność wewnątrz pojazdu może prowadzić do problemów z kondensacją, takich jak zaparowywanie szyb przednich i zwarcie elementów elektrycznych. W pojazdach i zbiornikach ciśnieniowych, takich jak samoloty ciśnieniowe , łodzie podwodne i statki kosmiczne , rozważania te mogą mieć kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i potrzebne są złożone systemy kontroli środowiska, w tym sprzęt do utrzymywania ciśnienia .

Lotnictwo

Samoloty operują przy niskiej wewnętrznej wilgotności względnej, często poniżej 20 %, zwłaszcza podczas długich lotów. Niska wilgotność jest konsekwencją wciągania bardzo zimnego powietrza o niskiej wilgotności bezwzględnej, która 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 w celu podniesienia jej do komfortowego poziomu średniego, ponieważ objętość wody wymagana do wniesienia na pokład może znacznie zmniejszyć wagę. Gdy samoloty schodzą z niższych wysokości do cieplejszego powietrza (być może nawet przelatując przez chmury kilka tysięcy stóp nad ziemią), wilgotność względna otoczenia może dramatycznie wzrosnąć. Część tego wilgotnego powietrza jest zwykle wciągana do kabiny samolotu pod ciśnieniem oraz do innych obszarów samolotu bez ciśnienia i skrapla się na zimnej poszyciu samolotu. Ciekłą wodę można zwykle zobaczyć po poszyciu samolotu, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz kabiny. Ze względu na drastyczne zmiany wilgotności względnej wewnątrz pojazdu, elementy muszą być zakwalifikowane do pracy w tych środowiskach. Zalecane kwalifikacje środowiskowe dla większości komercyjnych komponentów statków powietrznych są wymienione w RTCA DO-160 .

Zimne, wilgotne powietrze może sprzyjać tworzeniu się lodu, co stanowi zagrożenie dla samolotów, ponieważ wpływa na profil skrzydła i zwiększa masę. Silniki gaźnikowe stwarzają dodatkowe niebezpieczeństwo tworzenia się lodu wewnątrz gaźnika . Lotnicze raporty pogodowe ( METAR ) zawierają zatem wskazanie wilgotności względnej, zwykle w postaci punktu rosy .

Piloci muszą brać pod uwagę wilgotność podczas obliczania długości startu, ponieważ wysoka wilgotność wymaga dłuższych pasów startowych i zmniejszy wydajność wznoszenia.

Wysokość gęstościowa to wysokość względem standardowych warunków atmosferycznych (Międzynarodowa Atmosfera Standardowa), na której gęstość powietrza byłaby równa wskazanej gęstości powietrza w miejscu obserwacji lub innymi słowy wysokość mierzona jako gęstość powietrza, a nie odległości od ziemi. „Density Altitude” to wysokość ciśnieniowa dostosowana do niestandardowej temperatury.

Wzrost temperatury, aw znacznie mniejszym stopniu wilgotności spowoduje wzrost wysokości gęstości. Tak więc w gorących i wilgotnych warunkach wysokość gęstości w określonym miejscu może być znacznie wyższa niż rzeczywista wysokość.

Elektronika

Osuszający worek ( żel krzemionkowy ), najczęściej w pakietach zawierających produkty elektroniczne do sterowania wilgotnością

Urządzenia elektroniczne są często oceniane do działania tylko w określonych warunkach wilgotności (np. 10% do 90%). W górnej części zakresu wilgoć może zwiększyć przewodność przepuszczalnych izolatorów, prowadząc do awarii. Zbyt niska wilgotność może spowodować kruchość materiałów. Szczególnym zagrożeniem dla elementów elektronicznych, niezależnie od podanego zakresu wilgotności roboczej, jest kondensacja . Gdy element elektroniczny zostanie przeniesiony z zimnego miejsca (np. garaż, samochód, szopa, klimatyzowana przestrzeń w tropikach) do ciepłego, wilgotnego miejsca (dom, poza tropikami), kondensacja może pokryć płytki obwodów i inne izolatory, prowadząc do zwarcia obwód wewnątrz urządzenia. Takie zwarcia mogą spowodować znaczne trwałe uszkodzenia, jeśli urządzenie zostanie włączone przed odparowaniem skroplin . Podobny efekt kondensacji można często zaobserwować, gdy osoba nosząca okulary wychodzi z zimna (tj. okulary stają się zamglone). Wskazane jest, aby sprzęt elektroniczny zaaklimatyzował się przez kilka godzin po przyniesieniu z zimna przed włączeniem. Niektóre urządzenia elektroniczne mogą wykryć taką zmianę i wskazać, po podłączeniu i zwykle małym symbolem kropli, że nie można ich używać, dopóki nie minie ryzyko kondensacji. W sytuacjach, w których czas jest krytyczny, zwiększenie przepływu powietrza przez wnętrze urządzenia, takie jak zdjęcie panelu bocznego z obudowy komputera i skierowanie wentylatora na obudowę, znacznie skróci czas potrzebny na aklimatyzację do nowego środowiska.

Natomiast bardzo niski poziom wilgotności sprzyja gromadzeniu się elektryczności statycznej , co może skutkować spontanicznym wyłączeniem komputerów w przypadku wyładowań. Wyładowania elektrostatyczne, poza błędnym działaniem błędnym, mogą powodować przebicie dielektryczne w urządzeniach półprzewodnikowych, powodując nieodwracalne uszkodzenia. Z tych powodów centra danych często monitorują poziom wilgotności względnej.

Przemysł

Wysoka wilgotność może często mieć negatywny wpływ na wydajność zakładów chemicznych i rafinerii wykorzystujących piece w ramach pewnych procesów (np. reforming parowy, procesy mokrego 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 pobierać powietrze z większą szybkością niż byłoby to wymagane do utrzymania taka sama szybkość strzelania.

Pieczenie

Wysoka wilgotność w piekarniku, reprezentowana przez podwyższoną temperaturę termometru wilgotnego , zwiększa przewodność cieplną powietrza wokół wypieku, co prowadzi do szybszego procesu pieczenia, a nawet spalania. I odwrotnie, niska wilgotność spowalnia proces pieczenia.

Inne ważne fakty

Wilgotność względna.png

Przy 100% wilgotności względnej powietrze jest nasycone i ma punkt rosy : ciśnienie pary wodnej nie pozwoli ani na odparowanie pobliskiej ciekłej wody, ani kondensację na wzrost pobliskiej wody; ani sublimacja pobliskiego lodu, ani osadzanie się w celu wyhodowania pobliskiego lodu.

Wilgotność względna może przekroczyć 100%, w takim przypadku powietrze jest przesycone . Tworzenie się chmur wymaga przesyconego powietrza. Jądra kondensacji chmur obniżają poziom przesycenia wymagany do tworzenia mgieł i chmur - w przypadku braku jąder, wokół których mogą tworzyć się krople lub lód, wyższy poziom przesycenia jest wymagany, aby te krople lub kryształki lodu mogły się spontanicznie tworzyć. W komorze mgłowej Wilsona , która jest wykorzystywana w eksperymentach fizyki jądrowej, wewnątrz komory 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 zmienia się odwrotnie, choć nieliniowo, z temperaturą . Dzieje się tak, ponieważ ciśnienie parcjalne wody wzrasta wraz z temperaturą — zasada działania wszystkiego, od suszarek do włosów po osuszacze .

Ze względu na rosnący potencjał wyższego ciśnienia parcjalnego pary wodnej w wyższych temperaturach powietrza, zawartość wody w powietrzu na poziomie morza może wzrosnąć do 3% masowych w temperaturze 30°C (86°F) w porównaniu do nie więcej niż około 0,5 % masy w temperaturze 0 °C (32 °F). Wyjaśnia to niski poziom (przy braku środków zwiększających wilgotność) wilgoci w ogrzewanych konstrukcjach w okresie zimowym, co skutkuje suchością skóry , swędzeniem oczu i utrzymywaniem się ładunków elektrostatycznych . Nawet przy nasyceniu (100% wilgotności względnej) na zewnątrz, ogrzewanie infiltrowanego powietrza zewnętrznego, które wchodzi do pomieszczenia, zwiększa jego pojemność wilgoci, co obniża wilgotność względną i zwiększa szybkość parowania z wilgotnych powierzchni w pomieszczeniach (w tym z ludzkimi ciałami i roślinami domowymi).

Podobnie latem w wilgotnym klimacie duża ilość ciekłej wody skrapla się z powietrza chłodzonego w klimatyzatorach. Powietrze cieplejsze jest schładzane poniżej punktu rosy, a nadmiar pary wodnej ulega kondensacji. Zjawisko to jest takie samo, jak to, które powoduje tworzenie się kropelek wody na zewnątrz kubka zawierającego lodowaty napój.

Przydatną zasadą jest to, że maksymalna wilgotność bezwzględna podwaja się na każdy wzrost temperatury o 20°F (11°C). W ten sposób wilgotność względna spadnie dwukrotnie na każdy wzrost temperatury o 20°F (11°C), przy założeniu zachowania wilgotności bezwzględnej. Na przykład, w zakresie normalnych temperatur, powietrze o temperaturze 68 °F (20 °C) i 50% wilgotności względnej zostanie nasycone po schłodzeniu do 50 °F (10 °C), jego punktu rosy i 41 °F (5 °C) powietrze o 80% wilgotności względnej ogrzane do temperatury 68 °F (20 °C) będzie miało wilgotność względną tylko 29% i będzie suche. Dla porównania, standard komfortu cieplnego ASHRAE 55 wymaga systemów zaprojektowanych do kontrolowania wilgotności w celu utrzymania punktu rosy 16,8 °C (62,2 °F), chociaż nie ustalono dolnej granicy wilgotności.

Para wodna jest gazem lżejszym niż inne gazowe składniki powietrza o tej samej temperaturze, dlatego wilgotne powietrze ma tendencję do podnoszenia się w wyniku naturalnej konwekcji . Jest to mechanizm stojący za burzami i innymi zjawiskami pogodowymi . Wilgotność względna jest często wymieniana w prognozach pogody i raportach, ponieważ jest wskaźnikiem prawdopodobieństwa wystąpienia rosy lub mgły. W gorące letnie dni zwiększa również temperaturę odczuwaną przez ludzi (i inne zwierzęta ), utrudniając parowanie potu ze skóry wraz ze wzrostem wilgotności względnej. Efekt ten jest obliczany jako wskaźnik ciepła lub humidex .

Urządzenie używane do pomiaru wilgotności nazywa się higrometrem ; jeden używany do jego regulacji nazywa się higrostatem lub higrostatem . (Są to analogiczne do termometru i termostatu odpowiednio dla temperatury.)

Zobacz też

Bibliografia

Cytaty

Źródła ogólne

Zewnętrzne linki