Zależność między wilgotnością a gęstością powietrza
- Szczegóły
Gęstość powietrza to masa powietrza podzielona przez jego objętość, wyrażana w jednostce kg/m³ w układzie SI. Na gęstość gazów, w tym powietrza, wpływają ciśnienie i temperatura.
Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość powietrza
Wyższa temperatura powoduje zmniejszenie gęstości powietrza. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki składników powietrza poruszają się szybciej w wyższej temperaturze. Z kolei wzrost ciśnienia powoduje wzrost gęstości powietrza.
Istotnym czynnikiem wpływającym na tę zależność jest wysokość nad poziomem morza oraz zjawiska atmosferyczne. Ciśnienie powietrza zmniejsza się dynamicznie wraz z wysokością. Gęstość powietrza maleje na dużej wysokości, zwłaszcza w gorące dni.
Wpływ wilgotności na gęstość powietrza
Wbrew pozorom, gęstość powietrza maleje wraz ze wzrostem wilgotności, co oznacza, że powietrze staje się lżejsze. Dzieje się tak dlatego, że lżejsze molekuły pary wodnej zastępują cięższe molekuły azotu lub tlenu, zmniejszając masę powietrza.
Wilgotność powietrza określa zawartość pary wodnej w powietrzu, pochodzącej z parowania ze swobodnych powierzchni wodnych i lądowych.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Wilgotność Bezwzględna Powietrza
Wilgotność bezwzględna powietrza to zawartość pary wodnej w powietrzu, podawana w gramach na metr sześcienny (g/m³). Maksymalna ilość pary wodnej, jaka może znajdować się w powietrzu, zależy przede wszystkim od temperatury powietrza. W powietrzu ciepłym można "rozpuścić" więcej pary wodnej, podobnie jak w ciepłej wodzie można rozpuścić więcej cukru. Na przykład, w metrze sześciennym powietrza o temperaturze -20°C, można "rozpuścić" maksymalnie 1,08 grama pary wodnej, natomiast w powietrzu o temperaturze +20°C - aż 17,28 gramów. Po przekroczeniu tych wartości, następuje skraplanie się wody, co objawia się w postaci kropel rosy czy mgły. Punkt ten nazywany jest temperaturą punktu rosy.
Wilgotność Względna Powietrza
Wilgotność względna powietrza waha się w przedziale od 0% do 100% i określa nasycenie powietrza parą wodną. Jest to stosunek masy aktualnie znajdującej się pary wodnej w powietrzu do jej maksymalnej możliwej ilości w danej temperaturze. Wilgotność względna powietrza powyżej 60% powoduje korozję stali, utlenianie metali i możliwość rozwoju grzybów. Dlatego wilgotność względna nie powinna stale przekraczać 60%. Jednakże, gdy trzeba przekraczać 60% wilgotności, należy zabezpieczyć środowisko przed rozwojem bakterii i grzybów. W komorach nawilżania stosuje się lampy UV-C, jak również powłoki z jonami srebra.
Prężność pary wodnej, jaka występuje w danej chwili w powietrzu nazywa się prężnością aktualną i oznacza zazwyczaj symbolem e. Prężność aktualna w atmosferze zmienia się stosunkowo powoli; aby wzrosła, musi wzrosnąć również zawartość pary w powietrzu. Proces parowania, który dostarcza pary wodnej do powietrza jest procesem energochłonnym, przez to powolnym.
Różnicę, między prężnością maksymalną (E) w temperaturze powietrza, w której została zmierzona prężność aktualna a wartością prężności aktualnej (e), wyrażona w hPa: d = E - e [hPa], określa się mianem niedosytu wilgotności, który informuje o tym, ile jednostek prężności potrzeba do całkowitego nasycenia danego powietrza.
Wilgotność względna (oznaczana najczęściej jako f), którą definiuje się jako: f = (e/E) * 100 [%], informuje, w jakim procencie, w stosunku do maksymalnie możliwego w danej temperaturze (tj. temperaturze, w której zmierzono e) powietrze jest nasycone parą wodną. Zauważmy, że w różnych temperaturach powietrza taka sama wartość wilgotności względnej (np. 50%) będzie oznaczała zupełnie rożne ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Temperatura punktu rosy powietrza, w którym nie zachodzą procesy kondensacji, zależy jedynie od wartości prężności aktualnej.
Wykres Molliera
Wykres Molliera (nazywany czasami wykresem i-x lub h-x) jest podstawowym narzędziem pozwalającym na określenie parametrów powietrza wilgotnego. Wykres został opublikowany przez niemieckiego profesora Richarda Molliera w 1904 roku. Możemy z niego odczytać wzajemne zależności temperatury, wilgotności względnej oraz bezwzględnej, temperatury punktu rosy i entalpii powietrza wilgotnego. Znając dwa z wymienionych parametrów możemy z wykresu Molliera odczytać pozostałe z wymienionych.
Wykres Molliera może posłużyć do zobrazowania przemian, jakie zachodzą w powietrzu np. pod wpływem typowych procesów jakie zachodzą w centralach klimatyzacyjnych. Jeśli znane są parametry początkowego i końcowego punktu danej przemiany, to mając dane masę powietrza lub jego strumień jesteśmy w stanie wyznaczyć ilość energii lub moc, która została dostarczona bądź odprowadzona z układu.
W branży HVAC częściej operuje się strumieniem objętości powietrza V[m3/s] niż strumieniem masy. Na poziomie morza w temperaturze 20°C gęstość powietrza wynosi około ρ=1,2 kg/m3.
Pomiary wilgotności powietrza mają duże znaczenie tak dla wykonania obserwacji meteorologicznych na statku (depesza SHIP), jak i w codziennej praktyce eksploatacyjnej statku (przewóz ładunków, wentylacja wnętrza statku, ...). Dość skomplikowana natura miar wilgotności powietrza powoduje, że i pomiary wilgotności, choć technicznie łatwe, wydają się być skomplikowane.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Higrometr Włosowy
Higrometr włosowy jest nieskomplikowanym, tanim przyrządem, służącym do pomiaru wilgotności względnej. Elementem mierzącym (reagującym na zmiany wilgotności względnej) jest w nim odtłuszczony włos ludzki (dokładniej pęczek włosów). Higrometry włosowe pozwalają na dość pewny (dokładność pomiaru nie jest obarczona większym błędem niż 5%) pomiar wilgotności względnej od 30 do 100%. Pomiar wilgotności w zakresie od 20 do 30% obarczony jest błędem przekraczającym 5%. Związane to jest ze stopniowym wysychaniem włosa (pęczka włosów). Z tego względu, nie rzadziej niż 3 miesiące w przeciętnych warunkach wilgotnościowych i nie rzadziej niż co 1 miesiąc w warunkach zwiększonej suchości powietrza, higrometr należy poddać procesowi ponownego tarowania (‘świeżenia’).
Właściwości sprężonego powietrza
Powietrze to mieszanina gazów, otaczająca kulę ziemską. Na powierzchni ziemi suche powietrze jest mieszaniną: azotu (N2) 78,09%, tlenu (O2) 20,95%, gazów szlachetnych: helu (He), neonu (Ne), argonu (Ar), kryptonu (Kr), ksenonu (Xe) 0,93% i dwutlenku węgla (CO2) 0,03%. Na właściwości sprężonego powietrza wpływają właściwości gazów w nim zawartych.
| Pierwiastek | Symbol | Masa molowa (kg/kmol) | Udział objętościowy (%) | Udział masowy (%) |
|---|---|---|---|---|
| Azot | N2 | 28,013 | 78 | 76 |
| Tlen | O2 | 31,999 | 21 | 23 |
| Inne | 1 | 1 |
Powietrze, tak jak każdy inny gaz, jest sprężyste, ściśliwe, płynne i wypełnia całkowicie objętość, w której się znajduje. Powietrze jest bezbarwne, bez smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie. Skroplone powietrze jest bladoniebieskie.
Właściwości sprężonego powietrza charakteryzują się takimi wielkościami fizycznymi jak: gęstość ρ, ciepło właściwe cp przy stałym ciśnieniu, ciepło właściwe cv przy stałej objętości, przewodność cieplna λ, dynamiczny współczynnik lepkości η, kinematyczny współczynnik lepkości ν, rozszerzalność objętościowa α.
| Temperatura t (°C) | Gęstość ρ (kg/m³) | Ciepło właściwe cp (kJ/kg⋅K) | Przewodność cieplna λ (W/m⋅K) | Wsp. lepkości kinematycznej ν (m²/s) x 10⁻⁶ | Rozszerzalność objętościowa α (1/K) x 10⁻³ |
|---|---|---|---|---|---|
| -150 | 2,793 | 1,026 | 0,0116 | 3,08 | 8,21 |
| -100 | 1,980 | 1,009 | 0,0160 | 5,95 | 5,82 |
| -50 | 1,534 | 1,005 | 0,0204 | 9,55 | 4,51 |
| 0 | 1,293 | 1,005 | 0,0243 | 13,30 | 3,67 |
Znaczenie wilgotności powietrza dla człowieka
Prawidłowe działanie skóry i płuc wymaga wilgotności zawartej w granicach od 40% do 70%. Powietrze suche wywołuje zbyt szybkie parowanie skóry i gwałtowne uczucie pragnienia. W bardzo wilgotnym powietrzu parowanie odbywa się zbyt wolno i odczuwa się duszące uczucie upału. Zbyt duże zawilgocenie pomieszczeń zwiększa zachorowalność na choroby gośćcowe, zmiany w układzie stawowo - ruchowym i nieżyty dróg oddechowych.
Wilgotność powietrza ma również wpływ na przebieg wielu reakcji chemicznych i procesów życiowych. Duża zawartość pary wodnej w powietrzu sprzyja rozwojowi bakterii pleśni, przyspiesza reakcję utlenienia, korozję metali.
Wilgotność bezwzględna jest to masa pary wodnej zawarta w 1 m³ powietrza, wyrażona w gramach.
Wilgotność względna określa stosunek masy pary wodnej znajdującej się w danej objętości w powietrzu do masy pary, która nasyca tę objętość w tej samej temperaturze.
Powietrze jest uznawane za zbyt suche, jeśli jego wilgotność względna spada poniżej 30% - jest to dolna granica komfortu dla większości ludzi. W takich warunkach nasza skóra, błony śluzowe oraz drogi oddechowe są narażone na podrażnienia i wysuszenie, co zwiększa ryzyko infekcji oraz uczucie dyskomfortu.
Gradient wilgotnoadiabatyczny i suchoadiabatyczny
Gradient suchoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy zawarta w niej woda (para wodna) nie zmienia stanu skupienia. Gradient suchoadiabatyczny w atmosferze Ziemi wynosi ok.
Gradient wilgotnoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy w wyniku adiabatycznego sprężania lub rozprężania zachodzi skraplanie lub parowanie wody. Wartość gradientu wilgotnoadiabatycznego zależy od temperatury i ciśnienia.
Typowa wartość gradientu temperatury w troposferze wynosi około 6°C/km.
tags: #wilgotność #a #gęstość #powietrza #zależność
