Wilgotność Bezwzględna Materiału: Definicja i Znaczenie
- Szczegóły
Wilgotność to wielkość określająca ilość dowolnej cieczy bądź pary tej cieczy zawartej w stałej lub gazowej substancji. Wilgotność jest przeważnie używana do określania zawartości wody bądź pary wodnej w danej substancji. Choć jej nie widać, to decyduje o komforcie i zdrowiu, a także o wielu procesach przemysłowych i naturalnych.
Istnieje kilka rodzajów wilgotności: wilgotność względna, bezwzględna, właściwa, punkt rosy i niedosyt wilgotności. Razem tłumaczą, czemu pojawia się rosa, mgła, deszcz czy śnieg i skąd bierze się odczuwalna temperatura inna niż na termometrze.
Wilgotność Powietrza
Wilgotność powietrza to po prostu ilość pary wodnej znajdującej się w danej objętości powietrza, ale opisuje się ją kilkoma różnymi wielkościami fizycznymi. W codziennych komunikatach najczęściej pojawia się wilgotność względna, bo dobrze oddaje odczucia człowieka i ryzyko zjawisk takich jak mgła czy opady.
Para wodna pojawia się w powietrzu głównie dzięki parowaniu z powierzchni oceanów, mórz, jezior, rzek oraz wilgotnej gleby, a także w wyniku transpiracji roślin, które oddają wodę przez liście. Te procesy są zasilane energią słoneczną, która ogrzewa wodę i powoduje przejście cząsteczek do stanu gazowego.
Ta sama para wodna prędzej czy później opuszcza atmosferę, ponieważ obieg wody na Ziemi ma charakter zamknięty. Tak tworzą się chmury, z których następnie w sprzyjających warunkach powstają opady deszczu lub śniegu.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Ilość pary wodnej w powietrzu jest bardzo zmienna, ponieważ na jej zawartość wpływają temperatura powietrza, ciśnienie, ruchy poziome i pionowe mas powietrza oraz lokalne warunki powierzchni terenu.
Wilgotność odgrywa kluczową rolę w powstawaniu chmur, mgieł i opadów, ponieważ to od stopnia nasycenia powietrza parą wodną zależy, czy nastąpi kondensacja. Gdy wilgotne powietrze unosi się i ochładza, jego zdolność do utrzymywania pary wodnej maleje.
W momencie osiągnięcia punktu rosy zaczynają powstawać kropelki wody lub kryształki lodu, które tworzą chmury. Wilgotność wpływa także na sposób, w jaki człowiek odczuwa temperaturę. W gorące dni organizm chłodzi się poprzez odparowywanie potu ze skóry, a im wyższa wilgotność, tym trudniej ten proces przebiega.
W efekcie przy wysokiej temperaturze i wilgotności pojawia się wrażenie „parnego upału”, a odczuwalna temperatura jest wyższa niż wskazują termometry. W mroźne dni wilgotność powietrza również ma duże znaczenie.
Suchy mróz przy niskiej wilgotności bywa odczuwany jako mniej dokuczliwy, mimo bardzo niskiej temperatury, ponieważ powietrze słabiej przewodzi ciepło od ciała.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Wilgotności powietrza nie da się wiarygodnie ocenić wyłącznie na podstawie wrażeń zmysłowych, dlatego korzysta się z różnych typów przyrządów pomiarowych. W codziennym użytkowaniu liczy się nie tylko wybór odpowiedniego przyrządu, ale także sposób prowadzenia pomiaru.
W bardziej wymagających zastosowaniach kontroluje się także temperaturę otoczenia i różnicę między nią a punktem rosy, co pozwala ocenić ryzyko kondensacji na elementach konstrukcji oraz instalacjach technicznych.
Skąd się bierze para wodna w powietrzu atmosferycznym?
- Parują naturalne zbiorniki wodne: rzeki, jeziora, oceany.
- Paruje woda ze sztucznych akwenów.
- Naturalny obieg wody również dostarcza wilgoci w postaci szronu, rosy, deszczu, gradu, śniegu.
Wilgotność Bezwzględna
W każdym metrze sześciennym powietrza atmosferycznego zawarta jest pewna masa pary wodnej. Masa ta jest miarą wilgotności bezwzględnej. Obecność pary wodnej w powietrzu czyni to powietrze mniej nasyconym parą wodną w słoneczny, upalny dzień lub prawie nasyconym parą wodną w dzień pochmurny i deszczowy.
W przypadku pary wodnej nienasyconej w każdym metrze sześciennym powietrza może się jeszcze zmieścić pewna masa pary wodnej, by para była nasycona. Wilgotność bezwzględna nie informuje nas o tym jak bardzo masa pary wodnej zawartej w danej temperaturze w powietrzu różni się od stanu pary nasyconej. O tej różnicy informuje nas wilgotność względna.
Wilgotność bezwzględna powietrza definiowana jest jako ilość pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza. Podawana jest w gramach na metr sześcienny (g/m³). Jak się łatwo domyślić, wilgotność rozumiana jako zawartość pary wodnej w powietrzu, to po prostu masa pary wodnej na metr sześcienny powietrza. Jednostka wilgotności bezwzględnej to g/m³, można stosować także miarę prężności w kPa.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Wilgotność bezwzględna powietrza nie jest dla nas szczególnie istotną miarą. W zasadzie może dotyczyć wyłącznie meteopatów, jest bowiem zależna od pogody. Będzie bardzo wysoka w czasie deszczowych i pochmurnych dni lub bardzo niska w czasie bardzo słonecznej i gorącej pogody.
Maksymalna ilość pary wodnej, jaka może znajdować się w powietrzu, zależy przede wszystkim od temperatury powietrza. W powietrzu ciepłym można „rozpuścić” oczywiście więcej pary wodnej. Po przekroczeniu tych wartości, następuje jednak skraplanie się wody. Dlatego może objawiać się to w postaci kropel rosy czy mgły. Punkt ten nazywany jest oczywiście temperaturą punktu rosy. Wyjątkiem jest powstanie pary przechłodzonej (czyli pary przesyconej), z powodu braku centrów kondensacji.
Przykładowe wartości maksymalnej wilgotności bezwzględnej w zależności od temperatury:
| Temperatura | Maksymalna wilgotność bezwzględna |
|---|---|
| -20°C | 1,08 g/m³ |
| -10°C | 2,36 g/m³ |
| 0°C | 4,85 g/m³ |
| +10°C | 9,39 g/m³ |
| +20°C | 17,28 g/m³ |
| +30°C | 30,35 g/m³ |
| +40°C | 51,18 g/m³ |
Wilgotność Względna
Zgodnie z definicją wilgotność względna jest to ilość wody znajdującej się w powietrzu przy danej temperaturze podzielona przez jej maksymalną ilość nasycenia, którą może zaabsorbować powietrze w tej temperaturze. Wilgotność względna powietrza 60% oznacza, że powietrze zawiera 60% ilości pary nasyconej, która mogłaby być w nim zawarta w tej temperaturze. Wilgotność 0% oznacza, że w powietrzu nie ma pary wodnej.
Czyli jest to stosunek masy aktualnie znajdującej się pary wodnej w powietrzu, do jej maksymalnej możliwej ilości w danej temperaturze.
Wzór na wilgotność względną powietrza:
y - wilgotność bezwzględna powietrza
m - masa pary wodnej
ymax - wilgotność maksymalna, ilość pary wodnej w powietrzu, po której następuje skraplanie.
Poziom wilgotności względnej powietrza nie jest zależny wyłącznie od masy pary wodnej. Znaczenie ma także ciśnienie i temperatura względna. Wzór tak naprawdę pozwala nam na obliczenie punktu rosy dla danej temperatury.
Temperatura Punktu Rosy
To temperatura, do której musimy schłodzić przedmiot, aby na jego powierzchni zaczęła skraplać się zawarta w powietrzu para, tworząc rosę. Istnieją tabele fizyczne, w których zawarte są już punkty rosy dla różnych temperatur. Tabela jest łatwa w zastosowaniu - potrzebna jest tylko temperatura względna i wilgotność powietrza, by móc określić, gdzie znajduje się punkt rosy.
Można łatwo sprawdzić, że jeśli przy temperaturze 25˚C wilgotność względna powietrza wynosi 30%, przy 15˚C osiągnie już 70%. Punkt rosy w tym wypadku to 9˚ - wtedy wilgotność sięga 100% i zaczyna się skraplać w wodę.
Wpływ Wilgotności Względnej Powietrza na Dom i Człowieka
Dopuszczalna wilgotność względna powietrza w mieszkaniach wynosi od 35 do 70%. Jednak optymalna wartość to 40-50%. Zarówno za wysoka, jak i za niska wartość ma bardzo duży wpływ na nasze życie i funkcjonowanie.
Prawidłowe działanie płuc i skóry jest możliwe wyłącznie w wilgotności względnej od 40 do 70%. Jednakże utrzymywanie wysokiego poziomu wilgotności jest szkodliwe dla mebli, książek i różnego rodzaju sprzętów znajdujących się w mieszkaniu. Zwłaszcza elementy metalowe mogą łatwiej ulegać korozji. Duża wilgoć względna to także idealne warunki do rozwoju grzybów, pleśni i bakterii.
Bardzo niska wilgotność powietrza jest mało komfortowa, ponieważ trudno jest oddychać, szybko pojawia się uczucie pragnienia, a skóra wysycha. Zbyt wysoka jest częstą przyczyną chorób gośćcowych, zapaleń stawów, ogólnego osłabienia odporności. Dlatego warto regularnie sprawdzać, jaka jest wilgotność względna w pomieszczeniu.
Pomiary Wilgotności Powietrza
Metodą pomiaru psychometrycznego dokonuje się bezpośredniego pomiaru wilgotności względnej powietrza. Psychrometr składa się zasadniczo z dwóch niezależnych czujników temperatury, z których jeden jest stosowany jako czujnik temperatury "wilgotny", a drugi jako czujnik temperatury "suchy". Czujnik temperatury wilgotności jest otoczony chłonną tkaniną nasączoną wodą.
W zależności od temperatury lub wilgotności krążącego powietrza, pewna ilość pary wodnej jest uwalniana przez odparowanie poprzez niezbędny przepływ powietrza. Powoduje to zauważalne schłodzenie powierzchni wilgotnego termometru (temperatura mokrej główki). W tym samym czasie za pomocą drugiego czujnika temperatury mierzona jest temperatura powietrza otoczenia (temperatura "sucha").
Oprócz psychrometrów aspiracyjnych dostępne są również różne wersje wykresów. Zakres zastosowania większości psychrometrów mechanicznych z termometrami szklanymi jest ograniczony do zakresu temperatur pomiaru ≤ 60 °C. Psychrometry elektryczne umożliwiają rozszerzenie zakresu zastosowań. Pomiar temperatury "mokrej" i "suchej głowicy" odbywa się za pomocą termometrów oporowych Pt-100.
Dzięki specjalnej konstrukcji i małej masie własnej pojemnościowych czujników wilgotności uzyskuje się bardzo krótkie czasy reakcji. Ponadto, są one w dużej mierze niewrażliwe na lekkie zabrudzenia i kurz. W celu ochrony przed kontaktem z powierzchniami, czujniki są zamknięte w obudowie z tworzywa sztucznego.
Znaczenie Wilgotności w Procesach Technologicznych
W procesach technologicznych w których biorą udział materiały higroskopijne niestabilna wilgotności względna może spowodować zmianę ich wymiarów oraz właściwości a tym samym wpływa to negatywnie na sam proces oraz jego wydajność i to większym stopniu niż np. zmiany temperatury. Tego typu sytuacje można zaobserwować np. w drukarni. Zapakowana rolka papieru, trafiając do drukarni, ma w sobie pewną ilość wody.
Po rozpakowaniu, papier w zależności od poziomu wilgotności powietrza traci lub oddaje wodę do otoczenia jest to naturalny proces. Papier absorbując wilgoć rozszerza swoje pory w przeciwnym kurczy je. W takim przypadku materiał zmienia swoje wymiary, a to ma wpływ na jakość wydruku.
Przy obróbce drewna mamy podobną sytuację jak z papierem, zmiana poziomu wilgotności może spowodować kurczenie materiału a co temu towarzyszy mogą wystąpić pęknięcia niekontrolowane skurcze i wykrzywienia materiału. Podobna sytuacja występuje w przemyśle tekstylnym. Włókna wykorzystywane jako przędza mogą stać się kruche, powodując ich rozrywanie, stratę czasu oraz zmniejszenie wydajności produkcji, a ponadto poszarpane włókna wpływają na pogorszenie jakości produktu.
W przypadku przemysłu wysokich technologii wpływ zmian wilgotności powietrza ma duży udział na poprawność i wydajność procesu, zbyt suche powietrze może powodować pękanie płytek drukowanych, a warstwa farby staje się bardzo krucha. Tym samym produkt staje się wadliwy i bezużyteczny.
Zbyt niski poziom wilgotności w pomieszczeniach serwerowni jest przyczyną gwałtownego wzrostu ładunków elektrostatycznych. Obniżenie poziomu wilgotności względnej poniżej 30% powoduje niekontrolowane wyładowania a co za tym idzie może spowodować uszkodzenie drogocennego sprzętu informatycznego i utratę drogocennych danych.
Jak widać można wymieniać wiele branż, w których wilgotność powietrza ma znaczący wpływ na jakość i bezpieczeństwo procesów technologicznych. W miernictwie wielkości nieelektrycznych, pomiary wilgotności zajmują drugie miejsce po temperaturze.
Wilgotność Materiałów Stałych
Wilgotność substancji stałych definiowana jest jako stosunek masy cieczy (masy wody) zawartej w danej substancji do suchej masy tej substancji (wilgotność bezwzględna, wilgotność właściwa) zgodnie z poniższym wzorem:
Niekiedy do określania wilgotności substancji stałej wykorzystywana jest tzw. wilgotność względna definiowana jako stosunek masy wody zawartej w substancji do całkowitej masy substancji wilgotnej zgodnie z poniższa zależnością:
Ciecz (woda) zawarta w danej substancji może być z nią związana mechanicznie, wskutek działania sił międzycząsteczkowych (adsorpcja) bądź wskutek działania sił osmotycznych; podczas określania wilgotności substancji stałej nie uwzględnia się cząsteczek wody połączonych wiązaniami chemicznymi z cząsteczkami substancji stałej.
Wilgotność Gleby
Gleba jest porowatą strukturą trójfazową, składającą się z fazy stałej (cząstek mineralnych, organicznych i mineralno-organicznych), fazy ciekłej (wody i roztworu glebowego - wody glebowej wraz z rozpuszczonymi w niej związkami mineralnymi i organicznymi) oraz fazy gazowej (powietrza glebowego - mieszaniny gazów i pary wodnej).
Wilgotność gleby (zawartość wody w glebie) można wyrazić procentowo w stosunku do suchej masy gleby (wilgotność absolutna wagowa), objętości gleby (wilgotność absolutna objętościowa) bądź za pomocą stopnia wilgotności.
Wilgotność wagowa definiowana jest jako stosunek masy wody zwartej w glebie do masy fazy stałej gleby (po wysuszeniu w temperaturze 105°C) wyrażony w procentach wagowych:
Wilgotność objętościowa definiowana jest jako stosunek objętości wody zawartej w glebie do całkowitej objętości gleby (przed wysuszeniem) wyrażony w procentach objętościowych:
Stopień wilgotności definiowany jest jako stosunek objętości wody zawartej w glebie do całkowitej objętości wolnych przestrzeni (porów) w glebie:
Wilgotność gleby określana jest z wykorzystaniem następujących metod:
- metody grawimetrycznej (suszarkowo-wagowej) - zawartość wody w glebie oznacza się na podstawie różnicy masy próbki gleby przed i po wysuszeniu w temperaturze 105°C;
- metody reflektometrii w domenie czasu TDR (Time Domain Reflectometry) - zawartość wody oznacza się na podstawie pomiaru prędkości rozchodzenia się impulsu elektromagnetycznego w badanej próbce gleby, zależnej od stałej dielektrycznej tej próbki.
Różnice między Wilgotnością Bezwzględną a Względną Materiałów
Wilgotność względna jest najczęściej używaną miarą wilgotności. Jest prosta w interpretacji i praktyczna w użyciu. Wilgotność bezwzględna jest stosunkiem masy wody do masy suchego materiału, co dobrze oddaje angielska nazwa "moisture ratio".
Na przykład jeżeli wilgotność względna kukurydzy wynosi 15% to oznacza, że np. w próbce 100 gram kukurydzy 15 gramów stanowi woda a 85 gramów to sucha masa kukurydzy. Korzystając z tego samego przykładu jak wyżej, jeżeli 85 gramów to sucha masa kukurydzy a 15g to woda, więc wilgotność bezwzględna będzie wynosiła (15/85)*100 = 17.6%.
Wilgotność bezwzględna ma zastosowanie w badaniach naukowych oraz przy przetwórstwie materiałów. Ze względów historycznych wilgotność bezwzględna jest używana przy pomiarach wilgotności drewna.
Powyższy przykład pokazuje duże różnice wilgotności materiału w zależności od typu wilgotności. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę w danych technicznych czujnika/miernika jaka wilgotność jest na wyjściu czujnika. W razie potrzeby można dokonać odpowiedniego przeliczenia na potrzebny typ wilgotności.
tags: #wilgotność #bezwzględna #materiału #definicja
