Wilgotność Bezwzględna Materiału: Definicja i Pomiar
- 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.
Wilgotność Substancji 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). 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.
Niekiedy do określania wilgotności substancji stałej wykorzystywana jest tzw. wilgotność względna definiowana jako stosunek masy wody zawartej w substancji do całkowitej masy substancji wilgotnej.
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.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
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.
Wilgotność Substancji Gazowych (Powietrza)
Wilgotność substancji gazowych (np. powietrza) definiowana jest jako stosunek masy pary wodnej zawartej w pewnej objętości gazu do objętości tego gazu (wilgotność bezwzględna), jako procentowy stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w danym gazie do prężności pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze (wilgotność względna) oraz jako stosunek masy pary wodnej do masy wilgotnego gazu (wilgotność właściwa).
Wilgotność powietrza określana jest za pomocą higrometrów (wilgotnościomierzy), które w zależności od budowy i metody działania dzielą się na:
- higrometry grawimetryczne (absorpcyjne) - oznaczanie polega na pomiarze ilości pary wodnej pochłoniętej z powietrza przez dany materiał absorbujący;
- higrometry termometryczne - oznaczanie polega się na pomiarze temperatury, np. psychrometry (pomiar ochłodzenia ciała, z którego paruje woda), higrometry punktu rosy (pojawianie się rosy na oziębianej polerowanej powierzchni metalu;
- higrometry elektryczne - oznaczanie polega na pomiarze właściwości elektrycznych danego gazu, zależnych od wilgotności, np. higrometry przewodnościowe, higrometry pojemnościowe;
- higrometry higroskopowe - oznaczanie dokonuje się na podstawie zależności danych właściwości materiałów od wilgotności, np. długości włosa lub włókna syntetycznego (higrometry włosowe).
Wilgotność Bezwzględna Powietrza
Wilgotność bezwzględna powietrza definiowana jest jako ilość pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza. Podawana jest w gramach na metr sześcienny (czyli g/m³). 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.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
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 Powietrza
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.
Poziom wilgotności względnej powietrza nie jest zależny wyłącznie od masy pary wodnej. Znaczenie ma także ciśnienie i temperatura względna.
Temperatura Punktu Rosy
To temperatura, do której musimy schłodzić przedmiot, aby na jego powierzchni zaczęła skraplać się zawarta w powietrzu para, tworząc rosę. 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%. 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.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Pomiary Wilgotności Powietrza
Metodą pomiaru psychometrycznego dokonuje się bezpośredniego pomiaru wilgotności względnej powietrza. Przy pomocy psychrometru i starannej obsługi można przeprowadzić dokładne pomiary wilgotności powietrza. Oprócz psychrometrów aspiracyjnych dostępne są również różne wersje wykresów. 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. 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.
Higrometry - Przyrządy do Pomiaru Wilgotności
Higrometr - zwany także wilgotnościomierzem jest przyrządem służącym do wyznaczania zawartości wilgoci w powietrzu. Nowoczesne higrometry mogą mierzyć wiele zróżnicowanych parametrów związanych z wyznaczaniem wilgotności powietrza: wilgotność względna, wilgotność bezwzględna, wilgotność właściwa, temperatura punktu rosy.
Rodzaje higrometrów:
- Włosowe - tradycyjny, najstarszy typ higrometru. Konstrukcja urządzenia opiera się na specyficznych właściwościach włosa ludzkiego lub końskiego.
- Kondensacyjne - Wilgotność powietrza w higrometrach kondensacyjnych obliczana jest na podstawie temperatury, przy której para wodna skrapla się na elementach urządzenia.
- Elektrolityczne - Są obecnie najczęściej wykorzystywaną grupą urządzeń do pomiaru wilgotności.
- Psychrometry - Budowa tego typu urządzenia opiera się na dwóch termometrach (tzw. „suchym” i „mokrym”).
Od stopnia wilgotności panującej w naszym otoczeniu zależy bardzo wiele czynników. Zależy od niego nie tylko prawidłowy wzrost roślin, ale także nasze samopoczucie. Nieodpowiednia wilgotność może doprowadzić do wymiernych strat w magazynach produktów żywnościowych, archiwach, laboratoriach, muzeach itp. Higrometr może być przydatnym urządzeniem kontrolującym wilgotność powietrza w domu lub mieszkaniu. Dzięki odpowiedniej wilgotności w pomieszczeniu możemy zadbać o nasze zdrowie. Komfortowa wilgotność względna powietrza, w której człowiek najlepiej się czuje powinna oscylować między 40% a 60% RH. Wilgotność na tym poziomie jest optymalna dla zdrowia, ale także odpowiednia dla mebli i innych elementów wyposażenia znajdujących się w pomieszczeniach.
Metody Pomiaru Wilgotności Materiałów
Zawartość wody w ciałach stałych definiuje się dwojako. Stosowana jest miara określana albo jako stosunek masy wody do masy materiału suchego (wilgotność bezwzględna, zawartość wilgoci), albo jako stosunek masy wody do całkowitej masy badanej substancji (wilgotność względna). Obydwa te parametry wyrażane są procentowo.
Do głównych metod pomiarowych stosowanych w urządzeniach można zaliczyć:
- metoda elektrooporowa polega na pomiarze zjawisk elektrycznych zachodzących w materiałach porowatych w zależności od stopnia ich zawilgocenia.
- metoda mikrofalowa jest jedną z bardziej zaawansowanych i cechujących się dużą dokładnością metod pomiarowych. Mierząc przesunięcie fazowe i stopień tłumienia fali elektromagnetycznej w danym materiale oraz wykorzystując zależność tych parametrów od masy wody, można wyznaczyć zawartość wilgoci.
Jeśli suszenie polega na usuwaniu wody z produktu, wynika z tego, że wilgotność jest istotnym parametrem, który należy monitorować podczas całego procesu.
Wilgotność Względna vs. Bezwzględna w Pomiarach
Wilgotność względna jest najczęściej używaną miarą wilgotności. Jest prosta w interpretacji i praktyczna w użyciu. Jeżeli chodzi o wilgotność bezwzględną, to dobrze definicję tej wilgotności oddaje angielska nazwa „moisture ratio” - wilgotność bezwzględna jest stosunkiem masy wody do masy suchego materiału. Wilgotność bezwzględna jest zawsze większa od wilgotności względnej. Wilgotność bezwzględna ma zastosowanie w badaniach naukowych oraz przy przetwórstwie materiałów. Ze względów historycznych wilgotność bezwzględna jest używana przy pomiarach wilgotności drewna.
Poniższy 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.
Miary Wilgotności Powietrza
Mianem wilgotności powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Maksymalną ilość pary wodnej, jaką jest w stanie zawierać powietrze w danej temperaturze określa się mianem prężności maksymalnej lub prężnością pary nasyconej, niekiedy prężnością nasycenia i oznacza zazwyczaj symbolem E. Wartości prężności aktualnej, choć pośrednio informują o tym, ile jest pary wodnej w powietrzu, nie są miarą wystarczająco poglądową.
Wilgotność względna (oznaczana najczęściej jako f), którą definiuje się jako: f = (e/E) * 100 [%], informującą 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.
tags: #wilgotność #bezwzględna #materiału #definicja #pomiar
