Wilgotność Powietrza: Definicja, Pomiar i Wpływ
- Szczegóły
Wilgotność powietrza to zawartość pary wodnej w powietrzu, w postaci aerozolu bądź pary, podawana zazwyczaj w jednostkach względnych. Wilgotność powietrza w przyrodzie występuje praktycznie wszędzie z wyjątkiem obszarów pustynnych i polarnych. W lesie tropikalnym wilgotność powietrza może dochodzić nawet do 100 procent.
Para wodna zawarta w atmosferze, głównie w jej warstwie rozciągającej się nad powierzchnią Ziemi (troposferze), jest bardzo ważnym wskaźnikiem pogodowym oraz klimatycznym. Dzięki obecności pary wodnej w atmosferze zachodzą procesy kondensacji, powstają chmury i opady atmosferyczne. Przemiany pary wodnej w wodę i odwrotnie są bardzo ważną częścią cyklu hydrologicznego (obiegu wody w przyrodzie). Zawartość pary wodnej w atmosferze wpływa na budowę roślin i zwierząt oraz przebieg procesów zachodzących w ich organizmach.
Wskaźniki Wilgotności Powietrza
Wilgotność powietrza jest określana przez kilka wskaźników:
- Aktualną prężność (ciśnienie) pary wodnej w danej temperaturze (e).
- Maksymalną prężność pary wodnej w danej temperaturze (E).
- Niedosyt wilgotności.
- Wilgotność względną (f).
- Wilgotność bezwzględną (a).
- Temperaturę punktu rosy.
Aktualna Prężność Pary Wodnej
Aktualna prężność pary wodnej (e) to ciśnienie wywierane przez parę wodną w danym miejscu i w danej chwili.
Maksymalna Prężność Pary Wodnej
Maksymalna prężność pary wodnej (E) to najwyższa wartość ciśnienia pary wodnej, jaka może wystąpić w określonej temperaturze, jest równoważne ciśnieniu pary nasyconej w tej temperaturze. Osiągnięcie maksymalnej prężności jest warunkiem koniecznym do rozpoczęcia procesu kondensacji pary wodnej.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Niedosyt Wilgotności
Niedosyt wilgotności jest definiowany jako różnica pomiędzy maksymalna prężnością pary wodnej (E) i aktualną prężnością pary wodnej (e). Jednostką niedosytu wilgotności jest hektopaskal (hPa).
Wilgotność Względna
Wilgotność względna pary wodnej określa procentową zawartość pary nasyconej w powietrzu. Jest wskaźnikiem wykorzystywanym powszechnie w prognozowaniu pogody oraz raportach klimatycznych, gdyż z dużą dokładnością określa prawdopodobieństwo wystąpienia opadów, pojawienia się rosy lub mgły. Wilgotność względna to stosunek aktualnej wilgotności powietrza do maksymalnej ilości pary wodnej, jaką może ono pomieścić w danej temperaturze.
Wilgotność Bezwzględna
Wilgotność bezwzględną pary wodnej (a) definiuje się jako ilość pary wodnej zawartej w danej objętości lub masie powietrza:
gdzie:
- a - wilgotność bezwzględna [g/m³],
- mp - masa pary wodnej [g],
- V - objętość powietrza [m³],
- ew - aktualna prężność pary wodnej,
- m - współczynnik objętościowego rozszerzania gazów (m=0,00366),
- t - temperatura powietrza [°C].
Wilgotność bezwzględna pary wodnej w atmosferze wynosi od ok.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Jeśli powietrze osiągnie temperaturę równą lub niższą niż punkt rosy, para wodna zacznie się skraplać, co może prowadzić do powstania wilgoci na powierzchniach oraz różnego rodzaju problemów związanych z wilgocią, takich jak pleśń czy korozja.
Temperatura Punktu Rosy
gdzie:
- td - temperatura punktu rosy [°C],
- t - temperatura [°C],
- H - wilgotność względna [%].
Przez punkt rosy rozumiemy temperaturę mieszaniny oparów wody i powietrza, przy której rozpoczyna się kondensacja wilgoci.
Pomiar Wilgotności Powietrza
Do pomiaru wilgotności powietrza służą urządzenia zwane wilgotnościomierzami, które w zależności od budowy i zasady działania dzieli się na higrometry i psychrometry.
Higrometry
Pomiar z wykorzystaniem higrometru polega na pochłanianiu wilgoci z powietrza przez dany materiał absorbujący, w wyniku czego zmieniają się jego właściwości, a następnie wyznaczaniu wilgotności bezwzględnej. Wyróżnia się higrometry włosowe, kondensacyjne, pojemnościowe, z ogrzewanymi czujnikami, przenośne stacje meteo i termohigrometry (mierzące, oprócz wilgotności powietrza, także temperaturę powietrza i temperaturę punktu rosy).
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
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%.
Psychrometry
Psychrometry wyznaczają wilgotność powietrza, mierząc ochłodzenie ciała, z którego paruje woda lub poprzez wyznaczenie punktu rosy. Psychrometr składa się z dwóch termometrów - suchego wskazującego temperaturę powietrza i mokrego wskazującego tzw. „temperaturę termometru mokrego” niższą od temperatury powietrza. Różnica wskazań obu termometrów (różnica psychrometryczna) umożliwia wyznaczenie wilgotności względnej powietrza w oparciu o tabelę psychrometryczną. W powietrzu nasyconym parą wodną (o wilgotności względnej wynoszącej 100%) oba termometry wskazują tę samą temperaturę.
Wpływ Wilgotności Powietrza
Wilgotność powietrza ma wpływ na wiele dziedzin życia, w tym na zdrowie człowieka, kondycję budynków oraz procesy przemysłowe.
Wpływ na Zdrowie
Wilgotność powietrza ma wpływ na zdrowie człowieka. Zbyt wysoka lub zbyt niska wilgotność powietrza może prowadzić do różnych problemów zdrowotnych. Zbyt suchy lub zbyt wilgotny powietrzem może powodować problemy z oddychaniem. W suchym powietrzu, drogi oddechowe mogą ulec podrażnieniu i osuszeniu, co może prowadzić do kaszlu, bólu gardła i nosa oraz infekcji górnych dróg oddechowych.
W prawidłowo nawilżonym środowisku, człowiek czuje się lepiej. Nie występują wówczas problemy z, popękanymi ustami przesuszonymi oczami, a śluzówka nosa jest odpowiednio nawilżona. Osoby przebywające w odpowiednio nawilżonym pomieszczeniu mają znacznie mniejszą podatność na infekcje i choroby układu oddechowego.
Wpływ na Przemysł
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. 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. Wpływ wilgotności ma niebagatelne znaczenie w muzealnictwie. 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.
Wpływ na Meteorologię
Wilgotność względna jest również bardzo ważna w meteorologii. Wysoka wilgotność względna powoduje, że chmury mogą się tworzyć już przy niższych temperaturach, co z kolei wpływa na opady.
Tabela Zależności Wilgotności Względnej od Temperatury (przykład)
Poniższa tabela przedstawia przykładową zależność wilgotności względnej od temperatury.
| Temperatura (°C) | Wilgotność Względna (%) |
|---|---|
| 10 | 80 |
| 20 | 60 |
| 30 | 40 |
Nawilżanie Powietrza
Proces nawilżania powietrza wodą realizowane jest w oparciu o zjawisko wymiany ciepła i masy czyli parowania dyfuzyjnego z powierzchni wody. Powierzchnia bezpośredniego kontaktu powietrza i wody ma zasadniczy wpływ na intensywność dyfuzji. W tym procesie używane są komory zraszania i złoża zraszane lub za pomocą dysz rozpraszających wodę na drobne krople (mgłę). Możemy tu rozpatrywać dwa rodzaje przemian stanu powietrza: proces politropowy i adiabatyczny. Proces politropowy występuje jeżeli temperatura wody kontaktującej się z powietrzem jest różna od temperatury wilgotnego termometru tego powietrza. Wykorzystując ten proces, powietrze może być zarówno nawilżane jak również suszone. Jednakże w klimatyzacji proces nawilżania w komorach zraszania zazwyczaj zachodzi z użyciem wody obiegowej. Temperatura wody kontaktującej się z powietrzem jest wówczas równa temperaturze termometru wilgotnego powietrza. Podczas kontaktu z wodą powietrze oddaje ciepło „jawne”, które w całości zużywane jest na odparowanie wody. Woda w postaci pary łączy się z powietrzem, oddając mu ciepło „utajone”. Powietrze jest w ten sposób nawilżane i chłodzone, a entalpia tego procesu praktycznie nie ulega zmianie. W związku z ochłodzeniem powietrza występuje konieczność dodatkowego dostarczenia energii celem jego podgrzania.
Kontrola i Regulacja Wilgotności
Tak więc wzrost temperatury medium będzie powodował zmniejszenie wskaźnika wilgotności względnej, natomiast spadek temperatury - wzrost wilgotności względnej. Ten wzrost dąży do wartości 100%, a temperatura, przy której osiąga 100% nazywana jest temperaturą punktu rosy. Temperatura punktu rosy jest parametrem bardzo często stosowanym zamiennie z wilgotnością względną, gdyż łączy w sobie dwie wielkości - wilgotność i temperaturę. Pojęcie temperatury punktu rosy często wykorzystywane jest w specyfikacji gazów technicznych, definiując w ten sposób jego suchość.
Wyobraźmy sobie pomieszczenie, w którym od układu klimatyzacji i wentylacji wymaga się utrzymania tych parametrów na stałym poziomie. Naturalne oscylacje temperatury będą automatycznie przekładały się na zmiany wilgotności względnej. W ten sposób układ regulacji wilgotności spowoduje zaburzenia w regulacji temperatury prowadząc do rozkołysania układu i pogorszenia procesu regulacji. W efekcie większy nakłady na regulację oznacza wzrost kosztów zużycia energii. W sytuacji kontrolowania wilgotności poprzez parametr temperatury punktu rosy, układ regulacji wilgotności nie jest zakłócany zmianami temperatury.
Praktyczne Aspekty Pomiaru Wilgotności
Istnieje kilka sposobów pomiaru wilgotności względnej. Zmiana pojemności tak zbudowanego kondensatora przetwarzana jest przez układ elektroniczny, który oblicza wilgotność. W układzie pomiarowym, obok sensora wilgotności znajduje się sensor temperatury (najczęściej PT1000), który wykorzystywany jest do właściwego przeliczenia wilgotności, a także informuje użytkownika o temperaturze medium.
Powyższe czujniki, które przetwarzają wielkość fizyczną (wilgotność) na elektryczną (pojemność) wymagają układu pomiarowego, który zmierzy tę pojemność oraz układu przetwarzającego, który przeliczy pomiar na informację właściwą. Trzeba przy tym uwzględnić wszelkiego rodzaju kompensacje niekorzystnych czynników, nieliniowość układu, powtarzalność pomiaru, błędy itp. Producenci urządzeń chcąc wykorzystać takie sensory muszą więc sprostać sporym wymaganiom, mieć wiedzę i doświadczenie w tym temacie.
Zdecydowanie prościej jest w przypadku sensorów cyfrowych, w których zaszyta elektronika pozwala nowemu, zdecydowanie mniej doświadczonemu użytkownikowi, wykorzystać sensor. Gotowy do użycia sensor HTE501 posiada dokładność pomiaru wilgotności względnej na poziomie 1,8% (z uwzględnieniem histerezy) i może pracować w temperaturze od -40 do 135°C. Aktywna część sensora pokryta jest opatentowaną przez producenta powłoką, która trwale chroni przed brudem i osadami korozyjnymi.
Pomiar wilgotności powietrza odbywa się za pomocą urządzeń takich jak higrometry lub termohigrometry, które pozwalają monitorować poziom wilgotności w pomieszczeniach. Odpowiednia wilgotność powietrza ma ogromne znaczenie zarówno dla zdrowia, jak i dla stanu budynków. Jej poziom wpływa na wiele aspektów codziennego życia. Utrzymanie właściwego poziomu wilgotności w pomieszczeniach ma kluczowe znaczenie dla komfortu życia, zdrowia mieszkańców oraz stanu budynków.
tags: #wilgotnosc #powietrza #definicja #pomiar #wplyw
