Wilgotność Powietrza a Temperatura: Wzajemna Zależność i Wpływ na Komfort
- Szczegóły
Mianem wilgotności powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Para wodna w powietrzu pochodzi z parowania zachodzącego ze swobodnych powierzchni wodnych i powierzchni lądowych (gruntu, roślinności...). Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Nie można zmieszać dowolnej ilości pary wodnej z dowolną ilością powietrza (tak, jak to można zrobić na przykład ze spirytusem etylowym i wodą, czy azotem i tlenem).
Podstawowe Miary Wilgotności Powietrza
Istnieje kilka miar wilgotności powietrza, które pozwalają na dokładne określenie zawartości pary wodnej w atmosferze. Zrozumienie tych miar jest kluczowe do analizy wpływu wilgotności na różne aspekty naszego życia i otoczenia.
Prężność Pary Wodnej
To ciśnienie parcjalne (cząstkowe), wywierane przez parę wodną w powietrzu. Jednostką pomiaru jest hPa (jednostka ciśnienia). Można to wyobrazić sobie jako różnicę ciśnienia w zamkniętej objętości powietrza i bez zmiany jego temperatury przed (p) i po całkowitym usunięciu z tej objętości znajdującej się pary wodnej (p').
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. 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. W związku z tym zmiany prężności aktualnej zachodzą zazwyczaj wraz z procesami wymiany mas atmosferycznych nad danym obszarem.
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.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Wartości prężności aktualnej, choć pośrednio informują o tym, ile jest pary wodnej w powietrzu, nie są miarą wystarczająco poglądową, informacja, że np. prężność aktualna równa jest 5 hPa, bez znajomości temperatury powietrza i względnie precyzyjnej znajomości E = f(t), niewiele jeszcze mówi.
Wilgotność Względna
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. Przykładowo wilgotność względna 50% w temperaturze 0°C wystąpi przy e = 3,05 hPa, w temperaturze +20°C przy e = 11,7 hPa.
W formule definiującej wilgotność względną występuje w mianowniku ułamka wartość E, która jest funkcją temperatury powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza wartość E rośnie. Oznacza to, że zmiany temperatury powietrza, przy niezmienionej zawartości pary wodnej w powietrzu (e, prężności aktualnej) muszą pociągać za sobą zmiany wilgotności względnej (f). W przypadku niezmienionej zawartości pary wodnej (e) wzrost temperatury powoduje spadek (zmniejszenie się) wilgotności względnej.
Posłużmy się tutaj przykładem. Niech w powietrzu, które ma temperaturę 20°C zmierzono wartość e = 12,3 hPa. W takim razie e = 12,3 hPa, zaś wartość prężności maksymalnej jest taka, jaka wynika z temperatury tego powietrza (20°C; E = 23.4 hPa, co oznacza, że wilgotność względna wynosi około 52,6% (12,3 / 23,4). Obniżamy temperaturę tego powietrza do 0°C. Dalszy spadek temperatury powietrza powoduje przejście powietrza w stan przesycenia, który spowoduje, że cały nadmiar ilości pary wodnej ponad wartość E wynikający z nowej, obniżonej temperatury powietrza ulegnie kondensacji. Proces kondensacji pary wodnej jest procesem przechodzenia pary wodnej (gazu) w wodę (ciecz).
Temperatura Punktu Rosy
Temperatura, do której należy schłodzić powietrze, aby przy danej prężności aktualnej wilgotność względna osiągnęła 100% i rozpoczęły się w nim procesy kondensacji nosi nazwę temperatury punktu rosy i oznaczana jest zazwyczaj jako td [°C]. Temperatura punktu rosy powietrza, w którym nie zachodzą procesy kondensacji, zależy jedynie od wartości prężności aktualnej. Tak długo, jak temperatura powietrza nie spadnie poniżej temperatury punktu rosy, temperatura punktu rosy tego powietrza pozostaje stała.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Od chwili, gdy powietrze osiągnęło temperaturę punktu rosy (10°C) i temperatura powietrza dalej powoli spada, cały czas wilgotność względna ma wartość 100% i temperatura punktu rosy tego powietrza jest równa jego temperaturze. Cały nadmiar pary wodnej, ponad wartość prężności maksymalnej w danej temperaturze (E) ulega kondensacji, czyli wykropleniu.
Zwróćmy uwagę, że bardzo wszechstronną miarą wilgotności powietrza może być para temperatury - temperatura powietrza (tp) i temperatura punktu rosy tego powietrza (td). Zauważmy, że temperatura powietrza nie może być niższa od jego temperatury punktu rosy. Jeśli wyobrazimy sobie procesy kształtowania wilgotności powietrza, bez zmian ilości pary wodnej w powietrzu, związane ze zmianami temperatury tego powietrza w ten sposób, że obie te wartości znajdują się na osi liczbowej, to temperatura punktu rosy (td) będzie stała w miejscu na osi (zależy jedynie od e). Wzrost temperatury (tp) spowoduje oddalenie tp od td, spadek temperatury zbliżenie tp do td.
W ten sposób różnica temperatury powietrza i temperatury punktu rosy informuje nas o tym, jaka jest wilgotność względna (duża różnica - mała wilgotność, mała różnica - duża wilgotność, czyli powietrze bliskie nasycenia parą wodną). W każdym momencie wiemy, jaki spadek temperatury doprowadzi do początków wystąpienia procesów kondensacji.
Z tego względu meteorolodzy rzadko używają wilgotności względnej jako miary wilgotności, posługują się najczęściej wspomnianą parą temperatur, która charakteryzuje tak zwane stosunki termo-higryczne powietrza (wielkość kompleksowa, opisująca zarówno temperaturę, jak i całokształt stosunków wilgotnościowych). Wilgotnością względną często natomiast operuje się w celach praktycznych - na przykład w warunkach przewozu szeregu ładunków, pracy mechanizmów i urządzeń, warunków przebywania ludzi, etc.
Gdybyśmy wrócili do omawianego przykładu i zastanowili się, co się będzie działo w sytuacji, gdy ochłodzone do temperatury 0°C nasze powietrze zacznie się ponownie nagrzewać, to zauważymy, że w powietrzu tym prężność aktualna pary wodnej jest równa 6,1 hPa. W tym przypadku, wzrost temperatury spowoduje wzrost wartości E i jego wilgotność względna zacznie maleć. Temperatura punktu rosy tego powietrza pozostanie równa 0°C tak długo, jak nie zacznie się proces parowania mikrokropel znajdujących się w jego objętości.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Proces parowania wymaga jednak dostarczenia do układu bardzo dużych ilości energii (ciepła; patrz "procesy kondensacji"). Bez dostarczenia tej energii, parowanie nie nastąpi i zawartość pary wodnej w powietrzu pozostanie bez zmian. Jak widzimy, procesy te nie są symetryczne (w pełni odwracalne), temperatura punktu rosy może spaść (obniżyć się) w wyniku ochłodzenia temperatury powietrza i występujących procesów kondensacji, ale bez powtórnego wzbogacenia powietrza w parę wodną temperatura punktu rosy nie wzrośnie.
Inne Miary Wilgotności Powietrza
Oprócz wymienionych miar wilgotności powietrza stosuje się szereg innych, z których najważniejsze to wilgotność absolutna, informująca ile kg pary wodnej znajduje się w 1 m^3 powietrza (przy czym nie bierze się pod uwagę występujących ewentualnie produktów kondensacji - wody w stanie ciekłym lub stałym). Miarą wilgotności określającą stosunek masy pary wodnej do masy powietrza suchego, znajdującego się w danej objętości wilgotnego powietrza (g / kg) jest współczynnik zmieszania ( r ). Te i inne, tu nie omówione, miary wilgotności powietrza stosuje się w meteorologii do różnego rodzaju operacji (obliczeń), takich jak na przykład szacowanie potencjalnej wielkości opadu, określenia stopnia chwiejności powietrza, zmian temperatury w powietrzu wznoszącym się itp.
Wpływ Temperatury na Wilgotność Powietrza
Wilgotność względna jest ściśle związana z temperaturą. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury dana objętość powietrza staje się bardziej „pojemna”, w związku z czym jest w stanie wysycić się większą ilością pary wodnej, co z kolei powoduje spadek wilgotności względnej. W przypadku niższych temperatur ma miejsce sytuacja odwrotna - „pojemność” powietrza spada, przez co wilgotność względna będzie mieć wyższą wartość.
RH (z ang. relative humidity - wilgotność względna) swoją względność zawdzięcza właśnie zależności od temperatury powietrza. Z tego powodu jej pomiary mogą być niedokładne, przez co nieco problematyczne.
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.
Pomiary Wilgotności Powietrza
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.
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). Włos, gdy wilgotność względna rośnie, absorbuje parę wodną z powietrza i zmienia swoją grubość i długość; przy wzroście wilgotności względnej włos się wydłuża, przy zmniejszaniu się wilgotności względnej - kurczy.
Jeśli pęczek włosów zamocować z jednej strony do nieruchomego zacisku, drugą, swobodną stronę pęczka włosów zamocować do bloczka umocowanego na osi, który w napięciu utrzymywany jest przez delikatną sprężynkę, to w takt zmian długości włosów bloczek będzie się skręcał raz w jedną, raz w drugą stronę, stosownie do zmian wilgotności.
Po przymocowaniu do bloczka delikatnej, dość długiej wskazówki, będzie ona wykonywała ruchy, zgodnie z kątem skręcenia bloczka. W praktyce spotyka się cały szereg higrometrów włosowych, różniących się rozwiązaniami konstrukcyjnymi, obudowami, kształtami, dodatkowymi funkcjami. Bardzo często higrometry włosowe wyposażone są dodatkowo w termometr (najczęściej tani termometr spirytusowy o dokładności odczytu od 1 lub 0.5°C). Niekiedy higrometry wyposażone są w dodatkową wskazówkę, którą można dowolnie ustawiać na zadaną wartość wilgotności względnej.
Wskazówka ta tworzy jeden z biegunów zworki elektrycznej (kontaktu), drugą zworkę tworzy wskazówka higrometru. Gdy wilgotność względna osiągnie wartość równą wilgotności na którą jest ustawiona dodatkowa wskazówka, dochodzi do zwarcia kontaktu elektrycznego, który włączy np. sygnalizację, alarm, lub przez styczniki - urządzenie większej mocy (np. ogrzewanie, wentylację...). 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%.
Higrometr włosowy, z czasem, zaczyna fałszować pomiary. 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’). Przeprowadza się to samodzielnie, ustawiając higrometr w pomieszczeniu o wilgotności względnej równej, większej 100% na przeciąg od 12 do 24 godzin (np. w większej misce, w której znajduje się wilgotna szmata (wykwintniej - tkanina), zaś miska przykryta jest również wilgotną szmatą; wszytko to znajduje się najlepiej w wilgotnej łazience). Po takiej operacji, nie wynosząc higrometru z łazienki, śrubą regulacyjną ustawia się wskazówkę pomiarową na wartość 100%.
Niektóre wytwórnie, razem z higrometrem dostarczają flanelowy pokrowiec. Wtedy proces tarowania należy przeprowadzić w ten sposób, że pokrowiec moczy się wodą, lekko wyciska i nakłada na tylną, perforowaną część obudowy. Higrometry włosowe, choć pozornie niezbyt dokładne, są niezastąpionymi przyrządami pomiarowymi do określania wilgotności (i parametrów wilgotnościowych powietrza w ogólności) w niskiej i bardzo niskiej temperaturze powietrza (poniżej -2; -5°C).
Do określenia parametrów higrycznych powietrza za pomocą higrometru potrzebna jest tablica wartości prężności maksymalnej (E) w funkcji temperatury. Higrometr mierzy wilgotność względną ( f ). Ta jest zdefiniowana jako e/E * 100%. Znając temperaturę powietrza t, w której zmierzono wilgotność względną f, można z tablic wartości prężności maksymalnej E w funkcji temperatury...
Inne Metody Pomiaru
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.
Wpływ Wilgotności na Komfort i Zdrowie
Wilgotność powietrza ma wpływ na to, jak odczuwamy temperaturę powietrza. Odpowiednia wilgotność w pomieszczeniach mieści się w zakresie od 40 do 60%. Dbanie o odpowiednią wilgotność pomoże Ci uniknąć wielu chorób i zadbać o trwałość materiałów budowlanych, czy mebli.
W typowej temperaturze ogrzewanego pomieszczenia, „temperatura pozorna” (tj. subiektywne odczuwanie temperatury związane z osobistym komfortem) wzrasta o 2°C gdy wilgotność względna wzrasta z 25% do 50%.
Utrzymanie odpowiednich warunków w pomieszczeniach jest kluczowe dla zdrowia mieszkańców i stanu budynku. Zbyt suche powietrze może prowadzić do podrażnień dróg oddechowych, suchości skóry i większej podatności na infekcje. Stabilne warunki pomagają także uniknąć kondensacji wilgoci na chłodnych powierzchniach, co jest szczególnie ważne zimą.
Zbyt duża wilgotność powietrza w pomieszczeniach stwarza korzystne warunki dla rozwoju pleśni i grzybów, co może mieć negatywne konsekwencje dla naszego zdrowia, takie jak problemy z oddychaniem czy alergie. Nadmierna wilgotność może również sprawić, że wnętrze wydaje się duszne, a meble, zwłaszcza drewniane, ulegają deformacji. Z drugiej strony, zbyt niska wilgotność powietrza wysusza błony śluzowe, sprzyjając infekcjom dróg oddechowych i pogarszając stan skóry. Może również wpływać negatywnie na rośliny w pomieszczeniu, powodując ich więdnięcie.
Praktyczne Aspekty Wilgotności
Pomiary wilgotności powietrza mają duże znaczenie tak dla wykonania obserwacji meteorologicznych na statku, 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.
W codziennej dobrej praktyce warsztatowej wykonywania prac antykorozyjnych jest określenie wilgotności względnej celem zweryfikowania występowania poprawnych warunków do aplikacji farby i jej utwardzania.
Tabela: Miary Wilgotności Powietrza
Poniżej znajduje się zestawienie różnych miar wilgotności powietrza wraz z ich opisem:
| Miara Wilgotności | Opis |
|---|---|
| Wilgotność absolutna | Masa pary wodnej w jednostce objętości powietrza. |
| Wilgotność względna | Stosunek aktualnej ilości pary wodnej w powietrzu do maksymalnej ilości, jaką powietrze może pomieścić w danej temperaturze. |
| Temperatura punktu rosy | Temperatura, do której należy schłodzić powietrze, aby para wodna stała się parą nasyconą (100% wilgotności). |
tags: #wilgotność #powietrza #a #termometr #zależność
