Wilgotność Względna Próbki: Definicja, Znaczenie i Metody Pomiaru
- Szczegóły
Wilgotność to wielkość określająca ilość dowolnej cieczy bądź pary tej cieczy zawartej w stałej lub gazowej substancji. Przeważnie używana jest do określania zawartości wody bądź pary wodnej w danej substancji. Wilgotność jest zagadnieniem dość trudnym, a jej precyzyjne określenie ma kluczowe znaczenie w wielu dziedzinach.
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) 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 poniższą 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.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
- 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.
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 bezwzględna powietrza definiowana jest jako ilość pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza.
- Wilgotność względna powietrza określa procentową zawartość nasyconej pary wodnej w powietrzu. Definiowana jest jako stosunek aktualnej prężności pary wodnej w powietrzu do maksymalnej prężności nasyconej pary wodnej w tej samej temperaturze.
- Wilgotność właściwa powietrza definiowana jest jako stosunek masy pary wodnej do masy wilgotnego powietrza (powietrza wraz z parą wodną).
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).
Aktywność Wody (aw)
Zawartość wody jest bardzo często jedynym parametrem używanym przy określaniu wilgotności w produktach higroskopijnych. Aktywność wody (aw) albo wilgotność względna równowagowa (ERH) określa aktywną część zawartości wody, czyli „wodę wolną - niezwiązaną” w przeciwieństwie do całkowitej zawartości wody, która zawiera również „wodę związaną”. Aktywność wody (aw lub ERH) nie tylko określa stabilność zawartości wody (i parametrów, na które ona wpływa) ale jest również czynnikiem decydującym w rozwiązywaniu różnych problemów, gdzie zawartość wody nie jest brana pod uwagę na pierwszym miejscu.
Teoretycznie zawartość wody może być używana do określania aw i odwrotnie. W praktyce te możliwości są ograniczone i obydwa parametry powinny być mierzone niezależnie - w zależności od tego, jakiego problemu dotyczą.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Aktywność wody lub równowagowa wilgotność względna to ciśnienie pary wodnej wytwarzanej przez wodę zawartą w produkcie higroskopijnym.
Aw = p/ps i ERH = 100 x aw gdzie:
- p - ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią produktu
- ps - ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią wody w temperaturze produktu
Zawartość wody składa się z części nie aktywnej (woda hydratacji) i części aktywnej. Aktywna część zawartości wody lub woda wolna mierzona jest zazwyczaj jako ciśnienie jej pary wodnej, wyrażone w % wilgotności względnej wytworzonej w stanie równowagi jaka powstaje gdy próbka produktu jest umieszczona w zamkniętej przestrzeni w stałej temperaturze.
Aktywność wody (lub ERH) określa ilość „wolnej wody” zaabsorbowanej przez materiał i pokazuje wymiary, strukturę, kohezję, skłonności do skupiania jak również elektryczne i chemiczne właściwości produktu - o wiele dokładnej niż można to ocenić na podstawie zawartości wody.
Znaczenie Wilgotności w Różnych Branżach
Przemysł Papierniczy
Znaczenie jakie ma ERH w przemyśle papierniczym jest szeroko wyjaśnione w biuletynie „Papier i klimat”. Jeżeli zarówno ERH i temperatura papieru oraz % rh i temperatura otaczającego powietrza są utrzymywane w stosownych przedziałach, duża ilość problemów może być zminimalizowana lub wyeliminowana zupełnie: zjawisko ładunków elektrostatycznych, deformacje papieru podczas przechowywania, słaba jakość przy drugu kolorowym, problemy pylenia w maszynach offsetowych, zbyt długi czas suszenia atramentu. Stąd zaleca się, aby nie używać % H2O jako parametru uniwersalnego. Warte zauważenia jest, iż określonej wartości ERH odpowiadają różne wartości % H2O dla różnych typów papieru.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Przemysł Spożywczy
Koncepcja wody „wolnej” jako przeciwieństwo do całkowitej, w tym „wody związanej” zyskała szeroką akceptację w przemyśle przetwórstwa żywności. Aktywność wody ma decydujący wpływ na takie zjawiska jak zmiana koloru, smaku, aromatu, wytwarzanie trucizn pokarmowych, psucie się (termin ważności) czy tracenie witamin etc. Aktywność wody w środkach spożywczych może być kontrolowana poprzez użycie różnych dodatków (np. soli, cukru, etc.), poprzez odpowiednie pakowanie, poprzez utrzymywanie korzystnych warunków w czasie produkcji, warunków dojrzewania i przechowywania. Pomiary aktywności wody są coraz częstsze w badaniach żywności przy opracowywaniu nowych technologii jak i przy kontroli jakości.
Przykłady:
- Rozwój mikroorganizmów: Aktywność wody wskazuje ilość wody dostępnej dla mikroorganizmów, jaka znajduje się w całej zawartości wody. Każdy rodzaj mikroorganizmów (bakterii, drożdży i grzybów) ma swoje własne minimum aw, poniżej którego ich rozwój nie jest dłużej możliwy.
- Trwałość chemiczna: Kontrola aktywności wody jest ważnym czynnikiem dla chemicznej trwałości żywności.
- Trwałość enzymatyczna: Większość reakcji enzymatycznych jest spowalniana przy wartościach aw poniżej o.8.
- Procesy suszenia: Aktywność wody ma duży wpływ na entalpię i stąd na energię niezbędną do wysuszenia produktu.
Przemysł Farmaceutyczny i Chemiczny
Znaczenie aktywności wody jest w dalszym ciągu niedoceniane, choć powinno być zarówno w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym. Bardzo często jedynym parametrem używanym do określania warunków wilgotności jest zawartość wody. Częstotliwość pomiaru aktywności wody wzrasta, tak jak wzrasta zrozumienie znaczenia tego pomiaru.
Wilgotność Względna i Bezwzględna: Różnice i Zastosowania
Wilgotność względna jest najczęściej używaną miarą wilgotności. Jest prosta w interpretacji i praktyczna w użyciu. 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.
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. 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 jest zawsze większa od wilgotności względnej. Wilgotność bezwzględna ma zastosowanie w badaniach naukowych oraz przy przetwórstwie materiałów.
Charakterystyczną wartością wilgotności względnej jest 50% - wtedy wilgotność bezwzględna wynosi 100%. Dla wilgotności do 10% wilgotność względna i bezwzględna różni się nieznacznie (nie więcej niż ok.
Przykładowe obliczenia dla gąbki:
- Masa mokrej gąbki = 110 gramów
- Masa suchej gąbki = 53 gramy
- Masa wody w gąbce = 110-53 = 57 gramów
- Objętość wody w gąbce - ok. 57cm3
- Gęstość wody wynosi ok.
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.
Metody Pomiaru Wilgotności
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. Ponieważ odczyty pomiaru dotyczą tylko powierzchni materiału a nie jego struktury, ich wyniki są obarczone błędami pomiarowymi.
- 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.
tags: #wilgotność #względna #próbki #definicja
