Wilgotność Względna Powietrza: Definicja, Wzór i Pomiar
- 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...). 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'). 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).
Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury.
Prężność Pary Wodnej
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. Zmniejszenie się zawartości pary wodnej w powietrzu nie jest możliwe, bez wystąpienia procesów kondensacji.
Przeczytaj także: Wpływ wilgotności na trwałość produktów spożywczych
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.
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 - Definicja, Symbol i Wzór
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).
Przeczytaj także: Wilgotność względna: definicja i zastosowanie
Przykład: 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). Przy obniżeniu temperatury do 15°C wilgotność względna tego powietrza wzrośnie do 72,3% (12,3 / 17,0), przy dalszym obniżeniu temperatury, do 10°C zauważamy, że wartość prężności maksymalnej E zrównała się z wartością prężności aktualnej e (e = E) i wilgotność względna osiągnęła wartość 100% (12,3 / 12,3), czyli powietrze jest już całkowicie nasycone parą wodną (osiągnęło stan ‘roztworu nasyconego’).
Temperatura Punktu Rosy
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, 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.
Przykład: 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.
Przeczytaj także: Wilgotność względna i bezwzględna: kompleksowy przewodnik
Tak więc, po ochłodzeniu naszego powietrza do 5°C, jego wilgotność względna wyniesie dalej 100%, jego temperatura punktu rosy (td) wyniesie 5°, prężność aktualna e równa E będzie wynosić 8,7 hPa, wykropleniu w tej objętości powietrza ulegnie tyle wody, ile wynosi różnica między prężnością aktualną / maksymalną w temperaturze, gdy po raz pierwszy powietrze to doszło do temperatury punktu rosy (czyli 10°) a prężnością aktualną / maksymalną przy temperaturze 5°C. [Policzymy: 12,3 - 8,7 = 3,6 hPa].
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.
Jeśli znamy prognozowaną wielkość spadku temperatury, natychmiast możemy ocenić, czy nastąpią procesy kondensacji, czy też nie nastąpią. 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. 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.
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.
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.
Metody Pomiaru Wilgotności Powietrza
Istnieją różne metody pomiaru wilgotności powietrza, w tym:
- Higrometry włosowe
- Psychrometry
- Czujniki pojemnościowe
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 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 obliczyć prężność aktualną (e) i niedosyt wilgotności (d = E - e).
Znając wartości temperatury i prężności aktualnej można określić temperaturę punktu rosy.
tags: #względna #wilgotność #powietrza #definicja #wzór #pomiar
