Как пишется влажность воздуха

Humidity is the concentration of water vapor present in the air. Water vapor, the gaseous state of water, is generally invisible to the human eye.^[2] Humidity indicates the likelihood for precipitation, dew, or fog to be present.

Humidity depends on the temperature and pressure of the system of interest. The same amount of water vapor results in higher relative humidity in cool air than warm air. A related parameter is the dew point. The amount of water vapor needed to achieve saturation increases as the temperature increases. As the temperature of a parcel of air decreases it will eventually reach the saturation point without adding or losing water mass. The amount of water vapor contained within a parcel of air can vary significantly. For example, a parcel of air near saturation may contain 28 g of water per cubic metre of air at 30 °C (86 °F), but only 8 g of water per cubic metre of air at 8 °C (46 °F).

Three primary measurements of humidity are widely employed: absolute, relative, and specific. Absolute humidity is expressed as either mass of water vapor per volume of moist air (in grams per cubic metre)^[3] or as mass of water vapor per mass of dry air (usually in grams per kilogram).^[4] Relative humidity, often expressed as a percentage, indicates a present state of absolute humidity relative to a maximum humidity given the same temperature. Specific humidity is the ratio of water vapor mass to total moist air parcel mass.

Humidity plays an important role for surface life. For animal life dependent on perspiration (sweating) to regulate internal body temperature, high humidity impairs heat exchange efficiency by reducing the rate of moisture evaporation from skin surfaces. This effect can be calculated using a heat index table, also known as a humidex.

The notion of air «holding» water vapor or being «saturated» by it is often mentioned in connection with the concept of relative humidity. This, however, is misleading—the amount of water vapor that enters (or can enter) a given space at a given temperature is almost independent of the amount of air (nitrogen, oxygen, etc.) that is present. Indeed, a vacuum has approximately the same equilibrium capacity to hold water vapor as the same volume filled with air; both are given by the equilibrium vapor pressure of water at the given temperature.^[5][6] There is a very small difference described under «Enhancement factor» below, which can be neglected in many calculations unless great accuracy is required.

Definitions[edit]

Absolute humidity[edit]

Absolute humidity is the total mass of water vapor present in a given volume or mass of air. It does not take temperature into consideration. Absolute humidity in the atmosphere ranges from near zero to roughly 30 g (1.1 oz) per cubic metre when the air is saturated at 30 °C (86 °F).^[8][9]

Absolute humidity is the mass of the water vapor , divided by the volume of the air and water vapor mixture , which can be expressed as:

The absolute humidity changes as air temperature or pressure changes, if the volume is not fixed. This makes it unsuitable for chemical engineering calculations, e.g. in drying, where temperature can vary considerably. As a result, absolute humidity in chemical engineering may refer to mass of water vapor per unit mass of dry air, also known as the humidity ratio or mass mixing ratio (see «specific humidity» below), which is better suited for heat and mass balance calculations. Mass of water per unit volume as in the equation above is also defined as volumetric humidity. Because of the potential confusion, British Standard BS 1339 ^[10] suggests avoiding the term «absolute humidity». Units should always be carefully checked. Many humidity charts are given in g/kg or kg/kg, but any mass units may be used.

The field concerned with the study of physical and thermodynamic properties of gas–vapor mixtures is named psychrometrics.

Relative humidity[edit]

The relative humidity or of an air-water mixture is defined as the ratio of the partial pressure of water vapor in the mixture to the equilibrium vapor pressure of water over a flat surface of pure water^[5] at a given temperature:^[11][12][5]

In other words, relative humidity is the ratio of how much water vapour is in the air and how much water vapour the air could potentially contain at a given temperature. It varies with the temperature of the air: colder air can hold less vapour. So changing the temperature of air can change the relative humidity, even when the absolute humidity remains constant.

Chilling air increases the relative humidity, and can cause the water vapour to condense (if the relative humidity rises over 100%, the dew point). Likewise, warming air decreases the relative humidity. Warming some air containing a fog may cause that fog to evaporate, as the air between the water droplets becomes more able to hold water vapour.

Relative humidity only considers the invisible water vapour. Mists, clouds, fogs and aerosols of water do not count towards the measure of relative humidity of the air, although their presence is an indication that a body of air may be close to the dew point.

Relative humidity is normally expressed as a percentage; a higher percentage means that the air–water mixture is more humid. At 100% relative humidity, the air is saturated and is at its dew point. In the absence of a foreign body on which droplets or crystals can nucleate, the relative humidity can exceed 100%, in which case the air is said to be supersaturated. Introduction of some particles or a surface to a body of air above 100% relative humidity will allow condensation or ice to form on those nuclei, thereby removing some of the vapour and lowering the humidity.

Relative humidity is an important metric used in weather forecasts and reports, as it is an indicator of the likelihood of precipitation, dew, or fog. In hot summer weather, a rise in relative humidity increases the apparent temperature to humans (and other animals) by hindering the evaporation of perspiration from the skin. For example, according to the heat index, a relative humidity of 75% at air temperature of 80.0 °F (26.7 °C) would feel like 83.6 °F ±1.3 °F (28.7 °C ±0.7 °C).^[13][14]

Relationship between absolute-, relative-humidity, and temperature[edit]

In the Earth’s atmosphere at sea level:

Specific humidity[edit]

Specific humidity (or moisture content) is the ratio of the mass of water vapor to the total mass of the air parcel.^[17] Specific humidity is approximately equal to the mixing ratio, which is defined as the ratio of the mass of water vapor in an air parcel to the mass of dry air for the same parcel. As temperature decreases, the amount of water vapor needed to reach saturation also decreases. As the temperature of a parcel of air becomes lower it will eventually reach the point of saturation without adding or losing water mass.

[edit]

The term relative humidity is reserved for systems of water vapor in air. The term relative saturation is used to describe the analogous property for systems consisting of a condensable phase other than water in a non-condensable phase other than air.^[18]

Measurement[edit]

A device used to measure humidity of air is called a psychrometer or hygrometer. A humidistat is a humidity-triggered switch, often used to control a dehumidifier.

The humidity of an air and water vapor mixture is determined through the use of psychrometric charts if both the dry bulb temperature (T) and the wet bulb temperature (T_w) of the mixture are known. These quantities are readily estimated by using a sling psychrometer.

There are several empirical formulas that can be used to estimate the equilibrium vapor pressure of water vapor as a function of temperature. The Antoine equation is among the least complex of these, having only three parameters (A, B, and C). Other formulas, such as the Goff–Gratch equation and the Magnus–Tetens approximation, are more complicated but yield better accuracy.^{[citation needed]}

The Arden Buck equation is commonly encountered in the literature regarding this topic:^[19]

where is the dry-bulb temperature expressed in degrees Celsius (°C), is the absolute pressure expressed in millibars, and is the equilibrium vapor pressure expressed in millibars. Buck has reported that the maximal relative error is less than 0.20% between −20, and +50 °C (−4, and 122 °F) when this particular form of the generalized formula is used to estimate the equilibrium vapor pressure of water.

There are various devices used to measure and regulate humidity. Calibration standards for the most accurate measurement include the gravimetric hygrometer, chilled mirror hygrometer, and electrolytic hygrometer. The gravimetric method, while the most accurate, is very cumbersome. For fast and very accurate measurement the chilled mirror method is effective.^[20] For process on-line measurements, the most commonly used sensors nowadays are based on capacitance measurements to measure relative humidity,^[21] frequently with internal conversions to display absolute humidity as well. These are cheap, simple, generally accurate and relatively robust. All humidity sensors face problems in measuring dust-laden gas, such as exhaust streams from clothes dryers.

Humidity is also measured on a global scale using remotely placed satellites. These satellites are able to detect the concentration of water in the troposphere at altitudes between 4 and 12 km (2.5 and 7.5 mi). Satellites that can measure water vapor have sensors that are sensitive to infrared radiation. Water vapor specifically absorbs and re-radiates radiation in this spectral band. Satellite water vapor imagery plays an important role in monitoring climate conditions (like the formation of thunderstorms) and in the development of weather forecasts.

Air density and volume[edit]

Humidity depends on water vaporization and condensation, which, in turn, mainly depends on temperature. Therefore, when applying more pressure to a gas saturated with water, all components will initially decrease in volume approximately according to the ideal gas law. However, some of the water will condense until returning to almost the same humidity as before, giving the resulting total volume deviating from what the ideal gas law predicted. Conversely, decreasing temperature would also make some water condense, again making the final volume deviate from predicted by the ideal gas law. Therefore, gas volume may alternatively be expressed as the dry volume, excluding the humidity content. This fraction more accurately follows the ideal gas law. On the contrary the saturated volume is the volume a gas mixture would have if humidity was added to it until saturation (or 100% relative humidity).

Humid air is less dense than dry air because a molecule of water (M ≈ 18 u) is less massive than either a molecule of nitrogen (M ≈ 28) or a molecule of oxygen (M ≈ 32). About 78% of the molecules in dry air are nitrogen (N₂). Another 21% of the molecules in dry air are oxygen (O₂). The final 1% of dry air is a mixture of other gases.

For any gas, at a given temperature and pressure, the number of molecules present in a particular volume is constant. So when water molecules (vapor) are introduced into that volume of dry air, the number of air molecules in the volume must decrease by the same number, if the temperature and pressure remain constant. (The addition of water molecules, or any other molecules, to a gas, without removal of an equal number of other molecules, will necessarily require a change in temperature, pressure, or total volume; that is, a change in at least one of these three parameters. If temperature and pressure remain constant, the volume increases, and the dry air molecules that were displaced will initially move out into the additional volume, after which the mixture will eventually become uniform through diffusion.) Hence the mass per unit volume of the gas—its density—decreases. Isaac Newton discovered this phenomenon and wrote about it in his book Opticks.^[22]

Pressure dependence[edit]

The relative humidity of an air–water system is dependent not only on the temperature but also on the absolute pressure of the system of interest. This dependence is demonstrated by considering the air–water system shown below. The system is closed (i.e., no matter enters or leaves the system).

If the system at State A is isobarically heated (heating with no change in system pressure), then the relative humidity of the system decreases because the equilibrium vapor pressure of water increases with increasing temperature. This is shown in State B.

If the system at State A is isothermally compressed (compressed with no change in system temperature), then the relative humidity of the system increases because the partial pressure of water in the system increases with the volume reduction. This is shown in State C. Above 202.64 kPa, the RH would exceed 100% and water may begin to condense.

If the pressure of State A was changed by simply adding more dry air, without changing the volume, the relative humidity would not change.

Therefore, a change in relative humidity can be explained by a change in system temperature, a change in the volume of the system, or change in both of these system properties.

Enhancement factor[edit]

The enhancement factor is defined as the ratio of the saturated vapor pressure of water in moist air to the saturated vapor pressure of pure water:

The enhancement factor is equal to unity for ideal gas systems. However, in real systems the interaction effects between gas molecules result in a small increase of the equilibrium vapor pressure of water in air relative to equilibrium vapor pressure of pure water vapor. Therefore, the enhancement factor is normally slightly greater than unity for real systems.

The enhancement factor is commonly used to correct the equilibrium vapor pressure of water vapor when empirical relationships, such as those developed by Wexler, Goff, and Gratch, are used to estimate the properties of psychrometric systems.

Buck has reported that, at sea level, the vapor pressure of water in saturated moist air amounts to an increase of approximately 0.5% over the equilibrium vapor pressure of pure water.^[19]

Effects[edit]

Climate control refers to the control of temperature and relative humidity in buildings, vehicles and other enclosed spaces for the purpose of providing for human comfort, health and safety, and of meeting environmental requirements of machines, sensitive materials (for example, historic) and technical processes.

Climate[edit]

While humidity itself is a climate variable, it also affects other climate variables. Environmental humidity is affected by winds and by rainfall.

The most humid cities on Earth are generally located closer to the equator, near coastal regions. Cities in parts of Asia and Oceania are among the most humid. Bangkok, Ho Chi Minh City, Kuala Lumpur, Hong Kong, Manila, Jakarta, Naha, Singapore, Kaohsiung and Taipei have very high humidity most or all year round because of their proximity to water bodies and the equator and often overcast weather. Some places experience extreme humidity during their rainy seasons combined with warmth giving the feel of a lukewarm sauna, such as Kolkata, Chennai and Kochi in India, and Lahore in Pakistan. Sukkur city located on the Indus River in Pakistan has some of the highest and most uncomfortable dew points in the country, frequently exceeding 30 °C (86 °F) in the monsoon season.^[23]

High temperatures combine with the high dew point to create heat index in excess of 65 °C (149 °F). Darwin experiences an extremely humid wet season from December to April. Houston, Miami, San Diego, Osaka, Shanghai, Shenzhen and Tokyo also have an extreme humid period in their summer months. During the South-west and North-east Monsoon seasons (respectively, late May to September and November to March), expect heavy rains and a relatively high humidity post-rainfall. Outside the monsoon seasons, humidity is high (in comparison to countries further from the Equator), but completely sunny days abound. In cooler places such as Northern Tasmania, Australia, high humidity is experienced all year due to the ocean between mainland Australia and Tasmania. In the summer the hot dry air is absorbed by this ocean and the temperature rarely climbs above 35 °C (95 °F).

Global climate[edit]

Humidity affects the energy budget and thereby influences temperatures in two major ways. First, water vapor in the atmosphere contains «latent» energy. During transpiration or evaporation, this latent heat is removed from surface liquid, cooling the earth’s surface. This is the biggest non-radiative cooling effect at the surface. It compensates for roughly 70% of the average net radiative warming at the surface.

Second, water vapor is the most abundant of all greenhouse gases. Water vapor, like a green lens that allows green light to pass through it but absorbs red light, is a «selective absorber». Like the other greenhouse gasses, water vapor is transparent to most solar energy. However, it absorbs the infrared energy emitted (radiated) upward by the earth’s surface, which is the reason that humid areas experience very little nocturnal cooling but dry desert regions cool considerably at night. This selective absorption causes the greenhouse effect. It raises the surface temperature substantially above its theoretical radiative equilibrium temperature with the sun, and water vapor is the cause of more of this warming than any other greenhouse gas.

Unlike most other greenhouse gases, however, water is not merely below its boiling point in all regions of the Earth, but below its freezing point at many altitudes. As a condensible greenhouse gas, it precipitates, with a much lower scale height and shorter atmospheric lifetime — weeks instead of decades. Without other greenhouse gases, Earth’s blackbody temperature, below the freezing point of water, would cause water vapor to be removed from the atmosphere.^[24][25][26] Water vapor is thus a «slave» to the non-condensible greenhouse gases.^[27][28][29]

Animal and plant life[edit]

Humidity is one of the fundamental abiotic factors that defines any habitat (the tundra, wetlands, and the desert are a few examples), and is a determinant of which animals and plants can thrive in a given environment.^[30]

The human body dissipates heat through perspiration and its evaporation. Heat convection, to the surrounding air, and thermal radiation are the primary modes of heat transport from the body. Under conditions of high humidity, the rate of evaporation of sweat from the skin decreases. Also, if the atmosphere is as warm or warmer than the skin during times of high humidity, blood brought to the body surface cannot dissipate heat by conduction to the air. With so much blood going to the external surface of the body, less goes to the active muscles, the brain, and other internal organs. Physical strength declines, and fatigue occurs sooner than it would otherwise. Alertness and mental capacity also may be affected, resulting in heat stroke or hyperthermia.

Human comfort[edit]

Although humidity is an important factor for thermal comfort, humans are more sensitive to variations in temperature than they are to changes in relative humidity.^[31] Humidity has a small effect on thermal comfort outdoors when air temperatures are low, a slightly more pronounced effect at moderate air temperatures, and a much stronger influence at higher air temperatures.^[32]

Humans are sensitive to humid air because the human body uses evaporative cooling as the primary mechanism to regulate temperature. Under humid conditions, the rate at which perspiration evaporates on the skin is lower than it would be under arid conditions. Because humans perceive the rate of heat transfer from the body rather than temperature itself, we feel warmer when the relative humidity is high than when it is low.

Humans can be comfortable within a wide range of humidities depending on the temperature—from 30 to 70%^[33]—but ideally not above the Absolute (60°F Dew Point),^[34] between 40 %^[35] and 60 %.^[36] In general, higher temperatures will require lower humidities to achieve thermal comfort compared to lower temperatures, with all other factors held constant. For example, with clothing level = 1, metabolic rate = 1.1, and air speed 0.1 m/s, a change in air temperature and mean radiant temperature from 20 °C to 24 °C would lower the maximum acceptable relative humidity from 100% to 65% to maintain thermal comfort conditions. The CBE Thermal Comfort Tool can be used to demonstrate the effect of relative humidity for specific thermal comfort conditions and it can be used to demonstrate compliance with ASHRAE Standard 55-2017.^[37]

Some people experience difficulty breathing in humid environments. Some cases may possibly be related to respiratory conditions such as asthma, while others may be the product of anxiety. Sufferers will often hyperventilate in response, causing sensations of numbness, faintness, and loss of concentration, among others.^[38]

Very low humidity can create discomfort, respiratory problems, and aggravate allergies in some individuals. Low humidity causes tissue lining nasal passages to dry, crack and become more susceptible to penetration of rhinovirus cold viruses.^[39] Extremely low (below 20 %) relative humidities may also cause eye irritation.^[40][41] The use of a humidifier in homes, especially bedrooms, can help with these symptoms.^[42] Indoor relative humidities should be kept above 30% to reduce the likelihood of the occupant’s nasal passages drying out, especially in winter.^[40][43][44]

Air conditioning reduces discomfort by reducing not just temperature but humidity as well. Heating cold outdoor air can decrease relative humidity levels indoors to below 30%.^[45] According to ASHRAE Standard 55-2017: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, indoor thermal comfort can be achieved through the PMV method with relative humidities ranging from 0% to 100%, depending on the levels of the other factors contributing to thermal comfort.^[46] However, the recommended range of indoor relative humidity in air conditioned buildings is generally 30–60%.^[47][48]

Human health[edit]

Higher humidity reduces the infectivity of aerosolized influenza virus. A study concluded, «Maintaining indoor relative humidity >40% will significantly reduce the infectivity of aerosolized virus.»^[49]

Mucociliary clearance in the respiratory tract is also hindered by low humidity. One study in dogs found that mucus transport was lower at an absolute humidity of 9 g water/m³ than at 30 g water/m³.^[50]

Increased humidity can also lead to changes in total body water that usually leads to moderate weight gain, especially if one is acclimated to working or exercising in hot and humid weather.^[51]

Building construction[edit]

Common construction methods often produce building enclosures with a poor thermal boundary, requiring an insulation and air barrier system designed to retain indoor environmental conditions while resisting external environmental conditions.^[52] The energy-efficient, heavily sealed architecture introduced in the 20th century also sealed off the movement of moisture, and this has resulted in a secondary problem of condensation forming in and around walls, which encourages the development of mold and mildew. Additionally, buildings with foundations not properly sealed will allow water to flow through the walls due to capillary action of pores found in masonry products. Solutions for energy-efficient buildings that avoid condensation are a current topic of architecture.

For climate control in buildings using HVAC systems, the key is to maintain the relative humidity at a comfortable range—low enough to be comfortable but high enough to avoid problems associated with very dry air.

When the temperature is high and the relative humidity is low, evaporation of water is rapid; soil dries, wet clothes hung on a line or rack dry quickly, and perspiration readily evaporates from the skin. Wooden furniture can shrink, causing the paint that covers these surfaces to fracture.

When the temperature is low and the relative humidity is high, evaporation of water is slow. When relative humidity approaches 100 %, condensation can occur on surfaces, leading to problems with mold, corrosion, decay, and other moisture-related deterioration. Condensation can pose a safety risk as it can promote the growth of mold and wood rot as well as possibly freezing emergency exits shut.

Certain production and technical processes and treatments in factories, laboratories, hospitals, and other facilities require specific relative humidity levels to be maintained using humidifiers, dehumidifiers and associated control systems.

Vehicles[edit]

The basic principles for buildings, above, also apply to vehicles. In addition, there may be safety considerations. For instance, high humidity inside a vehicle can lead to problems of condensation, such as misting of windshields and shorting of electrical components. In vehicles and pressure vessels such as pressurized airliners, submersibles and spacecraft, these considerations may be critical to safety, and complex environmental control systems including equipment to maintain pressure are needed.

Aviation[edit]

Airliners operate with low internal relative humidity, often under 20 %,^[53] especially on long flights. The low humidity is a consequence of drawing in the very cold air with a low absolute humidity, which is found at airliner cruising altitudes. Subsequent warming of this air lowers its relative humidity. This causes discomfort such as sore eyes, dry skin, and drying out of mucosa, but humidifiers are not employed to raise it to comfortable mid-range levels because the volume of water required to be carried on board can be a significant weight penalty. As airliners descend from colder altitudes into warmer air (perhaps even flying through clouds a few thousand feet above the ground), the ambient relative humidity can increase dramatically. Some of this moist air is usually drawn into the pressurized aircraft cabin and into other non-pressurized areas of the aircraft and condenses on the cold aircraft skin. Liquid water can usually be seen running along the aircraft skin, both on the inside and outside of the cabin. Because of the drastic changes in relative humidity inside the vehicle, components must be qualified to operate in those environments. The recommended environmental qualifications for most commercial aircraft components is listed in RTCA DO-160.

Cold, humid air can promote the formation of ice, which is a danger to aircraft as it affects the wing profile and increases weight. Naturally aspirated internal combustion engines have a further danger of ice forming inside the carburetor. Aviation weather reports (METARs) therefore include an indication of relative humidity, usually in the form of the dew point.

Pilots must take humidity into account when calculating takeoff distances, because high humidity requires longer runways and will decrease climb performance.

Density altitude is the altitude relative to the standard atmosphere conditions (International Standard Atmosphere) at which the air density would be equal to the indicated air density at the place of observation, or, in other words, the height when measured in terms of the density of the air rather than the distance from the ground. «Density Altitude» is the pressure altitude adjusted for non-standard temperature.

An increase in temperature, and, to a much lesser degree, humidity, will cause an increase in density altitude. Thus, in hot and humid conditions, the density altitude at a particular location may be significantly higher than the true altitude.

Electronics[edit]

Electronic devices are often rated to operate only under certain humidity conditions (e.g., 10% to 90%). At the top end of the range, moisture may increase the conductivity of permeable insulators leading to malfunction. Too low humidity may make materials brittle. A particular danger to electronic items, regardless of the stated operating humidity range, is condensation. When an electronic item is moved from a cold place (e.g., garage, car, shed, air conditioned space in the tropics) to a warm humid place (house, outside tropics), condensation may coat circuit boards and other insulators, leading to short circuit inside the equipment. Such short circuits may cause substantial permanent damage if the equipment is powered on before the condensation has evaporated. A similar condensation effect can often be observed when a person wearing glasses comes in from the cold (i.e. the glasses become foggy).^[54] It is advisable to allow electronic equipment to acclimatise for several hours, after being brought in from the cold, before powering on. Some electronic devices can detect such a change and indicate, when plugged in and usually with a small droplet symbol, that they cannot be used until the risk from condensation has passed. In situations where time is critical, increasing air flow through the device’s internals, such as removing the side panel from a PC case and directing a fan to blow into the case, will reduce significantly the time needed to acclimatise to the new environment.

In contrast, a very low humidity level favors the build-up of static electricity, which may result in spontaneous shutdown of computers when discharges occur. Apart from spurious erratic function, electrostatic discharges can cause dielectric breakdown in solid-state devices, resulting in irreversible damage. Data centers often monitor relative humidity levels for these reasons.

Industry[edit]

High humidity can often have a negative effect on the capacity of chemical plants and refineries that use furnaces as part of a certain processes (e.g., steam reforming, wet sulfuric acid processes). For example, because humidity reduces ambient oxygen concentrations (dry air is typically 20.9% oxygen, but at 100% relative humidity the air is 20.4% oxygen), flue gas fans must intake air at a higher rate than would otherwise be required to maintain the same firing rate.^[55]

Baking[edit]

High humidity in the oven, represented by an elevated wet-bulb temperature, increases the thermal conductivity of the air around the baked item, leading to a quicker baking process or even burning. Conversely, low humidity slows the baking process down.^[56]

Other important facts[edit]

At 100% relative humidity, air is saturated and at its dew point: the water vapor pressure would permit neither evaporation of nearby liquid water nor condensation to grow the nearby water; neither sublimation of nearby ice nor deposition to grow the nearby ice.

Relative humidity can exceed 100%, in which case the air is supersaturated. Cloud formation requires supersaturated air. Cloud condensation nuclei lower the level of supersaturation required to form fogs and clouds — in the absence of nuclei around which droplets or ice can form, a higher level of supersaturation is required for these droplets or ice crystals to form spontaneously. In the Wilson cloud chamber, which is used in nuclear physics experiments, a state of supersaturation is created within the chamber, and moving subatomic particles act as condensation nuclei so trails of fog show the paths of those particles.

For a given dew point and its corresponding absolute humidity, the relative humidity will change inversely, albeit nonlinearly, with the temperature. This is because the vapor pressure of water increases with temperature—the operative principle behind everything from hair dryers to dehumidifiers.

Due to the increasing potential for a higher water vapor partial pressure at higher air temperatures, the water content of air at sea level can get as high as 3% by mass at 30 °C (86 °F) compared to no more than about 0.5% by mass at 0 °C (32 °F). This explains the low levels (in the absence of measures to add moisture) of humidity in heated structures during winter, resulting in dry skin, itchy eyes, and persistence of static electric charges. Even with saturation (100% relative humidity) outdoors, heating of infiltrated outside air that comes indoors raises its moisture capacity, which lowers relative humidity and increases evaporation rates from moist surfaces indoors (including human bodies and household plants.)

Similarly, during summer in humid climates a great deal of liquid water condenses from air cooled in air conditioners. Warmer air is cooled below its dew point, and the excess water vapor condenses. This phenomenon is the same as that which causes water droplets to form on the outside of a cup containing an ice-cold drink.

A useful rule of thumb is that the maximum absolute humidity doubles for every 20 °F (11 °C) increase in temperature. Thus, the relative humidity will drop by a factor of 2 for each 20 °F (11 °C) increase in temperature, assuming conservation of absolute moisture. For example, in the range of normal temperatures, air at 68 °F (20 °C) and 50% relative humidity will become saturated if cooled to 50 °F (10 °C), its dew point, and 41 °F (5 °C) air at 80% relative humidity warmed to 68 °F (20 °C) will have a relative humidity of only 29% and feel dry. By comparison, thermal comfort standard ASHRAE 55 requires systems designed to control humidity to maintain a dew point of 16.8 °C (62.2 °F) though no lower humidity limit is established.^[46]

Water vapor is a lighter gas than other gaseous components of air at the same temperature, so humid air will tend to rise by natural convection. This is a mechanism behind thunderstorms and other weather phenomena. Relative humidity is often mentioned in weather forecasts and reports, as it is an indicator of the likelihood of dew, or fog. In hot summer weather, it also increases the apparent temperature to humans (and other animals) by hindering the evaporation of perspiration from the skin as the relative humidity rises. This effect is calculated as the heat index or humidex.

A device used to measure humidity is called a hygrometer; one used to regulate it is called a humidistat, or sometimes hygrostat. (These are analogous to a thermometer and thermostat for temperature, respectively.)

References[edit]

Citations[edit]

General sources[edit]

Further reading[edit]

• Himmelblau, David M. (1989). Basic Principles And Calculations In Chemical Engineering. Prentice Hall. ISBN 0-13-066572-X.
• Lide, David (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85 ed.). CRC Press. ISBN 9780849304859.
• Perry, R.H.; Green, D.W (1997). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (7th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5.

External links[edit]

• Current map of global relative humidity

Humidity is the concentration of water vapor present in the air. Water vapor, the gaseous state of water, is generally invisible to the human eye.^[2] Humidity indicates the likelihood for precipitation, dew, or fog to be present.

Humidity depends on the temperature and pressure of the system of interest. The same amount of water vapor results in higher relative humidity in cool air than warm air. A related parameter is the dew point. The amount of water vapor needed to achieve saturation increases as the temperature increases. As the temperature of a parcel of air decreases it will eventually reach the saturation point without adding or losing water mass. The amount of water vapor contained within a parcel of air can vary significantly. For example, a parcel of air near saturation may contain 28 g of water per cubic metre of air at 30 °C (86 °F), but only 8 g of water per cubic metre of air at 8 °C (46 °F).

Three primary measurements of humidity are widely employed: absolute, relative, and specific. Absolute humidity is expressed as either mass of water vapor per volume of moist air (in grams per cubic metre)^[3] or as mass of water vapor per mass of dry air (usually in grams per kilogram).^[4] Relative humidity, often expressed as a percentage, indicates a present state of absolute humidity relative to a maximum humidity given the same temperature. Specific humidity is the ratio of water vapor mass to total moist air parcel mass.

Humidity plays an important role for surface life. For animal life dependent on perspiration (sweating) to regulate internal body temperature, high humidity impairs heat exchange efficiency by reducing the rate of moisture evaporation from skin surfaces. This effect can be calculated using a heat index table, also known as a humidex.

The notion of air «holding» water vapor or being «saturated» by it is often mentioned in connection with the concept of relative humidity. This, however, is misleading—the amount of water vapor that enters (or can enter) a given space at a given temperature is almost independent of the amount of air (nitrogen, oxygen, etc.) that is present. Indeed, a vacuum has approximately the same equilibrium capacity to hold water vapor as the same volume filled with air; both are given by the equilibrium vapor pressure of water at the given temperature.^[5][6] There is a very small difference described under «Enhancement factor» below, which can be neglected in many calculations unless great accuracy is required.

Definitions[edit]

Absolute humidity[edit]

Absolute humidity is the total mass of water vapor present in a given volume or mass of air. It does not take temperature into consideration. Absolute humidity in the atmosphere ranges from near zero to roughly 30 g (1.1 oz) per cubic metre when the air is saturated at 30 °C (86 °F).^[8][9]

Absolute humidity is the mass of the water vapor , divided by the volume of the air and water vapor mixture , which can be expressed as:

The absolute humidity changes as air temperature or pressure changes, if the volume is not fixed. This makes it unsuitable for chemical engineering calculations, e.g. in drying, where temperature can vary considerably. As a result, absolute humidity in chemical engineering may refer to mass of water vapor per unit mass of dry air, also known as the humidity ratio or mass mixing ratio (see «specific humidity» below), which is better suited for heat and mass balance calculations. Mass of water per unit volume as in the equation above is also defined as volumetric humidity. Because of the potential confusion, British Standard BS 1339 ^[10] suggests avoiding the term «absolute humidity». Units should always be carefully checked. Many humidity charts are given in g/kg or kg/kg, but any mass units may be used.

The field concerned with the study of physical and thermodynamic properties of gas–vapor mixtures is named psychrometrics.

Relative humidity[edit]

The relative humidity or of an air-water mixture is defined as the ratio of the partial pressure of water vapor in the mixture to the equilibrium vapor pressure of water over a flat surface of pure water^[5] at a given temperature:^[11][12][5]

In other words, relative humidity is the ratio of how much water vapour is in the air and how much water vapour the air could potentially contain at a given temperature. It varies with the temperature of the air: colder air can hold less vapour. So changing the temperature of air can change the relative humidity, even when the absolute humidity remains constant.

Chilling air increases the relative humidity, and can cause the water vapour to condense (if the relative humidity rises over 100%, the dew point). Likewise, warming air decreases the relative humidity. Warming some air containing a fog may cause that fog to evaporate, as the air between the water droplets becomes more able to hold water vapour.

Relative humidity only considers the invisible water vapour. Mists, clouds, fogs and aerosols of water do not count towards the measure of relative humidity of the air, although their presence is an indication that a body of air may be close to the dew point.

Relative humidity is normally expressed as a percentage; a higher percentage means that the air–water mixture is more humid. At 100% relative humidity, the air is saturated and is at its dew point. In the absence of a foreign body on which droplets or crystals can nucleate, the relative humidity can exceed 100%, in which case the air is said to be supersaturated. Introduction of some particles or a surface to a body of air above 100% relative humidity will allow condensation or ice to form on those nuclei, thereby removing some of the vapour and lowering the humidity.

Relative humidity is an important metric used in weather forecasts and reports, as it is an indicator of the likelihood of precipitation, dew, or fog. In hot summer weather, a rise in relative humidity increases the apparent temperature to humans (and other animals) by hindering the evaporation of perspiration from the skin. For example, according to the heat index, a relative humidity of 75% at air temperature of 80.0 °F (26.7 °C) would feel like 83.6 °F ±1.3 °F (28.7 °C ±0.7 °C).^[13][14]

Relationship between absolute-, relative-humidity, and temperature[edit]

In the Earth’s atmosphere at sea level:

Specific humidity[edit]

Specific humidity (or moisture content) is the ratio of the mass of water vapor to the total mass of the air parcel.^[17] Specific humidity is approximately equal to the mixing ratio, which is defined as the ratio of the mass of water vapor in an air parcel to the mass of dry air for the same parcel. As temperature decreases, the amount of water vapor needed to reach saturation also decreases. As the temperature of a parcel of air becomes lower it will eventually reach the point of saturation without adding or losing water mass.

[edit]

The term relative humidity is reserved for systems of water vapor in air. The term relative saturation is used to describe the analogous property for systems consisting of a condensable phase other than water in a non-condensable phase other than air.^[18]

Measurement[edit]

A device used to measure humidity of air is called a psychrometer or hygrometer. A humidistat is a humidity-triggered switch, often used to control a dehumidifier.

The humidity of an air and water vapor mixture is determined through the use of psychrometric charts if both the dry bulb temperature (T) and the wet bulb temperature (T_w) of the mixture are known. These quantities are readily estimated by using a sling psychrometer.

There are several empirical formulas that can be used to estimate the equilibrium vapor pressure of water vapor as a function of temperature. The Antoine equation is among the least complex of these, having only three parameters (A, B, and C). Other formulas, such as the Goff–Gratch equation and the Magnus–Tetens approximation, are more complicated but yield better accuracy.^{[citation needed]}

The Arden Buck equation is commonly encountered in the literature regarding this topic:^[19]

where is the dry-bulb temperature expressed in degrees Celsius (°C), is the absolute pressure expressed in millibars, and is the equilibrium vapor pressure expressed in millibars. Buck has reported that the maximal relative error is less than 0.20% between −20, and +50 °C (−4, and 122 °F) when this particular form of the generalized formula is used to estimate the equilibrium vapor pressure of water.

There are various devices used to measure and regulate humidity. Calibration standards for the most accurate measurement include the gravimetric hygrometer, chilled mirror hygrometer, and electrolytic hygrometer. The gravimetric method, while the most accurate, is very cumbersome. For fast and very accurate measurement the chilled mirror method is effective.^[20] For process on-line measurements, the most commonly used sensors nowadays are based on capacitance measurements to measure relative humidity,^[21] frequently with internal conversions to display absolute humidity as well. These are cheap, simple, generally accurate and relatively robust. All humidity sensors face problems in measuring dust-laden gas, such as exhaust streams from clothes dryers.

Humidity is also measured on a global scale using remotely placed satellites. These satellites are able to detect the concentration of water in the troposphere at altitudes between 4 and 12 km (2.5 and 7.5 mi). Satellites that can measure water vapor have sensors that are sensitive to infrared radiation. Water vapor specifically absorbs and re-radiates radiation in this spectral band. Satellite water vapor imagery plays an important role in monitoring climate conditions (like the formation of thunderstorms) and in the development of weather forecasts.

Air density and volume[edit]

Humidity depends on water vaporization and condensation, which, in turn, mainly depends on temperature. Therefore, when applying more pressure to a gas saturated with water, all components will initially decrease in volume approximately according to the ideal gas law. However, some of the water will condense until returning to almost the same humidity as before, giving the resulting total volume deviating from what the ideal gas law predicted. Conversely, decreasing temperature would also make some water condense, again making the final volume deviate from predicted by the ideal gas law. Therefore, gas volume may alternatively be expressed as the dry volume, excluding the humidity content. This fraction more accurately follows the ideal gas law. On the contrary the saturated volume is the volume a gas mixture would have if humidity was added to it until saturation (or 100% relative humidity).

Humid air is less dense than dry air because a molecule of water (M ≈ 18 u) is less massive than either a molecule of nitrogen (M ≈ 28) or a molecule of oxygen (M ≈ 32). About 78% of the molecules in dry air are nitrogen (N₂). Another 21% of the molecules in dry air are oxygen (O₂). The final 1% of dry air is a mixture of other gases.

For any gas, at a given temperature and pressure, the number of molecules present in a particular volume is constant. So when water molecules (vapor) are introduced into that volume of dry air, the number of air molecules in the volume must decrease by the same number, if the temperature and pressure remain constant. (The addition of water molecules, or any other molecules, to a gas, without removal of an equal number of other molecules, will necessarily require a change in temperature, pressure, or total volume; that is, a change in at least one of these three parameters. If temperature and pressure remain constant, the volume increases, and the dry air molecules that were displaced will initially move out into the additional volume, after which the mixture will eventually become uniform through diffusion.) Hence the mass per unit volume of the gas—its density—decreases. Isaac Newton discovered this phenomenon and wrote about it in his book Opticks.^[22]

Pressure dependence[edit]

The relative humidity of an air–water system is dependent not only on the temperature but also on the absolute pressure of the system of interest. This dependence is demonstrated by considering the air–water system shown below. The system is closed (i.e., no matter enters or leaves the system).

If the system at State A is isobarically heated (heating with no change in system pressure), then the relative humidity of the system decreases because the equilibrium vapor pressure of water increases with increasing temperature. This is shown in State B.

If the system at State A is isothermally compressed (compressed with no change in system temperature), then the relative humidity of the system increases because the partial pressure of water in the system increases with the volume reduction. This is shown in State C. Above 202.64 kPa, the RH would exceed 100% and water may begin to condense.

If the pressure of State A was changed by simply adding more dry air, without changing the volume, the relative humidity would not change.

Therefore, a change in relative humidity can be explained by a change in system temperature, a change in the volume of the system, or change in both of these system properties.

Enhancement factor[edit]

The enhancement factor is defined as the ratio of the saturated vapor pressure of water in moist air to the saturated vapor pressure of pure water:

The enhancement factor is equal to unity for ideal gas systems. However, in real systems the interaction effects between gas molecules result in a small increase of the equilibrium vapor pressure of water in air relative to equilibrium vapor pressure of pure water vapor. Therefore, the enhancement factor is normally slightly greater than unity for real systems.

The enhancement factor is commonly used to correct the equilibrium vapor pressure of water vapor when empirical relationships, such as those developed by Wexler, Goff, and Gratch, are used to estimate the properties of psychrometric systems.

Buck has reported that, at sea level, the vapor pressure of water in saturated moist air amounts to an increase of approximately 0.5% over the equilibrium vapor pressure of pure water.^[19]

Effects[edit]

Climate control refers to the control of temperature and relative humidity in buildings, vehicles and other enclosed spaces for the purpose of providing for human comfort, health and safety, and of meeting environmental requirements of machines, sensitive materials (for example, historic) and technical processes.

Climate[edit]

While humidity itself is a climate variable, it also affects other climate variables. Environmental humidity is affected by winds and by rainfall.

The most humid cities on Earth are generally located closer to the equator, near coastal regions. Cities in parts of Asia and Oceania are among the most humid. Bangkok, Ho Chi Minh City, Kuala Lumpur, Hong Kong, Manila, Jakarta, Naha, Singapore, Kaohsiung and Taipei have very high humidity most or all year round because of their proximity to water bodies and the equator and often overcast weather. Some places experience extreme humidity during their rainy seasons combined with warmth giving the feel of a lukewarm sauna, such as Kolkata, Chennai and Kochi in India, and Lahore in Pakistan. Sukkur city located on the Indus River in Pakistan has some of the highest and most uncomfortable dew points in the country, frequently exceeding 30 °C (86 °F) in the monsoon season.^[23]

High temperatures combine with the high dew point to create heat index in excess of 65 °C (149 °F). Darwin experiences an extremely humid wet season from December to April. Houston, Miami, San Diego, Osaka, Shanghai, Shenzhen and Tokyo also have an extreme humid period in their summer months. During the South-west and North-east Monsoon seasons (respectively, late May to September and November to March), expect heavy rains and a relatively high humidity post-rainfall. Outside the monsoon seasons, humidity is high (in comparison to countries further from the Equator), but completely sunny days abound. In cooler places such as Northern Tasmania, Australia, high humidity is experienced all year due to the ocean between mainland Australia and Tasmania. In the summer the hot dry air is absorbed by this ocean and the temperature rarely climbs above 35 °C (95 °F).

Global climate[edit]

Humidity affects the energy budget and thereby influences temperatures in two major ways. First, water vapor in the atmosphere contains «latent» energy. During transpiration or evaporation, this latent heat is removed from surface liquid, cooling the earth’s surface. This is the biggest non-radiative cooling effect at the surface. It compensates for roughly 70% of the average net radiative warming at the surface.

Second, water vapor is the most abundant of all greenhouse gases. Water vapor, like a green lens that allows green light to pass through it but absorbs red light, is a «selective absorber». Like the other greenhouse gasses, water vapor is transparent to most solar energy. However, it absorbs the infrared energy emitted (radiated) upward by the earth’s surface, which is the reason that humid areas experience very little nocturnal cooling but dry desert regions cool considerably at night. This selective absorption causes the greenhouse effect. It raises the surface temperature substantially above its theoretical radiative equilibrium temperature with the sun, and water vapor is the cause of more of this warming than any other greenhouse gas.

Unlike most other greenhouse gases, however, water is not merely below its boiling point in all regions of the Earth, but below its freezing point at many altitudes. As a condensible greenhouse gas, it precipitates, with a much lower scale height and shorter atmospheric lifetime — weeks instead of decades. Without other greenhouse gases, Earth’s blackbody temperature, below the freezing point of water, would cause water vapor to be removed from the atmosphere.^[24][25][26] Water vapor is thus a «slave» to the non-condensible greenhouse gases.^[27][28][29]

Animal and plant life[edit]

Humidity is one of the fundamental abiotic factors that defines any habitat (the tundra, wetlands, and the desert are a few examples), and is a determinant of which animals and plants can thrive in a given environment.^[30]

The human body dissipates heat through perspiration and its evaporation. Heat convection, to the surrounding air, and thermal radiation are the primary modes of heat transport from the body. Under conditions of high humidity, the rate of evaporation of sweat from the skin decreases. Also, if the atmosphere is as warm or warmer than the skin during times of high humidity, blood brought to the body surface cannot dissipate heat by conduction to the air. With so much blood going to the external surface of the body, less goes to the active muscles, the brain, and other internal organs. Physical strength declines, and fatigue occurs sooner than it would otherwise. Alertness and mental capacity also may be affected, resulting in heat stroke or hyperthermia.

Human comfort[edit]

Although humidity is an important factor for thermal comfort, humans are more sensitive to variations in temperature than they are to changes in relative humidity.^[31] Humidity has a small effect on thermal comfort outdoors when air temperatures are low, a slightly more pronounced effect at moderate air temperatures, and a much stronger influence at higher air temperatures.^[32]

Humans are sensitive to humid air because the human body uses evaporative cooling as the primary mechanism to regulate temperature. Under humid conditions, the rate at which perspiration evaporates on the skin is lower than it would be under arid conditions. Because humans perceive the rate of heat transfer from the body rather than temperature itself, we feel warmer when the relative humidity is high than when it is low.

Humans can be comfortable within a wide range of humidities depending on the temperature—from 30 to 70%^[33]—but ideally not above the Absolute (60°F Dew Point),^[34] between 40 %^[35] and 60 %.^[36] In general, higher temperatures will require lower humidities to achieve thermal comfort compared to lower temperatures, with all other factors held constant. For example, with clothing level = 1, metabolic rate = 1.1, and air speed 0.1 m/s, a change in air temperature and mean radiant temperature from 20 °C to 24 °C would lower the maximum acceptable relative humidity from 100% to 65% to maintain thermal comfort conditions. The CBE Thermal Comfort Tool can be used to demonstrate the effect of relative humidity for specific thermal comfort conditions and it can be used to demonstrate compliance with ASHRAE Standard 55-2017.^[37]

Some people experience difficulty breathing in humid environments. Some cases may possibly be related to respiratory conditions such as asthma, while others may be the product of anxiety. Sufferers will often hyperventilate in response, causing sensations of numbness, faintness, and loss of concentration, among others.^[38]

Very low humidity can create discomfort, respiratory problems, and aggravate allergies in some individuals. Low humidity causes tissue lining nasal passages to dry, crack and become more susceptible to penetration of rhinovirus cold viruses.^[39] Extremely low (below 20 %) relative humidities may also cause eye irritation.^[40][41] The use of a humidifier in homes, especially bedrooms, can help with these symptoms.^[42] Indoor relative humidities should be kept above 30% to reduce the likelihood of the occupant’s nasal passages drying out, especially in winter.^[40][43][44]

Air conditioning reduces discomfort by reducing not just temperature but humidity as well. Heating cold outdoor air can decrease relative humidity levels indoors to below 30%.^[45] According to ASHRAE Standard 55-2017: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, indoor thermal comfort can be achieved through the PMV method with relative humidities ranging from 0% to 100%, depending on the levels of the other factors contributing to thermal comfort.^[46] However, the recommended range of indoor relative humidity in air conditioned buildings is generally 30–60%.^[47][48]

Human health[edit]

Higher humidity reduces the infectivity of aerosolized influenza virus. A study concluded, «Maintaining indoor relative humidity >40% will significantly reduce the infectivity of aerosolized virus.»^[49]

Mucociliary clearance in the respiratory tract is also hindered by low humidity. One study in dogs found that mucus transport was lower at an absolute humidity of 9 g water/m³ than at 30 g water/m³.^[50]

Increased humidity can also lead to changes in total body water that usually leads to moderate weight gain, especially if one is acclimated to working or exercising in hot and humid weather.^[51]

Building construction[edit]

Common construction methods often produce building enclosures with a poor thermal boundary, requiring an insulation and air barrier system designed to retain indoor environmental conditions while resisting external environmental conditions.^[52] The energy-efficient, heavily sealed architecture introduced in the 20th century also sealed off the movement of moisture, and this has resulted in a secondary problem of condensation forming in and around walls, which encourages the development of mold and mildew. Additionally, buildings with foundations not properly sealed will allow water to flow through the walls due to capillary action of pores found in masonry products. Solutions for energy-efficient buildings that avoid condensation are a current topic of architecture.

For climate control in buildings using HVAC systems, the key is to maintain the relative humidity at a comfortable range—low enough to be comfortable but high enough to avoid problems associated with very dry air.

When the temperature is high and the relative humidity is low, evaporation of water is rapid; soil dries, wet clothes hung on a line or rack dry quickly, and perspiration readily evaporates from the skin. Wooden furniture can shrink, causing the paint that covers these surfaces to fracture.

When the temperature is low and the relative humidity is high, evaporation of water is slow. When relative humidity approaches 100 %, condensation can occur on surfaces, leading to problems with mold, corrosion, decay, and other moisture-related deterioration. Condensation can pose a safety risk as it can promote the growth of mold and wood rot as well as possibly freezing emergency exits shut.

Certain production and technical processes and treatments in factories, laboratories, hospitals, and other facilities require specific relative humidity levels to be maintained using humidifiers, dehumidifiers and associated control systems.

Vehicles[edit]

The basic principles for buildings, above, also apply to vehicles. In addition, there may be safety considerations. For instance, high humidity inside a vehicle can lead to problems of condensation, such as misting of windshields and shorting of electrical components. In vehicles and pressure vessels such as pressurized airliners, submersibles and spacecraft, these considerations may be critical to safety, and complex environmental control systems including equipment to maintain pressure are needed.

Aviation[edit]

Airliners operate with low internal relative humidity, often under 20 %,^[53] especially on long flights. The low humidity is a consequence of drawing in the very cold air with a low absolute humidity, which is found at airliner cruising altitudes. Subsequent warming of this air lowers its relative humidity. This causes discomfort such as sore eyes, dry skin, and drying out of mucosa, but humidifiers are not employed to raise it to comfortable mid-range levels because the volume of water required to be carried on board can be a significant weight penalty. As airliners descend from colder altitudes into warmer air (perhaps even flying through clouds a few thousand feet above the ground), the ambient relative humidity can increase dramatically. Some of this moist air is usually drawn into the pressurized aircraft cabin and into other non-pressurized areas of the aircraft and condenses on the cold aircraft skin. Liquid water can usually be seen running along the aircraft skin, both on the inside and outside of the cabin. Because of the drastic changes in relative humidity inside the vehicle, components must be qualified to operate in those environments. The recommended environmental qualifications for most commercial aircraft components is listed in RTCA DO-160.

Cold, humid air can promote the formation of ice, which is a danger to aircraft as it affects the wing profile and increases weight. Naturally aspirated internal combustion engines have a further danger of ice forming inside the carburetor. Aviation weather reports (METARs) therefore include an indication of relative humidity, usually in the form of the dew point.

Pilots must take humidity into account when calculating takeoff distances, because high humidity requires longer runways and will decrease climb performance.

Density altitude is the altitude relative to the standard atmosphere conditions (International Standard Atmosphere) at which the air density would be equal to the indicated air density at the place of observation, or, in other words, the height when measured in terms of the density of the air rather than the distance from the ground. «Density Altitude» is the pressure altitude adjusted for non-standard temperature.

An increase in temperature, and, to a much lesser degree, humidity, will cause an increase in density altitude. Thus, in hot and humid conditions, the density altitude at a particular location may be significantly higher than the true altitude.

Electronics[edit]

Electronic devices are often rated to operate only under certain humidity conditions (e.g., 10% to 90%). At the top end of the range, moisture may increase the conductivity of permeable insulators leading to malfunction. Too low humidity may make materials brittle. A particular danger to electronic items, regardless of the stated operating humidity range, is condensation. When an electronic item is moved from a cold place (e.g., garage, car, shed, air conditioned space in the tropics) to a warm humid place (house, outside tropics), condensation may coat circuit boards and other insulators, leading to short circuit inside the equipment. Such short circuits may cause substantial permanent damage if the equipment is powered on before the condensation has evaporated. A similar condensation effect can often be observed when a person wearing glasses comes in from the cold (i.e. the glasses become foggy).^[54] It is advisable to allow electronic equipment to acclimatise for several hours, after being brought in from the cold, before powering on. Some electronic devices can detect such a change and indicate, when plugged in and usually with a small droplet symbol, that they cannot be used until the risk from condensation has passed. In situations where time is critical, increasing air flow through the device’s internals, such as removing the side panel from a PC case and directing a fan to blow into the case, will reduce significantly the time needed to acclimatise to the new environment.

In contrast, a very low humidity level favors the build-up of static electricity, which may result in spontaneous shutdown of computers when discharges occur. Apart from spurious erratic function, electrostatic discharges can cause dielectric breakdown in solid-state devices, resulting in irreversible damage. Data centers often monitor relative humidity levels for these reasons.

Industry[edit]

High humidity can often have a negative effect on the capacity of chemical plants and refineries that use furnaces as part of a certain processes (e.g., steam reforming, wet sulfuric acid processes). For example, because humidity reduces ambient oxygen concentrations (dry air is typically 20.9% oxygen, but at 100% relative humidity the air is 20.4% oxygen), flue gas fans must intake air at a higher rate than would otherwise be required to maintain the same firing rate.^[55]

Baking[edit]

High humidity in the oven, represented by an elevated wet-bulb temperature, increases the thermal conductivity of the air around the baked item, leading to a quicker baking process or even burning. Conversely, low humidity slows the baking process down.^[56]

Other important facts[edit]

At 100% relative humidity, air is saturated and at its dew point: the water vapor pressure would permit neither evaporation of nearby liquid water nor condensation to grow the nearby water; neither sublimation of nearby ice nor deposition to grow the nearby ice.

Relative humidity can exceed 100%, in which case the air is supersaturated. Cloud formation requires supersaturated air. Cloud condensation nuclei lower the level of supersaturation required to form fogs and clouds — in the absence of nuclei around which droplets or ice can form, a higher level of supersaturation is required for these droplets or ice crystals to form spontaneously. In the Wilson cloud chamber, which is used in nuclear physics experiments, a state of supersaturation is created within the chamber, and moving subatomic particles act as condensation nuclei so trails of fog show the paths of those particles.

For a given dew point and its corresponding absolute humidity, the relative humidity will change inversely, albeit nonlinearly, with the temperature. This is because the vapor pressure of water increases with temperature—the operative principle behind everything from hair dryers to dehumidifiers.

Due to the increasing potential for a higher water vapor partial pressure at higher air temperatures, the water content of air at sea level can get as high as 3% by mass at 30 °C (86 °F) compared to no more than about 0.5% by mass at 0 °C (32 °F). This explains the low levels (in the absence of measures to add moisture) of humidity in heated structures during winter, resulting in dry skin, itchy eyes, and persistence of static electric charges. Even with saturation (100% relative humidity) outdoors, heating of infiltrated outside air that comes indoors raises its moisture capacity, which lowers relative humidity and increases evaporation rates from moist surfaces indoors (including human bodies and household plants.)

Similarly, during summer in humid climates a great deal of liquid water condenses from air cooled in air conditioners. Warmer air is cooled below its dew point, and the excess water vapor condenses. This phenomenon is the same as that which causes water droplets to form on the outside of a cup containing an ice-cold drink.

A useful rule of thumb is that the maximum absolute humidity doubles for every 20 °F (11 °C) increase in temperature. Thus, the relative humidity will drop by a factor of 2 for each 20 °F (11 °C) increase in temperature, assuming conservation of absolute moisture. For example, in the range of normal temperatures, air at 68 °F (20 °C) and 50% relative humidity will become saturated if cooled to 50 °F (10 °C), its dew point, and 41 °F (5 °C) air at 80% relative humidity warmed to 68 °F (20 °C) will have a relative humidity of only 29% and feel dry. By comparison, thermal comfort standard ASHRAE 55 requires systems designed to control humidity to maintain a dew point of 16.8 °C (62.2 °F) though no lower humidity limit is established.^[46]

Water vapor is a lighter gas than other gaseous components of air at the same temperature, so humid air will tend to rise by natural convection. This is a mechanism behind thunderstorms and other weather phenomena. Relative humidity is often mentioned in weather forecasts and reports, as it is an indicator of the likelihood of dew, or fog. In hot summer weather, it also increases the apparent temperature to humans (and other animals) by hindering the evaporation of perspiration from the skin as the relative humidity rises. This effect is calculated as the heat index or humidex.

A device used to measure humidity is called a hygrometer; one used to regulate it is called a humidistat, or sometimes hygrostat. (These are analogous to a thermometer and thermostat for temperature, respectively.)

References[edit]

Citations[edit]

General sources[edit]

Further reading[edit]

• Himmelblau, David M. (1989). Basic Principles And Calculations In Chemical Engineering. Prentice Hall. ISBN 0-13-066572-X.
• Lide, David (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85 ed.). CRC Press. ISBN 9780849304859.
• Perry, R.H.; Green, D.W (1997). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (7th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5.

External links[edit]

• Current map of global relative humidity

Все дело в разной влажности воздуха. Интуитивно вы легко определяете, где воздух более влажный: у берегов водоемов, в бассейне, в ванной комнате. Но что такое влажность в физике? Можно ли измерить ее количественно? От чего она зависит? На эти и многие другие вопросы мы получим ответы в статье.

Начнем издалека: чтобы основательно разобраться в теме, нам необходимо понять, что такое испарение и насыщенный пар.

Испарение

Испарение — это парообразование, которое происходит на поверхности жидкости.

«Постойте, — можете возразить вы. — Что-то подобное мы уже изучали в главе “Тепловые явления”. Разве за парообразование не отвечает процесс кипения?»

И это отличный вопрос! Дело в том, что кипение происходит только при температуре кипения и этот процесс затрагивает весь объем жидкости. Испарение же способно происходить при любой температуре и только на поверхности.

В чем причина этого процесса?

Как мы знаем, молекулы жидкости находятся в бесконечном хаотичном движении. При этом скорости молекул отличаются друг от друга, и если быстрая молекула окажется у поверхности жидкости, ей удастся вырваться, вылететь из вещества. Частиц, подобных ей, достаточно много, и процесс будет происходить до тех пор, пока вся жидкость не испарится. Если вы оставите стакан с водой без присмотра на пару минут, вряд ли произойдет что-то непоправимое — вы не заметите, что объем изменился. Но стоит забыть про емкость на пару дней, как от воды не останется и следа.

Скорость испарения зависит от трех факторов. Первый — это род вещества: некоторые жидкости испаряются быстрее, чем остальные. Это происходит потому, что молекулы обладают меньшими силами притяжения: можно легко их преодолеть и вырваться на свободу. Так, эфир является более «независимым», чем пресная вода, он испаряется очень и очень быстро.

Также испарение зависит от температуры, причем эта зависимость прямо пропорциональна: чем больше температура, тем большее количество молекул вылетает из жидкости.

На процесс испарения влияет и площадь поверхности жидкости. Как вы думаете, кто будет чемпионом по количеству вылетевших молекул: океан или маленькая лужица? Думаем, ответ здесь очевиден. Эта зависимость легко прослеживается и в бытовых вопросах: если вы случайно разлили что-то на пол, стоит растереть лужу по всей его поверхности — так она быстрее высохнет. А чтобы белье быстрее высохло, лучше его расправить, чем развесить в мятом состоянии.

Наряду с процессом испарения происходит и обратный ему процесс: часть молекул, вылетевших с поверхности жидкости, вновь возвращается в нее.

Когда количество молекул, вылетевших из жидкости, равно количеству молекул, вернувшихся в жидкость, наступает так называемое динамическое равновесие. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным.

Насыщенный пар

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

В таком случае ненасыщенный пар — пар, который не находится в динамическом равновесии. Это означает, что количество молекул, находящееся над жидкостью, не постоянно и процесс испарения продолжается.

На нашей планете вода испаряется непрерывно: с поверхностей рек, озер, морей, океанов, а также с растительных и ледяных покровов. Атмосфера всегда наполнена водяным паром — тут-то в дело и вступает понятие влажности.

Понятие влажности. Абсолютная и относительная влажность

Влажность воздуха — это содержание в нем водяных паров. В физике разделяют абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность

показывает, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом 1 м³ при данных условиях.

Если это определение кажется вам знакомым, то неудивительно: отношение массы к объему носит название плотность, так что под абсолютной влажностью мы подразумеваем плотность водяного пара. Измеряется она в кг/м³, но часто в таблицах и задачах можно встретить и единицу измерения г/м³.

Абсолютная влажность прямо пропорциональна массе водяных паров: чем их больше, тем больше и абсолютная влажность, и обратно пропорциональна объему воздуха. Так, при равной массе водяных паров абсолютная влажность воздуха будет больше в той емкости, у которой объем меньше, и наоборот.

Относительной влажностью воздуха

называют отношение абсолютной влажности воздуха

к плотности

насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах.

Чтобы наглядно увидеть разницу между абсолютной и относительной влажностью, давайте посмотрим на сравнительную таблицу.

Для чего было необходимо вводить относительную влажность, если абсолютная довольно емко количественно описывает явление? Дело в том, что организм человека и других живых существ достаточно чутко реагирует на малейшие изменения влажности. Для комфортного существования каждого организма необходимо определенное процентное соотношение водяного пара относительно максимально возможного значения, так что введение относительной величины упростило многие расчеты для ученых.

Для определения относительной влажности необходимо учитывать плотность насыщенного водяного пара. Но как ее найти? Без паники!

Плотность и давление насыщенного пара зависят от температуры. Эти соотношения уже рассчитаны учеными, так что мы можем воспользоваться плодами их труда: для нашего удобства в конце учебника по физике и в интернете даны соответствующие таблицы.

Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры

Таким образом, эта таблица еще раз доказывает, что:

• процесс испарения возможен при любой температуре;
• с ростом температуры увеличиваются плотность и давление насыщенного пара.

Нужно ли всегда рассчитывать влажность с помощью формул? Только представьте: в бассейн вы берете с собой не только плавательный костюм и шапочку, но еще и ручку, блокнот, калькулятор, учебник по физике.

Звучит странно, не правда ли? Как тогда узнать, какая влажность воздуха в бассейне?

Все просто: с помощью измерительных приборов.

Приборы для измерения влажности

Основные приборы для измерения влажности — психрометрический, волосяной и конденсационный гигрометры. Давайте познакомимся со всеми по порядку.

Психрометрический гигрометр

В устройство психрометрического гигрометра входят два обыкновенных термометра: сухой и влажный (его конец обмотан тканью, опущенной в воду). Градусники дают разные показания: по этой разности температур с помощью специальных таблиц и определяют влажность воздуха.

Составим алгоритм работы с психрометрическим гигрометром (психрометром):

1. Зафиксировать показания сухого и влажного термометров.

2. Найти разницу их значений.

3. Сопоставить пункты 1 и 2 с помощью психрометрической таблицы.

Давайте закрепим полученные знания на задаче.

Предположим, сухой термометр зафиксировал температуру, равную 22 °С, а влажный — температуру, равную 19 °С. Чему будет равна влажность воздуха?

Решение.

Рассчитаем разницу значений температур: 22 − 19 = 3.

Найдем в таблице столбец со значением температуры по сухому термометру и сопоставим ее с разницей показаний. Влажность воздуха будет равна 76%.

Ответ: влажность воздуха равна 76%.

Волосяной гигрометр

С волосяным гигрометром дела обстоят куда проще. Его действие основано на способности волоса увеличивать свою длину при росте влажности воздуха (думаем, многие из вас сталкивались с проблемой испорченной прически в особенно пасмурные дни). Вследствие изменения длины волоса стрелка перемещается, указывая на соответствующее значение относительной влажности на круговой шкале.

Конденсационный гигрометр

С помощью конденсационного гигрометра можно определить относительную влажность воздуха по точке росы.

Готовы предположить, что сейчас вы напряглись, так как появилась новая непонятная физическая величина. Уверяем вас, в ней нет ничего сложного.

Точка росы — это температура воздуха, при которой содержащийся в нем пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу.

Для определения этой точки также существует таблица. Обещаем, последняя на сегодня.

Как пользоваться этой таблицей?

Первое, что нам нужно узнать, — это значение начальной температуры воздуха и его относительную влажность. Допустим, мы взяли воздух при температуре 20 °С и влажности 65%. До какой температуры необходимо охладить его, чтобы водяной пар начал конденсироваться? Сопоставим данные значения по таблице: им будет соответствовать 13,2 °С.

Но вернемся к конденсационному гигрометру. Почему он так называется? Дело в том, что его действие основано на измерении количества конденсата, который скапливается на стеклянных поверхностях. Встроенный термометр измеряет значение температуры этой жидкости, что трансформируется внутри прибора в значения относительной влажности.

Гигрометр такого типа считается высокоточным прибором. Его используют для получения информации о микроклимате в помещении.

Зачем измерять влажность воздуха

Возможно, вы немного устали, и это абсолютно нормально. Понятие влажности связано с большим количеством определений, формул и таблиц. Возможно, у вас даже возник вопрос: «А так ли важно измерять влажность?» Попробуйте сами на него ответить.

Мы уже упоминали о чувствительности организмов к изменениям этого показателя. Среднестатистический человек чувствует себя комфортно при уровне относительной влажности около 40–60%, но для людей, страдающих от астмы и других заболеваний, эти показатели могут меняться.

Для тропических растений необходимо поддерживать высокие показатели влажности, для пустынных же это будут невыносимые условия.

Не только живые организмы, но и техника зависит от содержания влаги в воздухе: большая концентрация может привести к коррозии и поломкам.

Как мы видим, многое в жизни человека зависит от понимания физических процессов и явлений. Как говорится, знание — сила, а еще комфорт, здоровье и благополучие. Хотите узнать больше? Тогда ждем вас на курсах подготовки к ЕГЭ по физике в онлайн-школе Skysmart — там вы узнаете не только все нюансы сдачи экзамена, но и много интересного об окружающем вас мире и его закономерностях.

В воздухе всегда содержится водяной пар, даже при отрицательных температурах. Измеряя количество пара, мы будем получать информацию о влажности воздуха.

Чем выше температура, тем больше паров воды сможет удерживать воздух. Конечно, если добавить в воздух этот водяной пар.

Используют два показателя влажности — абсолютную и относительную влажность.

Что такое парциальное давление

Воздух – это смесь газов. Больше всего в нем содержится азота – 78 процентов. Так же, содержится кислород в виде молекул (O_{2}) и (O_{3}) — озона, он составляет 21 процент. Остальные газы, среди них инертные газы и углекислый газ, составляют 1 процент. Давление воздуха складывается из давлений каждого входящего в воздух газа.

Поясним это на простом примере. Рассмотрим емкость, например – обычную трехлитровую стеклянную банку для консервации. Когда в банке нет съестных припасов, ее объем целиком занимает воздух. Давление воздуха в банке будет равно атмосферному давлению. Закупорим банку крышкой. Предположим, у нас имеется возможность отдельно отфильтровать из воздуха каждый газ.

Будем проводить такой опыт:

1. Вначале измерим давление воздуха в банке.
2. Затем, откачаем из банки все газы, кроме одного. Этот отдельно взятый газ при той же температуре занимает весь объём, который до этого занимала газовая смесь. С помощью манометра измерим давление, которое создает оставшийся газ. Давление оставшегося газа называется парциальным давлением.
3. Далее, вернем в банку газы, откачанные ранее.
4. После этого отфильтруем какой-либо другой газ, оставляя в банке его и, откачивая все остальные газы. Будем измерять манометром парциальное давление оставшегося газа.

Проделав такой опыт несколько раз, мы получим парциальные давления всех газов, из которых состоит воздух.

Примечания:

• Парциальное от итальянского «парцио» — часть. Имеется ввиду часть чего-то целого.
• Манометр – прибор для измерения давления (ссылка).
• Тела в газообразном состоянии занимают весь предложенный им объем. По мере удаления газов, масса вещества в банке будет уменьшаться. Но оставшийся газ будет занимать весь объем банки, создавая давление на ее стенки.

Связь общего давления и парциальных давлений всех газов смеси с помощью математики можно описать так:

[large boxed{ P_{text{общ}} = P_{1} + P_{2} + P_{3} + ldots + P_{n} }]

(large P_{text{общ}} left(text{Па} right) ) – давление смеси газов (общее давление);

(large P_{1} left(text{Па} right) ) – парциальное давление первого газа;

(large P_{2} left(text{Па} right) ) – парциальное давление второго газа;

Каждый газ создает свой вклад в общее давление смеси. Этот вклад называют парциальным давлением газа.

Если сложить парциальные давления всех газов, получим давление воздуха, которое мы измерили в начале эксперимента, перед тем, как начать откачивать газы из банки.

В каких единицах измеряют абсолютную влажность

Каждая молекула имеет массу. Чем больше молекул пара, тем больше масса пара в каждом кубометре воздуха.

Масса в объеме – это плотность. Поэтому, абсолютную влажность указывают с помощью плотности водяного пара.

Плотность пара связана с его парциальным давлением. Чем больше плотность пара, тем больше его парциальное давление. Поэтому, абсолютную влажность можно указывать, так же, с помощью парциального давления водяного пара.

Чем больше молекул пара в каждом кубометре воздуха, тем больше абсолютная влажность.

В каких единицах измеряют относительную влажность

Степень увлажненности воздуха зависит от того, близок или далек водяной пар, находящийся в воздухе, от состояния насыщения. Если пар близок к насыщению, относительная влажность высокая. А если пар от насыщения далек – относительная влажность низкая.

Относительную влажность принято измерять в процентах, так как относительные величины мы описываем с помощью дроби.

Важно! Измерьте сначала температуру воздуха, а затем измеряйте его относительную влажность!

Примечание: Относительная величина – значит, дробная. Процент – это дробь, у которой в знаменателе находится число 100.

Формула для вычисления относительной влажности воздуха

В числителе – плотность пара, которая имеется в момент измерения.

В знаменателе – максимальная плотность пара, соответствующая имеющейся температуре (то есть, плотность насыщенного пара).

Если плотность пара максимальная – то пар называют насыщенным. Чем выше температура, тем больше максимальная плотность пара.

[large boxed{ varphi = frac{rho_{0}}{rho_{max}} }]

( large varphi ) – относительная влажность;

(large rho_{0} left( frac{text{кг}}{text{м}^{3}}right) ) – измеренная плотность водяного пара в воздухе, т. е. абсолютная влажность;

(large rho_{max} left( frac{text{кг}}{text{м}^{3}}right) ) – максимальная плотность водяного пара в воздухе, которая может быть при измеренной температуре, т. е. плотность насыщенного пара;

Иногда формулу удобнее записывать в таком виде:

[large boxed{ rho_{0} = varphi cdot rho_{max} }]

Что такое точка росы

Если охлаждать влажный воздух, то можно довести пар, находящийся в воздухе до насыщения. При этом, можно заметить, как на гладких поверхностях появится роса. Появление росы будет происходить при некоторой температуре. Такую температуру называют точкой росы.

Точка росы – это температура, при которой относительная влажность становится равна 100%. При этой температуре из воздуха конденсируется влага: выпадает роса, идет дождь, или, к примеру, запотевает стекло.

Приборы для измерения влажности

Приборы, с помощью которых можно измерять влажность, называют гигрометрами. Есть несколько типов таких приборов: волосные, конденсационные, психрометрические.

Волосной гигрометр

В волосном гигрометре используют свойство волоса изменять свою длину при изменении влажности. Чем больше влажность воздуха, тем длиннее становится волос. Обычно используют волосок из конской гривы, либо длинный человеческий волос. Один конец волоса закреплен на корпусе прибора, а другой прикрепляется к стрелке (рис. 1). По шкале прибора можно определить относительную влажность воздуха.

Конденсационный гигрометр

Конденсационный гигрометр по точке росы помогает определить абсолютную влажность воздуха.

Сначала определяют точку росы с помощью встроенного в прибор термометра. Затем, по таблице, содержащей плотность и парциальное давление водяного пара при различных температурах, определяют абсолютную влажность воздуха.

При известной температуре воздуха и абсолютной влажности можно дополнительно вычислить относительную влажность воздуха.

Устройство конденсационного гигрометра представлено на рисунке 2.

В небольшую металлическую коробку, встроена трубка с грушей и термометр. Передняя тонкая стенка коробки отполирована, чтобы на ней удобнее было наблюдать конденсацию капелек воды. Металлическое кольцо, придающее жесткость тонкой передней стенке, прикреплено через прокладку для теплоизоляции.

Используют прибор так: Наливают в коробку быстро испаряющуюся жидкость (спирт, эфир и т. п.), и продувают грушей воздух через коробку. Тем самым, вызывают быстрое испарение жидкости и понижение температуры в коробке. При этом на полированной передней стенке коробки появляется роса. А термометр позволяет измерить температуру, при которой роса конденсировалась. Появление росы говорит о том, что пар стал насыщенным.

Абсолютную влажность воздуха определяют по таблице, в которой содержится плотность и парциальное давление водяного пара при различных температурах.

Психрометрический гигрометр

Такой прибор для измерения относительной влажности сокращенно называют психрометром. Он состоит из двух одинаковых термометров, закрепленных на держателе (рис. 3). Нижняя часть одного из термометров погружена в небольшую емкость, содержащую несколько миллилитров воды. Обычно на корпус этого прибора наносят психрометрическую таблицу. Благодаря этой таблице, считав показания двух термометров, можно определить относительную влажность воздуха.

Самодельный психрометр

Чтобы изготовить самодельный психрометр, нужно взять два одинаковых бытовых спиртовых термометра.

В нижней части каждого термометра присутствует шарик с жидкостью. Эта жидкость расширяется при возрастании температуры. Излишки жидкости из шарика поднимаются по тонкой трубке, рядом с которой нанесены деления температурной шкалы. Обычно в качестве такой жидкости используют подкрашенный спирт (спиртовой термометр), или ртуть (ртутный термометр).

Шарик одного из термометров нужно обернуть кусочком ваты, или небольшой тряпочкой, смоченной водой комнатной температуры. Этот термометр договоримся называть «влажным».

Со вторым термометром ничего делать не нужно. Этот термометр будем называть «сухим».

Расположим эти термометры неподалеку один от другого. Спустя несколько минут самодельный психрометр будет готов к измерениям влажности.

Нам известно, что температура жидкости уменьшается при испарении (ссылка). Поэтому, показания влажного термометра всегда будут меньше показаний сухого термометра. Чем суше воздух, тем больше будет разница между показаниями термометров. Потому, что в сухом воздухе скорость испарения (ссылка) воды возрастает.

Запишем показания сухого и влажного термометров. Относительную влажность воздуха можно найти с помощью психрометрической таблицы.

Что такое психрометрическая таблица

В психрометрической таблице (рис. 4. и рис. 5) содержатся значения относительной влажности воздуха. Эти значения связаны с показаниями сухого термометра и разностью показаний сухого и мокрого термометров.

Наличие водяного пара в воздухе влияет на скорость испарения. Чем выше температура и чем меньше пара в воздухе, — тем быстрее испаряется вода, — тем больше разница между показаниями сухого и мокрого термометров.

Таблица — зависимость плотности насыщенного пара от температуры

В этой таблице (рис. 6 и рис. 7) содержатся плотность и парциальное давление водяного пара при различных значениях температуры. С помощью такой таблицы, зная абсолютную влажность и температуру воздуха, можно вычислить относительную влажность.

Абсолютную влажность воздуха обычно указывают с помощью плотности водяного пара.

Сказка о маленьком волшебнике и волшебном ведерке

Понятие влажности воздуха легко пояснить с помощью сказки.

В некотором царстве жил да был маленький волшебник. Звали его Воздухом. И было у него волшебное ведерко.

Волшебство заключалось в том, что размеры ведерка зависели от температуры. Чем выше температура, тем больше становилось ведерко, увеличиваясь в размерах.

Примечание: При такой аналогии абсолютная влажность – это количество воды, налитой в ведерко. А относительная влажность – это доля, которую занимает налитая вода по отношению ко всему объему ведерка.

Предположим, что при некоторой температуре объем ведра — 10 литров. Нальем в ведерко 5 литров воды. Это половина ведра, то есть, относительная влажность составит 50%. Так как 5/10 = 0,50 = 50%

Количество налитой воды не изменяем, значит, масса и объем воды не изменяется.

Допустим, температура возросла. Размеры ведерка будут увеличиваться с ростом температуры. Предположим, что ведерко увеличилось настолько, что теперь его объем составляет 15 литров.

Значит, теперь относительная влажность будет равна

5/15 = 0,33 = 33%

Если абсолютная влажность не изменяется, когда температура растет, относительная влажность уменьшается.

Предположим теперь, что температура понизилась. Значит, объем (размеры) ведерка уменьшится. Если, например, объем ведерка уменьшится до 8 литров, то относительная влажность составит

5/8 = 0,625 = 62,5%

То есть, абсолютная влажность не изменилась, а относительная возросла.

Если абсолютная влажность не изменяется, когда температура падает, относительная влажность растет.

При дальнейшем понижении температуры объем ведерка продолжит уменьшаться. При некоторой температуре может случиться так, что объем уменьшившегося ведерка совпадет с объемом налитой воды.

Предположим, объем ведерка уменьшится до 5 литров. И количество воды в ведерке – так же, равняется 5 литрам. Относительная влажность при этом составит 100%.

5/5 = 1,0 = 100%

Температура, при которой размеры ведерка будут совпадать с количеством налитой воды, называется точкой росы.

Если температура продолжит падать, волшебное ведерко продолжит уменьшаться. Излишки воды при этом будут проливаться. Мы говорим в таких случаях: «выпадают осадки», или «идет дождь».

Примечание: Относительная влажность не может превышать 100%. Когда относительная влажность равна 100%, излишки водяного пара из воздуха конденсируются, при этом выпадают осадки – дождь, или роса.

Для чего контролировать влажность воздуха

Измерять и контролировать уровень влажности воздуха необходимо в самых разнообразных ситуациях:

• в метеорологии — для предсказания погоды;
• в сельском хозяйстве – в оранжереях и теплицах нужно поддерживать влажность воздуха, комфортную для выращиваемых растений;
• в складских помещениях продуктовых магазинов – чтобы продукты не испортились ранее положенного срока годности;
• в автомобильных боксах – чтобы предотвратить появление коррозии на металлических поверхностях автомобилей, механизмов и запасных частей к ним;
• в жилых помещениях – комфортный уровень относительной влажности воздуха для человека находится в диапазоне от 40 до 60 процентов;
• в библиотеках и музеях – чтобы книги и ценные произведения искусства сохранить на долгие века;

Выводы

1. Парциальное давление – это давление одного газа из смеси. Парциальное — от итальянского «парцио» — часть чего-то целого.
2. Если сложить все парциальные давления, получим общее давление смеси газов.
3. Воздух – это смесь газов. Давление воздуха — это сумма парциальных давлений всех газов, составляющих воздух.
4. В воздухе даже при отрицательной температуре содержится водяной пар. Измеряя количество этого пара, мы будем измерять влажность воздуха.
5. Чем выше температура, тем больше водяного пара воздух сможет удержать. Конечно, если добавить в воздух этот водяной пар.
6. Выделяют два вида влажности воздуха — абсолютную и относительную.
7. Абсолютную влажность указывают с помощью плотности водяного пара или же с помощью парциального давления водяного пара.
8. Приборы для измерения влажности называют гигрометрами. Широко используют конденсационные, волосные и психрометрические гигрометры.
9. Психрометрический гигрометр сокращенно называют психрометром.
10. Самодельный психрометр можно изготовить из двух одинаковых бытовых термометров. Один термометр назовем влажным, второй — сухим.
11. Относительную влажность можно определить, пользуясь психрометром и психрометрической таблицей.
12. Сначала измеряем температуру воздуха, а после — относительную влажность воздуха.
13. Относительная влажность – это дробная величина. Ее указывают в процентах. В числителе дроби – плотность пара, имеющегося в воздухе, в знаменателе – максимальная при этой температуре плотность пара, т. е. плотность насыщенного при этой температуре пара.
14. Абсолютная и относительная влажность воздуха связаны. Зная температуру воздуха и одну из влажностей, можно определить вторую влажность (по абсолютной можно определить относительную и наоборот). Для этого используйте таблицу плотностей водяного пара при различных температурах.

Содержание:

Влажность воздуха:

В ежедневных сводках погоды наряду со значениями температуры воздуха и атмосферного давления, как правило, называют значение относительной влажности воздуха. Почему влажность воздуха влияет на жизнедеятельность человека?

Влажность воздуха

Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным воздухом. Основными количественными характеристиками такого воздуха являются его абсолютная и относительная влажности.

Абсолютная влажность

Обычно абсолютную влажность выражают в граммах на кубический метр 

Поскольку атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов (азот, кислород, углекислый газ и др.) и водяного пара, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений компонентов сухого воздуха и водяного пара. Используя уравнение Клапейрона—Менделеева, плотность пара можно определить через его парциальное давление

где — молярная масса воды; Т — температура воздуха.

Зная только плотность пара, нельзя судить о степени влажности воздуха. Ведь при одном и том же значении плотности пар может быть как близок к насыщению, так и далёк от него. Оказывается, чем ниже температура, тем ближе пар к насыщению. А ведь именно от этого зависит интенсивность испарения воды п потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят вторую характеристику влажности воздуха — относительную влажность, которая показывает, насколько водяной пар при данной температуре далёк от насыщения.

Относительная влажность  воздуха — физическая величина, равная отношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре.

Обычно относительную влажность выражают в процентах:

Чем ниже относительная влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется вода. При относительной влажности воздуха водяной пар становится насыщенным и оказывается в динамическом равновесии со своей жидкостью. В этом случае процессы испарения и конденсации идут с одинаковой скоростью.

Поскольку плотность пара и его парциальное давление связаны соотношением (10.1), то относительную влажность можно определить как отношение парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре:

Таким образом, относительная влажность зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры воздуха.

Значения давления и плотности насыщенного водяного пара при различных температурах приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Давление и плотность насыщенного водяного пара

Когда парциальное давление водяного пара в воздухе равно давлению насыщенного пара при той же температуре, говорят, что воздух насыщен водяными парами. Если же плотность водяного пара превышает плотность насыщенного пара, то пар в воздухе считают пересыщенным. Такое состояние является неустойчивым и заканчивается конденсацией.

Давление насыщенного пара уменьшается при понижении температуры (см. табл. 1). Из формулы (10.3) следует, что при одном и том же давлении водяного пара относительная влажность тем выше, чем ниже температура, и при некотором её значении может стать равной 100 %.

Температуру, при которой водяной пар в результате изобарного охлаждения становится насыщенным, называют точкой росы.

При понижении температуры ниже точки росы происходит конденсация водяного пара. Например, днём температура воздуха была а плотность водяного пара Ночью температура понизилась до При этой температуре плотность насыщенного водяного пара Значит, избыток пара сконденсировался и выпал в виде росы. Этот процесс является причиной образования тумана (в воздухе всегда есть пылинки, которые являются центрами конденсации), облаков и дождя. В технике конденсация обычно осуществляется на охлаждаемых поверхностях.

Если относительная влажность меньше 100 %, то точка росы всегда ниже температуры воздуха и тем ниже, чем меньше относительная влажность.

Приборы для измерения влажности

Относительную влажность воздуха обычно измеряют психрометром, состоящим из двух термометров — сухого и влажного (рис. 61). Сухой термометр показывает температуру воздуха.

Резервуар влажного термометра обёрнут тканью, смачиваемой водой. Вода с ткани испаряется, охлаждая при этом термометр. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется вода и тем сильнее охлаждается влажный термометр. И наоборот — при большой относительной влажности воздуха влажный термометр охлаждается незначительно.

При 100 %-ной относительной влажности вода и её пар находятся в динамическом равновесии и показания обоих термометров совпадают.

Живые организмы и растения весьма восприимчивы к относительной влажности воздуха. При температуре 20—25 °С наиболее благоприятная для человека относительная влажность составляет 40—60 %.

При высокой влажности, особенно в жаркий день, испарение влаги с поверхности кожи затрудняется, что приводит к нарушению важнейших биологических механизмов регулирования температуры тела.

При низкой влажности происходит интенсивное испарение с поверхности тела и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, лёгких, что приводит к ухудшению самочувствия. При низкой влажности в воздухе дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, что также небезопасно для человека. В случае низкой влажности воздуха интенсивность испарения с листьев увеличивается, и при малом запасе влаги в почве они быстро вянут и засыхают.

Влажность воздуха необходимо учитывать и в различных технологических процессах, таких, например, как сушка и хранение готовых изделий. Стальные изделия при высокой влажности быстро ржавеют. Сохранение произведений искусства и книг также требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. Большое значение имеет влажность в метеорологии для предсказания погоды. Если воздух у поверхности Земли охлаждается ниже точки росы, то могут образовываться туман, роса или иней.

Пример решения задачи

Температура воздуха в комнате а его относительная влажность  На улице температура и относительная влажность воздуха соответственно. Каким будет направление движения водяных паров, если открыть форточку: с улицы в комнату пли из комнаты на улицу?

Решение. При температуре воздуха давление насыщенных паров а при температуре (см. таблицу 1 § 10). Тогда давление водяного пара в комнате

а на улице

следовательно, пар выходит из комнаты на улицу.

Ответ: пар выходит из комнаты на улицу.

Пример №2

Вечером при температуре относительная влажность воздуха Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до

Решение. Для того чтобы узнать, выпадет ли роса при понижении температуры воздуха до необходимо сравнить плотность (давление) насыщенного пара при этой температуре с плотностью (парциальным давлением) пара при температуре

При температуре плотность насыщенного водяного пара

(см. таблицу 1 $10). Плотность водяного пара, содержащегося в воздухе при температуре можно определить, воспользовавшись формулой

где (см. таблицу 1 §10):

Поскольку то имеющегося в воздухе количества водяного пара недостаточно для насыщения, роса не выпадет.

Ответ: роса не выпадет.

Влажность воздуха и точка росы

Влажный воздух — это воздух, в составе которого имеется водяной пар. Основными количественными характеристиками такого воздуха являются абсолютная и относительная влажность.

Абсолютная влажность — это физическая величина, равная плотности водяного пара в воздухе в данных условиях.

Абсолютную влажность (плотность водяного пара в воздухе) можно выразить через парциальное давление водяного пара на основании уравнения Менделеева-Клапейрона:

Где — плотность водяного пара в воздухе — абсолютная влажность,  — молярная масса воды,  — температура воздуха,  — парциальное давление пара,  — универсальная газовая постоянная. Обычно абсолютная влажность измеряется в 

Однако невозможно определить, в каком состоянии находится пар, насколько он отличается от насыщенного состояния, зная только плотность и парциальное давление водяного пара при данных условиях. Поэтому была введена вторая характеристика степени увлажнения воздуха — относительная влажность.

Относительная влажность — это физическая величина, равная отношению абсолютной влажности воздуха при данной температуре к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре. Относительная влажность выражается в процентах:

Где — плотность насыщенного водяного пара в воздухе,  — относительная влажность воздуха.

Ссылаясь на связь плотности водяного пара в воздухе с его парциальным давлением, из равенства (6.33) относительную влажность можно выразить через давление:

Относительная влажность равна отношению парциального давления водяного пара в воздухе при данной температуре к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре:

Таким образом, относительная влажность определяется не только абсолютной влажностью, но и температурой воздуха. Относительная влажность воздуха измеряется с помощью психрометра и гигрометра.

Если парциальное давление водяного пара в воздухе при данной температуре будет равно давлению насыщенного пара при той же температуре, то состояние водяного пара в воздухе будет насыщенным. Если плотность водяного пара в воздухе при данной температуре больше плотности насыщенного водяного пара при той же температуре, то в этом случае говорят, что водяной пар в воздухе находится в перенасыщенном состоянии. Такое состояние приводит к конденсации пара.

Температура, при которой в результате изобарного охлаждения водяной пар в воздухе превращается в насыщенный, называется точкой росы. При падении температуры воздуха ниже точки росы происходит конденсация водяного пара. Например, предположим, что температура воздуха днем а плотность водяного пара в воздухе составляет Ночью же температура воздуха плотность насыщенного водяного пара при этой же температуре  Значит, излишки пара конденсируются, то есть выпадает роса. Этот процесс является причиной возникновения тумана, облаков и дождей.

Определение влажности воздуха

Известно, что человек примерно на 70 % состоит из воды, при этом не все догадываются, что в жизни человека значительную роль играет уровень влажности атмосферы. однако мы интуитивно чувствуем, что обычно влажный воздух полезен для здоровья, поэтому стремимся отдыхать на берегу моря, реки, озера. Выясним, от каких факторов зависит влажность воздуха и как ее можно изменить.

Что такое влажность воздуха

Воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Содержание водяного пара в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность — физическая величина, которая характеризует содержание водяного пара в воздухе и численно равна массе водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха:

Единица абсолютной влажности в СИ — килограмм на метр кубический:

Обычно абсолютную влажность приводят в г/м3. В экваториальных широтах она может достигать 30 г/м3, к полюсам Земли снижается до 0,1 г/м3.

Таблица 1

Давление и плотность насыщенного водяного пара

0	0,61	4,8
2	0,71	5,6
4	0,81	6,4
6	0,93	7,3
8	1,07	8,3
10	1,23	9,4
12	1,40	10,7
14	1,60	12,1
16	1,81	13,6
18	2,07	15,4
20	2,33	17,3
22	2,64	19,4
24	2,99	21,8
26	3,36	24,4
28	3,79	27,2
30	4,24 30,3	30,3

Относительная влажность ϕ — физическая величина, которая показывает, насколько водяной пар близок к насыщению, и равна выраженному в процентах отношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре:

Плотность насыщенного водяного пара () при данной температуре — величина постоянная, поэтому ее заносят в таблицы (табл. 1) или представляют в виде графиков (рис. 32.1). Обратите внимание на два момента.

1. По температуре и относительной влажности легко определить абсолютную влажность и массу водяного пара в воздухе: Например, измерения показали, что в комнате объемом 180 м3 при температуре 22 °С = 50 %. В табл. 1 находим: (22 °C) , =19 4 г/м3. Тогда:
2. Плотность водяного пара прямо пропорциональна его парциальному давлению и концентрации молекул пара , поэтому относительную влажность воздуха можно найти из соотношений:

Точка росы

Анализ графика на рис. 32.1, а показывает, что относительную влажность можно увеличить, увеличив абсолютную влажность, то есть увеличив массу водяного пара в воздухе. Если на кухне долго кипятить воду, то относительная влажность может достигнуть 100 % (точка С графика), а кафель покроется влагой. Относительная влажность также увеличится, если уменьшить температуру воздуха (рис. 32.1, б). При температуре (в точке В) пар становится насыщенным (относительная влажность достигает 100 %). В дальнейшем даже незначительное уменьшение температуры приведет к тому, что избыточный водяной пар будет конденсироваться и выпадать в виде росы или тумана. Так под утро, когда температура воздуха резко уменьшается, на траве выпадает роса, а над поверхностью водоемов появляется туман.

Температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы .

Рис. 32.1. Графики зависимости — плотности насыщенного водяного пара от температуры; — абсолютная влажность

Зная точку росы, можно определить абсолютную и относительную влажности. Например, температура в комнате 24 °С, а стенки сосуда с водой покрываются влагой при температуре воды 16 °С, то есть при этой температуре пар становится насыщенным (t=). Это означает, что (см. табл. 1). Поскольку .

Как измерить влажность воздуха

Приборы для прямого измерения влажности воздуха называют гигрометрами. Наиболее часто употребляемые виды гигрометров — волосяной (волосной) и психрометрический. Принцип действия волосяного гигрометра (рис. 32.2) базируется на свойстве обезжиренного волоса увеличивать свою длину с увеличением влажности воздуха. Зимой волосяной гигрометр является основным прибором для измерения влажности воздуха вне помещений. Чаще всего используют гигрометр психрометрический — психрометр.

Его действие основано на двух фактах: 1) скорость испарения жидкости тем выше, чем ниже относительная влажность воздуха; 2) жидкость при испарении охлаждается. Психрометр состоит из двух термометров — сухого измеряющего температуру окружающей среды, и влажного — его колба обернута тканью, конец которой опущен в сосуд с водой (рис. 32.3). Вода из ткани испаряется, и влажный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем ниже относительная влажность, тем быстрее испаряется жидкость и тем больше разница показаний сухого и влажного термометров. Относительную влажность определяют с помощью психрометрической таблицы (табл. 2). Например, сухой термометр показывает 15 °С, а влажный 10 °С; разность температур ∆ =t 5 C° . Из табл. 2 видим, что ϕ = 52 %.

Таблица 2

Психрометрическая таблица

Почему нужно следить за влажностью воздуха

Человек чувствует себя хорошо при относительной влажности 50– 65 %. Для его здоровья вредны как чрезмерно сухой, так и очень влажный воздух. Избыточная влажность способствует размножению различных болезнетворных грибков. В сухом воздухе человек быстро утомляется, у него першит в горле, пересыхают губы, становится сухой кожа и т. п.

Если воздух слишком сухой, то пыль, не связанная влагой, летает по всему помещению, и это особенно опасно для людей, страдающих аллергией. Недостаточная влажность приводит к гибели чувствительных к уровню влажности домашних растений; трещины на предметах из дерева, расстроенные музыкальные инструменты — тоже результат недостаточной влажности воздуха. Влажность воздуха важно учитывать в ткацком, кондитерском и других производствах; при хранении книг и картин; в лечении многих болезней и т. д.

Выводы:

Физические величины, характеризующие влажность воздуха

Абсолютная влажность — плотность водяного пара, содержащегося в воздухе:

Относительная влажность равна выраженному в процентах отношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре:

• Приборы для измерения влажности называют гигрометрами.
• Температуру, при которой относительная влажность воздуха достигает 100 %, то есть водяной пар в воздухе становится насыщенным, называют точкой росы.

В процессе проведения опыта будем использовать закрытый сосуд с жидкостью, а значение температуры поддерживать постоянным. Спустя некоторое время в данном сосуде возникнет явление термодинамического равновесия процессов испарения и конденсации. Другими словами, число молекул, которые покинут жидкость, будет эквивалентно числу молекул, вернувшихся обратно в жидкость.

Газообразное вещество, которое находится состоянии равновесия со своей жидкостью, носит название насыщенного пара.

Ненасыщенным паром называют такой пар, давление и плотность которого уступает значениям давления и плотности насыщенного пара.

Давление насыщенного пара в процессе повышения температуры возрастает. В окружающем нас воздухе в любой момент времени присутствует некоторая масса водяного пара. Что же такое влажность воздуха? Воздух, который включает в себя водяной пар, определяется как влажный. В воздухе атмосферы быстрота испарения воды основывается на величине отличия давления паров воды от давления насыщенных паров при существующей температуре.

Абсолютная и относительная влажность воздуха

Свое применение часто находят понятия об абсолютной и относительной влажности.

Абсолютной влажностью считают массу водяного пара, которая находится в одном кубометре воздуха.

Абсолютная влажность может быть измерена парциальным давлением водяного пара (p) при некоторой температуре (T). Относительно парциального давления действует закон Дальтона, который говорит о том, что отдельные компоненты смеси газов определяются как независимые. По этой причине каждая из компонент производит давление:

pi=nikT,

а полное давление равно сумме давлений компонент:

p=p01kT+p02kT+…+p0ikT=p1+p2+…+pi,

где pi- парциальное давление i газовой компоненты.

Уравнение p=p01kT+p02kT+…+p0ikT=p1+p2+…+pi представляет собой закон Дальтона. Исходя из того факта, что влажность представляет собой количество водяного пара в воздухе (газе), понятие парциального давления и закон Дальтона могут быть крайне полезны при практическом изучении вопросов об абсолютной влажности. Также абсолютной влажностью называется плотность водяного пара (ρ) при той же температуре (T). В процессе повышения абсолютной влажности пары воды все сильнее приближаются к состоянию насыщенного пара.

Максимальной абсолютной влажностью при приведенной температуре является масса насыщенного водяного пара на один кубометр воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при заданной температуре.

Данная величина выражается в процентах:

β=ρρnp·100%=ppnp·100%,

где ρnp представляет собой плотность насыщенного пара при некоторой T, pnp- давление насыщенного пара при такой же температуре. В условиях установления термодинамического равновесия процессов испарения и конденсации относительная влажность равняется 100%. Из этого можно сделать вывод о том, что количество воды в воздухе не претерпевает изменений. Процессы изохорного охлаждения или изотермического сжатия ненасыщенного пара позволяют превратить его в насыщенный.

Температура (Tr), при которой пар определяется как насыщенный, носит название точки росы.

Tr представляет собой температуру термодинамического равновесия пара и жидкости в газе, конкретно в воздухе.

Влажность воздуха определяется с помощью специальных измерительных приборов — гигрометров, психрометров. Оптимальной для человеческого организма в условиях температуры близкой к 20 градусам Цельсия считается относительная влажность от 40% до 60%. В процессе решения практических задач, зачастую применяют справочные таблицы, в которых определены давления и плотности насыщенного водяного пара при различных значениях температуры.

Примеры