Влагосодержание

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим. Если сухому воздуху показать каплю воды, он мгновенно её испарит и станет влажным. Итак, влагосодержание - это отношение массы воды к массе сухого воздуха, в котором эта вода испарилась. Однако, продолжим: вторую каплю он также испарит, но немного медленнее. Третья капля испарится ещё медленнее. Наконец, на N-ной капле воздух "устанет" вбирать в себя воду. Он насытится ею, "напьется водой". Это будет насыщенный влажный воздух (та самая жирная линия на диаграмме).

Парциальное давление водяного пара

Встаёт вопрос, почему всё так происходит? Видимо, что-то толкает воздух впитывать в себя влагу до определенного момента. Что это за движущая сила? Для примера вспомним горячую плиту на кухне. Воздух вокруг неё нагревается, и для нас очевидно, что движущей силой является разность температур между плитой и воздухом. Воздух будет греться до тех пор, пока плита не остынет, т.е. не станет той же температуры, что и воздух - процесс прекратится.

Вернёмся к влажному воздуху. Он в своём составе имеет водяной пар. Парциальным давлением водяного пара влажного воздуха называется то давление, которое обретет водяной пар в замкнутом объёме, если из этого объема убрать весь сухой воздух. Очевидно, что в воздухе водяного пара совсем мало (об этом нам говорит влагосодержание, которое измеряется величинами порядка 0.005...0.03 кг/кг), а, значит, при исчезновении сухого воздуха из некого объёма, оставшийся пар будет вполне вольготно себя чувствовать в предоставленном объеме, следовательно, иметь низкое давление. Это означает, что и парциальное давление водяного пара достаточно низко. Действительно, оно измеряется тысячами Паскалей, а ведь атмосферное давление воздуха равно примерно ста тысячам Паскалей. Снова вернемся к поглощаемым каплям.

Движущей силой процесса испарения служит именно разность парциальных давлений. У капли воды оно равно некоторой величине, а у сухого воздуха - нулю. Процесс испарения максимально активен. Далее, парциальное давление водяного пара растет, процесс замедляется и заканчивается в условиях их равенства. Водяным паром во влажном воздухе достигнуто давление насыщения. Оно же называется давлением насыщенного водяного пара. Сама же кривая насыщения - это известная нам жирная линия.

Относительная влажность

Следующий вопрос: как определить, насколько имеющийся влажный воздух насыщен водяным паром? Другими словами, каково отношение текущего давления водяного пара к давлению насыщения? На этот вопрос в точности отвечает относительная влажность, разве что для удобства измеряется она в процентах, а потому упомянутое отношение умножается на 100%. Итак, относительная влажность - это отношение текущего давления водяного пара к максимально возможному для данной температуры.

Энтальпия

Далее, любое вещество обладает некоторой энергией. Очевидно, его энергия тем больше, чем выше температура. Для сухого воздуха это единственный параметр, определяющий энтальпию. Однако для влажного воздуха следует учесть, что при той же температуре он включает в себя и энергию испаренной влаги - энтальпия влажного воздуха зависит и от температуры и от влагосодержания. Причем при той же температуре в зависимости от влагосодержания разброс энтальпий может быть огромен - и 100 и 200 и 300% - чем выше температура, тем выше. Это невооруженным глазом видно из I-d-диаграммы: чем выше температура, тем выше рассматриваемая изотерма и тем больше наклонных изоэнтальп её пересекает. Итак, энтальпия влажного воздуха - это сумма энтальпий сухого воздуха и водяного пара, причем первая пропорциональна температуре (коэффициент пропорциональности - теплоемкость сухого воздуха), а вторая пропорциональна влагосодержанию.

Температура точки росы T_d [ºC] – это температура, до которой необходимо охладить влажный воздух, чтобы достичь насыщения, сохраняя постоянным массовое содержание влаги в процессе охлаждения. При температуре точки росы p_п = p_н.

Температура влажного термометра T_h [ºC] – это температура равновесного испарения воды в воздух в случае, когда необходимая для испарения теплота поступает только из воздуха.

Давление водяного пара p_п [Па] равно парциальному давлению водяного пара в воздухе. В метеорологии это давление обычно выражают в миллибарах.

Давление насыщенного пара p_н (T) [Па] – давление пара, находящегося в равновесии с жидкой водой при температуре T. Это максимальное значение, которое может принимать парциальное давление пара p_п при температуре T, далее уже происходит конденсация.

Содержание воды в жидкостях выражают в массовых процентах, отнесенных или к полной массе жидкости (влажность) или к массе безводной ее части (влагосодержание), а также в абсолютных единицах грамм или, чаще, миллиграмм воды в одном литре жидкости [мг/л].