Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости . Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажности.

Единицы измерения и особенности определения понятия «влажность»

• Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность ) или её объёма (объёмная влажность ).
• Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью - количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины. Эту величину не всегда можно точно измерить, так как в ряде случаев невозможно удалить всю неконденсированную воду и взвесить предмет до и после этой операции.
• Относительная влажность характеризует содержание влаги по сравнению с максимальным количеством влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия . Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

Методы определения

Установление степени влажности многих продуктов, материалов и т. п. имеет важное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и др.) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность животных и растительных организмов возможна только в определённых диапазонах влажности и относительной влажности воздуха. Влажность может вносить существенную погрешность в массу предмета. Килограмм сахара или зерна с влажностью 5 % и 10 % будет содержать разное количество сухого сахара или зерна.

Измерение влажности определяется высушиванием влаги и титрованием влаги по Карлу Фишеру . Эти способы являются первичными. Помимо них разработано множество других, которые калибруются по результатам измерений влажности первичными способами и по стандартным образцам влажности.

Влажность воздуха

Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли - одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата .

Относительная влажность обычно выражается в процентах.

Относительная влажность очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85 % и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы. Низкие значения относительной влажности наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50 % и ниже).

С высотой влажность быстро убывает. На высоте 1,5-2 км упругость пара в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу приходится 99 % водяного пара атмосферы. В среднем над каждым квадратным метром земной поверхности в воздухе содержится 28,5 кг водяного пара.

Величины измерения влажности газа

Для обозначения содержащейся в воздухе влаги используются следующие величины:

Влажность воздуха является одним из параметров (наряду с температурой и давлением), которые определяют самочувствие человека и условия комфорта или дискомфорта. Вместе с тем влажность технологических газов (воздух, азот, аргон, кислород, водород и т. д.), используемых в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства решающим образом влияет на качество (а часто и количество) выпускаемой продукции. Поэтому задача измерения влажности газов является весьма распространенной и актуальной. В данной работе мы достаточно кратко рассмотрим основные термины и величины, используемые в гигрометрии, методы измерения влажности и некоторые проблемы и ошибки возникающие при этом.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Для количественной оценки влажности газов используется целый ряд характеристик, причем в определенных областях науки и техники находят преимущественное применение те или иные из них. Наиболее часто из них используются следующие единицы: проценты относительной влажности, температура выпадения росы (в градусах Цельсия), абсолютная влажность (в г/м 3), объемное влагосодержание (в объёмных процентах или миллионных долях - ррm ). Между этими единицами существует взаимосвязь которая в общем виде может быть выведена из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона. Подробно эти соотношения рассмотрены, например в монографии [I]. Для перевода различных единиц влажности из одной в другую существуют также специальные гигрометрические таблицы (рассчитанные на основании математических выражений). Все гигрометрические величины можно разделить на несколько групп.

I. К величинам характеризующим концентрацию водяного пара относятся:

1. Абсолютная влажность а (обычно выражаемая в г/м 3), то есть масса водяного пара, содержащегося в единице объёма газа.

2. Упругость или парциальное давление водяного пара е, выражается в единицах давления - мм рт. ст., или миллибарах. При определенной температуре Т значения величины упругости водяного пара могут изменяться в пределах от 0 до максимального значения Е - характеризующего полное (максимальное). насыщение газа парами воды. (Правда для пересыщенного газа возможно е>Е).

II. К величинам характеризующим влажностные отношения.относятся:

3. Влагосодержание (отношение смеси) d , то есть отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объёме, выраженное в безразмерных единицах (г/г или кг/кг). Эту величину можно также рассматривать как отношение плотности водяного пара к плотности сухого газа в одинаковых условиях. Реже используется отношение массы водяного пара к массе (суммарной) влажного газа, называемое удельной влажностью - q , выражаемое в тех же единицах, что и влагосодержание.

4. Объёмное влагосодержание х (безразмерная величина) равная отношению объёма водяного пара к объёму газа. Также как и в предыдущем случае эту величину можно выразить по отношению к объёму сухого (х 0) или влажного газа (х).Влагосодержание и объёмное влагосодержание обычно используют для характеристики очень малых содержаний водяного пара. В этом случае удобной единицей измерения является миллионная доля - млн-1 или в международном обозначении - ррт (сокращение по первым буквам от part per million ). Естественно при этом 1 ppm = 10 −6 = 10 −4%. В технической литературе эту единицу измерения влагосодержания часто обозначают ррmw (т. е. массовая или весовая), долю объёмного влагосодержания ppmv (т. е. объёмная).

5. Молярная доля водяного пара s , равняется отношению числа молей водяного пара к общему числу молей влажного газа.

III. Температура точки росы.

6. По определению Всемирной Метеорологической Организации (ВМО), термодинамическая температура точки росы (льда) влажного воздуха при давлении р и отношении смеси d есть температура, при которой влажный воздух, насыщенный по отношению к воде (льду) при том же давлении р, имеет отношение смеси, равное данному отношению смеси d. Следовательно, точка росы (льда) равна температуре, которую примет влажный газ, если охладить его изобарически до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды (льда). При одном и том же состоянии влажного воздуха, у которого точка льда < О, точка росы всегда ниже точки льда.

В техническом плане - температура точки росы это температура при которой на охлаждаемой поверхности зеркала выпадает конденсат (т. е. «роса»).

IV. Относительная влажность.

7. Относительная влажность равна отношению действительной влажности газа к его максимально возможной влажности, соответствующей насыщению при данной температуре. Следовательно эта величина характеризует степень насыщения газа водяным паром. Величина абсолютной влажности при постоянной относительной влажности является функцией температуры. А при одинаковом значении абсолютной влажности, но различной температуре, (что имеет место при поступлении воздуха с улицы в помещение) газ имеет различные значения относительной влажности. Относительная влажность выражается в относительных единицах (0<отн.влажность<1) или, чаще, в процентах (Q <отн.влажность <100%). Её можно вычислить с помощью различных, ранее рассмотренных единиц влажности. На практике для вычисления отн.влажности чаще всего используют значения упругости насыщенного пара Е, полученные из справочных таблиц или диаграмм. При температурах ниже 0°С эту величину можно определять для водяного пара в равновесии с водой или льдом. Общепринятым является определение относительной влажности при любых температурах по Ед.

В таблице 1 приводятся формульные соотношения различных единиц влажности, а в таблице 2 приведены численные соотношения различных единиц влажности при 20°С. В большинстве случаев все эти соотношения выводятся из уравнения Менделеева-Клапейрона. При этом исходят из того, что при обычных температурах и давлениях влажные газовые смеси и воздух, а также их компоненты с точностью, достаточной для большинства практических задач, подчиняются законам идеальных газов.

Наиболее сложный вид имеет зависимость упругости насыщенного водяного пара от температуры. Всемирная метеорологическая организация рекомендует использовать в качестве наиболее точной для воды следующую формулу при температурах от −50 до +100°С.

lgE в =10,79574(l-T o /T)-5,028001g (T/T o)+i, 50475.10-4+

0,42873.10-3 + 0,78614

В данной формуле Ед выражено в миллибарах. На практике обычно пользуются рассчитанными по этой формуле таблицами. Часть из них приведена в таблице 3 .

Методы контроля влажности достаточно подробно изложены в монографиях .

Теперь кратко рассмотрим некоторые проблемы, которые могут возникнуть при измерениях относительной влажности с помощью прибора ИВТМ-7.

При измерениях влажности в помещениях следует помнить, что воздух в помещения в основном поступает с улицы. При этом часто,.особенно зимой, температура на улице и в помещении отличаются. В прогнозе погоды передаваемому по радио или телевидению указываются температура и относительная влажность воздуха (естественно на улице). Относительная влажность равна отношению действительной влажности газа к его максимальной возможной влажности, соответствующей насыщению при данной температуре.

В качестве примера можно рассмотреть следующую ситуацию: температура воздуха на улице −10°С, относительная влажность 99%, температура воздуха в помещении при этом +20°С. В этом случае относительная влажность воздуха в помещении будет 11% (!). На практике 99%-ная (или 100%-ная) влажность бывает достаточно редко, обычно она ниже - в этом случае в комнате влажность будет ещё более низкой! Поэтому зимой в помещениях обычно сухо. Конечно в помещении могут быть свои внутренние источники влаги - емкости с водой (например, аквариум), кипящий чайник, люди - которые выдыхают воздух насыщенный парами воды и т. д. или кондиционер.

Летом, когда разница между температурой на улице и в помещении, обычно не очень велика - влажность в помещении может быть достаточно высокой. Однако при этом также необходимо учитывать разность температур между улицей и помещением. Часто может наблюдаться ситуация когда помещение с солнечной стороны прогревается до 30 градусов и выше, а на улице температура 17-18°С, или противоположная ситуация когда на улице на солнце температура может достигать 35°С, а в полуподвальном помещении прохладно (те же 18°С) и при этом, естественно более влажно чем на улице.

Следует также помнить, что любой прибор (и в том числе ИВТМ-7) измеряет влажность непосредственно в месте расположения измерительного зонда. В тоже время даже в небольшом по размерам помещении влажность в различных точках может существенно отличаться (до 20 - 30%). Это происходит из-за уже упомянутых локальных источников влаги (или её поглотителей) и существования слабых конвекционных потоков (сквозняки и т. п.). Для точных измерений влажности необходимо, чтобы установилось термодинамическое равновесие между температурой измеряемого воздуха и температурой сенсора, то есть нужно чтобы первоначально точно установилась температура показываемая прибором и после этого можно считывать показания влажности.

Для приблизительной оценки уровня влажности при той или иной температуре можно воспользоваться приводимой ниже таблицей 2 соотношения различных единиц влажности при температуре 20°С. (Для примера Вы можете взять вышеупомянутый случай для температуры −10°С).

Литература

1. М. А. Берлинер - Измерения влажности. с. 199–207 (м, “Энергия”, 1973 г.)

2. Дж. Митчелл, д. Смит Акваметрия (перевод с английского), М., Химия, 1980 г., 600 с.

В пирометрии объектами измерения являются содержащие вла­гу (влажные) газы, воздух и газовые смеси. Влажный незагрязнен­ный воздух можно рассматривать как бинарную смесь сухого воз­духа и водяного пара, для которой характерны изменения содержа­ния водяного пара в очень широких пределах (для атмосферного воздуха от 2-Ю-6 до 4-5% объемных). Критические температуры Тк всех газов, входящих в состав атмосферного воздуха, очень низки. Как известно, при температуре выше критической (Т>ТК ) газ может находиться только в газообразном состоянии при любых значениях давления. Чем выше температура газа по сравнению с критической и чем меньше его давление по сравнению с давлением насыщения, тем ближе газ по своим физическим свойствам к идеальному газу. Поэтому при обычных температурах и давлениях влажные газовые смеси и воздух, а также их компоненты с точностью, достаточной для большинства практических задач, подчиняются законам идеаль­ных газов:

А)4 закону парциальных давлений Дальтона:

Р=£ Pi .

Где р - общее давление газа; K - общее число компонентов смеси идеальных газов; рt - парциальное давление £-го компонента.

Согласно этому закону полное (барометрическое) давление воз­духа:

Где рс, Є - парциальные давленяя, соответственно сухого воздуха и водяного пара.

Б) уравнению состояния идеального газа: PiVi = RiTi ,

Где Ри Vi, Ті - давление, объем и термодинамическая температура (°К) газа; Ri - удельная газовая постоянная і-го газа.

Удельная газовая постоянная связана с универсальной газовой постоянной R соотношением Ri = R / Mi (М І - молекулярная масса і-го газа). Значения удельной газовой постоянной равны: для сухого воздуха Rc = 287 м2/(сек2 ■ град), для водяного пара Ru = =461 м2/(сек2 град), для влажного воздуха RB зависит от его влаж­ности.

В действительности воздух и газовые смеси представляют собой неидеальные газы, отклонение свойств которых от свойств идеального газа в общем увеличивается с понижением температуры и повыше­нием давления. Уравнение состояния чистого реального газа можно записать в виде {Л. 6-1]

PV /RT=Z(p, Т),

Где Z - коэффициент сжимаемости, являющийся функцией давления» р и температуры Т. Эту функцию описывает вириальное уравнение состояния:

PV/RT= 1 +BIV+CIV2+p/V3+

Где В, С, D - соответственно второй, третий, четвертый и т. д. ви - риальные коэффициенты, характеризующие отклонения от уравнения состояния идеального газа вследствие взаимодействия между парами, тройками, четверками и т. д. молекул. Коэффициенты В, С, D ... являются функциями только температуры Т и химической природы данного газа; их определяют теоретическим расчетом или эксперимен­том. Характеристики влажного воздуха, рассчитанные по вириальному уравнению, имеют отклонения от значений, полученных для идеаль­ных газов; в обычных условиях эги отклонения незначительны.

Некоторые величины, характеризующие влажность газов (гигро - метрические характеристики), связаны с упругостью насыщения (ма­ксимальной упругостью) Е, которая характеризует состояние насы­щения газа водяным паром. При температурах ниже критической (для воды Ти=647,30 °К=+374,15 °С) вода может содержаться в газе в трех фазах: жидкой, газообразной (в виде водяного пара) и твердой (лед). Тройная точка воды на фазовой диаграмме, соот­ветствующая равновесию всех трех фаз, имеет координаты Тв= =273,16 °К (fc=+0,01°C) и ро=610,6 н/м2 (6,1114 мбар). В этой точ­ке упругость насыщения над водой и льдом одинакова и равна рв- Для гигрометрии важно то, что при температурах ниже Т0 водяной пар может находиться в динамическом равновесии с водой или со льдом. При данном значении температуры Т<То приходится рассматривать насыщение относительно воды и относительно льда, причем значение максимальной упругости водяного пара относительно плоской по­верхности чистой переохлажденной воды (£„) больше этой упругости относительно чистого льда (Ел), т. е. ЕВ>Е„.

Упругости насыщения Ев и Ел являются функциями темпера­туры Т и давления р газа; при давлениях ниже 10 кгс/см2 их можно рассматривать как функции одной переменной Т. Для описания функций Е В (7*) и Ел (Т) были предложены многочисленные формулы.

Некоторые из них основаны на уравнении Клаузиуса - Клапей­рона, которое для перехода водач^водяной пар имеет вид:

DE L dT _ L dT E ~ARn T2 k Ts "

Где L - удельная скрытая теплота "парообразования; K = ARu - по­стоянная (Л - термический эквивалент работы, Rn - удельная газо­вая постоянная водяного пара).

Е L / 1 1

Где Ев - упругость насыщения при температуре Т0. Более точная формула учитывает зависимость L от температуры /:

£=£о+ (Срп-сБ)/,

Где Лс -"Значение L - при i/=0°C; Cv „ - удельная теплоемкость водя­ного пара при постоянном давлении; св - удельная теплоемкость воды. Величины Срп и си можно считать ие зависящими от темпера­туры.

Формулу (6-1)

Можно применить н для вычисления /" .>: при усло­вии замены в ней L на Lc - удельную скрытую теплоту сублимации (перехода: лед^водяиой пар).

На практике обычно пользуются эмпирическими зависимостями Е(Т). Одна из наиболее распространенных.(формула Магнуса) имеет следующий вид:

At

Е= Ј0106+",

Где T - температура, °С; a, B - постоянные, имеющие неодинаковое значение для Е Е и Е Л.

Значения постоянных о, Ь, а также ряд других эмпирических формул для расчета £в и Ел приведены в |[Л. 0-9]. Всемирная метео­рологическая организация (ВМО) рекомендовала в 1961 г. в качестве наиболее точных следующие формулы:

6. По определению, принятому іВМО, термодинами­ческая температура точки росы (льда) Тв(тл) влажного воздуха при давлении р и отношении смеси D есть тем­пература, лри которой влажный воздух, насыщенный по отношению к воде (льду) при том же давлении р, имеет отношение - смеси, равное данному отношению смеси D . Следовательно, точка росы "(льда) равна температуре, которую примет влажный газ, если охладить его изоба­рически до полного насыщения по отношению к - плоской поверхности воды (льда). При одном и том же состоя­нии влажного воздуха, у которого тл<0°С, точка росы всегда ниже точки льда тв<тл.

Г) Относительная влажность

7. Относительная влажность ср равна отношению дей­ствительной влажности газа к его максимальной воз­можной влажности, соответствующей насыщению при данной температуре. Следовательно, величина ф харак­теризует степень насыщения газа водяным паром и в связи с этим находит применение во многих отраслях науки и техники. Величина абсолютной влажности при постоянной относительной влажности является функцией температуры. Относительная влажность выражается в относительных единицах (O^"tp^l) или в процентах (0^ф^100%)- Ее можно вычислить с помощью различ­ных, рассмотренных выше характеристик влажности. По последнему определению ВМО относительная влажность (фв) выражается отношением молярной доли водяного пара исследуемого воздуха к молярной доле при насы­щении воздуха по отношению к воде (льду) при тех же значениях температуры и давления. Кроме того, значе­ние <р можно вычислить по отношениям следующих ве­личин для исследуемого и насыщенного воздуха: абсо­лютной влажности а, упругости е, отношения смеси d и удельной влажности Q . Соответствующие численные зна­чения (обозначим их фа, фе, (Pd , Фс) будут несколько от­личаться друг от друга. Относительная влажность связа­на с температурой точки росы т и температурой газа t (t^r) соотношением

Где Ет - упругость насыщенного пара при температу­ре т; Et - упругость насыщенного пара при температуре t. На практике для вычисления относительной влажно­сти чаще всего используют значения упругости насыщен­ного пара Е, полученные из справочных таблиц или диа­грамм. В дальнейшем, если не будет особых оговорок, примем:

V, %> = ?■%>=-§- 100 = ҐS100.

При температурах ниже - О °С эту величину можно определять для водяного пара в равновесии с водой (<рБ) или льдом (фл). Так как"для одной и той же температу­ры Ее>Ел, то всегда фв^фл - Общепринятым является определение - относительной влажности -при любых тем­пературах по Ев; ниже, при отсутствии оговорок, подра­зумевается Ср = фъ-

Приведенный перечень не охватывает некоторых ме­нее употребляемых величин, например: дефицит влаж­ности D (недостаток - насыщения)-разность (при дан­ном состоянии газа) максимальной возможной и дейст­вительной упругостей - газа D = E- Є, причем в отношении выбора величины Е остаются >B силе соображения, вы­сказанные для относительной влажности; дефицит точки росы - разность температур газа и его точки росы; осаж­денный слой воды - см. § 9-2. Однако наличие даже ше- сти-семи характеристик, выраженных различными еди­ницами измерения, - вызывает существенные неудобства. В частности, это обстоятельство препятствует унифика­ции гигрометров - существующие приборы имеют шка­лы, градуированные в разных единицах.

■Поэтому вполне закономерны попытки сокращения числа " гигрометрических характеристик и выделения одной из них в качестве основной (базовой). Критерия­ми для сравнительной оценки различных характеристик являются простота расчета или получения" данных, воз­можность создания инструментальных средств измерения и область применения, в частности наличие приложений, где эта характеристика является единственно возмож­ной. Важнейшее качество характеристики - ее консер­вативность, т. е. сохранение. при - различных процессах. С этой точки зрения в США в качестве базовой величи­ны выбрано отношение смеси D . При пользовании этой характеристикой отпадает необходимость указания тем­пературы и давления - газа, при которых определялось значение D . Кроме того, предлагалось "[Л. 6-3] сохранить относительную влажность и точку росы. Последние две характеристики позволяют вычислить и упругость водя­ного пара.

Зависимости, связывающие различные гигрометпиче - ские характеристики, легко вывести на основе свойств идеального газа. Г1пи этом переход от параметров газа ,р Г Т к рв, Тв выполняется из условия:

V„ = V - - їг-. Например, значение абсолютной ВЛаЖНО - Аі I

Сти, отнесенное-к газу при Г0= 273°К и /?0-760 мм рт. ст.,

Равно: аа=а- На основании закона Дальтона дав - Р " €

Ление-сухого газа рс определяем из выражения рс=р- Е, причем E = Sup и Pc = Scp (Sn , Sc - молярные дбли водя­ного пара и сухого газа).

Уравнение состояния идеального газа можно запи­сать в следующем виде: для водяного пара

EV=m w

Для сухого газа

ІГЛ cW----- ---

Где т, М - масса и молекулярная масса, а индексы «п» и «с» относятся к водяному пару и сухому газу.

■Отношение молекулярных масс водяного пара и су­хого газа, равное отношению их плотностей рп/рс, обо­значим у=MjJMc,=рп/.рс,; для воздуха принимаем v= = 0,62198 (в-расчетах v=0,622).

В табл. 6-2 - приведены основные характеристики влажности и соотношения между ними, рассчитанные на основании приведенных уравнений.