На самом деле, на ощущение тепла или холода на улице влияет не только цифра на термометре. Порой гораздо более показательным в этом плане является совсем другой фактор — процентное число под названием «влажность».

Влажность — это физическая величина, которая показывает содержание водяных паров в воздухе.

Эта величина редко выходит на улицу в одиночестве: как правило, на любую прогулку она берет с собой друзей. С влажностью в физике связаны еще несколько важных понятий: испарение, конденсация, динамическое равновесие и насыщенный пар. Давай рассмотрим их по порядку.

В процессе испарения молекулы жидкости как бы отделяются от воды и взлетают вверх, уже в воздухе превращаясь в пар. Так происходит, потому что при нагревании энергия движения молекул увеличивается — и они наконец набирают нужную скорость (в науке она называется критической), чтобы (врум-врум) разогнаться как следует и вырваться с поверхности воды. 

Простой бытовой пример: кипение воды. Как правило, мы выключаем огонь под кастрюлей, как только вода в ней начинает кипеть, — ну или же уменьшаем мощность нагрева и добавляем необходимые ингредиенты. Но что случится, если так и оставить пузырящуюся жидкость на плите? С каждой минутой кипения воды в емкости будет становиться все меньше, а молекул пара в воздухе над ней — все больше. Но испарение происходит не только при нагревании до температуры кипения, но и в целом, в любой жидкости.

Обратный испарению процесс физики, химики и другие научные деятели называют конденсацией. В этом случае молекулы пара, наоборот, остывают и теряют свою кинетическую энергию, постепенно возвращаясь на поверхность воды. Наверное, в какой-то момент они понимают, что гонки окончены и уже можно расслабиться.

Как это выглядит в быту: часто после принятия горячего душа мы замечаем, что зеркало в ванной комнате запотело. Это происходит как раз из-за конденсации водяного пара из воздуха. Однако если мы откроем дверь хотя бы на пару минут, то быстро заметим, что пар, вместе с «жидкостью» на зеркале начинает исчезать.

Почему эти два процесса так важны? Потому что именно они приводят нас к следующему понятию — к динамическому равновесию. 

Глобально этот термин можно использовать в отношении любой системы, чье состояние и свойства остаются стабильными или балансируют вокруг некоторых средних значений, несмотря на происходящие процессы и изменения. Однако в нашем случае он означает, что число молекул, «покинувших» жидкость в процессе испарения, равно числу молекул, «вернувшихся» при конденсации.

И так мы приходим к бриллианту этого раздела — к насыщенному пару.

Насыщенный пар — это пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Температура воздуха, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы.

Соответственно, противоположное по значению явление — это ненасыщенный пар. Он вообще не знает о том, что такое баланс и равновесие, за современной модой не следит и разбрасывается своими молекулами как душе пожелается.

Говоря о влажности воздуха, важно понимать разницу между двумя понятиями: относительной влажностью и абсолютной. 

Абсолютная влажность просто измеряет количество водяного пара в воздухе — вне зависимости от его насыщенности или критических отметок. Проще говоря, этот показатель говорит лишь о том, сколько воды фактически находится в воздухе вокруг нас, не обращая внимание на средние результаты или максимальную вместимость.

В физике абсолютной влажностью называют плотность водяных паров в единице объема, которая показывает, какое количество пара содержится в воздухе. Эта величина обозначается буквой p и измеряется в количестве граммов на кубический метр.

где m — масса водяного пара в воздухе (г), а V — объем воздуха (м³).

Относительная же влажность показывает, насколько воздух насыщен водяным паром в сравнении с тем, сколько пара он может максимально «вместить в себя» при определенной температуре. 

Согласно определению, относительная влажность — это физическая величина, равная отношению площади пара к плотности насыщенного пара, взятого при той же температуре. Она обозначается буквой φ и измеряется в процентах.

где p — это плотность водяного пара (г/м³), а ρ0 — плотность насыщенного водяного пара при текущей температуре (г/м³, табличная величина).

Лайфхак: если при решении задачи относительная влажность воздуха получается больше 100% — возвращайся в начало и ищи ошибку в своем решении. Эта величина не может превышать показатель 100%.

​

Что еще важно знать об относительной влажности воздуха? Что для ее подсчета может пригодиться и другая формула — например, в тех случаях, когда в задаче речь идет об увеличении температуры воздуха, которое само по себе означает увеличение давления.

Для решения таких задач в физике нам необходимо обратиться к такому понятию как парциальное давление.

Парциальное давление — это давление газа из общей смеси газов в сосуде в том случае, если бы этот конкретный газ один занимал весь объем данного сосуда. 

Говоря проще, это давление, которое газ оказывал бы, если бы он был единственным газом в контейнере. Когда несколько газов находятся в одном и том же контейнере, парциальные давления каждого из них в сумме равны общему давлению смеси.

где p — парциальное давление водяного пара (Па).

Измерение влажности воздуха имеет важное значение в различных областях: от здоровья человека до технических производств. Именно поэтому ее важно измерять точно и грамотно. 

Влажность воздуха мы можем измерить при помощи двух основных приборов: гигрометра и психрометра (хотя, возможно, в особо стрессовые времена нам бы больше пригодился психометр).

Конденсационный гигрометр — это прибор, который работает на основе принципа конденсации водяного пара (помнишь, мы говорили про конденсацию в начале статьи). Действие гигрометра можно разделить на три этапа

1. Сначала поверхность прибора охлаждается до температуры, на которой начинается конденсация водяного пара.
2. Когда влажный воздух контактирует с охлажденной поверхностью, водяной пар в воздухе конденсируется в виде капель воды на этой поверхности.
3. Температура, при которой начинается конденсация, тесно связана с влажностью воздуха. Следовательно, измеряя температуру охлажденной поверхности, гигрометр определяет влажность воздуха.

Почему показания гигрометра точны? Потому что метод его работы основан на том факте, что при определенной температуре воздух может содержать лишь определенное количество водяного пара, — и при достижении этой температуры вода начинает конденсироваться. 

Прибор со странным на первый взгляд названием психрометр имеет под собой другую основу — принцип охлаждения воздуха при испарении жидкости. Вот как это выглядит на практике.

1. Психрометр состоит из двух термометров: сухого и влажного. Второй, как правило, имеет шероховатую оболочку, которую можно увлажнить водой — отсюда и название.
2. Когда этот термометр увлажняется, вода испаряется с его оболочки — и процесс испарения требует энергии. Энергия извлекается из термометра и окружающего воздуха, что приводит к охлаждению влажного термометра.
3. Затем наступает черед сравнения температур. Если влажный термометр показывает более высокую температуру, это значит, что влажность воздуха высокая.
4. По разнице между температурами термометров можно рассчитать относительную влажность воздуха, используя психрометрические таблицы или формулы.

Влажность воздуха — не просто физическая величина. Это еще и один из факторов, влияющих на абсолютно все процессы, происходящие как в природе, так и в человеческом организме. 

Отслеживанием влажности воздуха занимаются метеорологические службы — и именно на результаты их работы опираются специалисты из самых разных сфер: начиная инженерией и заканчивая медициной. 

В общем, мониторинг этого природного компонента — это тебе не хухры-мухры. Здесь все очень серьезно. Прям как в нашей рубрике «Проверь себя»!

Испарение и конденсация — это:

— Схожие процессы.

— Противоположные друг другу процессы.

— Ни то, ни другое.

Допустим, перед нами помещение с объемом воздуха 10 м³. В нем содержится 0,12 кг водяного пара. Какова абсолютная влажность воздуха в этом помещении?

— 0,8 г/м³.

— 0, 12 г/м³.

— 12 г/м³.

Если сухой термометр в психрометре показывает температуру 24°, а влажный термометр остановился на отметке 27°, какой будет относительная влажность воздуха?

— 77°.

— 84°.

— 91°.