Umiditate relativă - Relative humidity

Umiditate și higrometrie
Muntele pădurii norilor kinabalu.jpg
Concepte specifice
Concepte generale
Măsuri și instrumente

Umiditatea relativă ( HR ) este raportul dintre presiunea parțială a vaporilor de apă și presiunea de vapori de echilibru a apei la o temperatură dată. Umiditatea relativă depinde de temperatură și de presiunea sistemului de interes. Aceeași cantitate de vapori de apă are ca rezultat o umiditate relativă mai mare în aerul rece decât aerul cald. Un parametru asociat este punctul de rouă .

Definiție

Umiditatea relativă sau a unui amestec aer-apă este definită ca raportul dintre presiunea parțială a vaporilor de apă din amestec și presiunea de vapori de echilibru a apei pe o suprafață plană de apă pură la o temperatură dată:

Umiditatea relativă este exprimată în mod normal ca procent ; un procent mai mare înseamnă că amestecul aer-apă este mai umed. La umiditate relativă 100%, aerul este saturat și se află la punctul său de rouă .

Semnificaţie

Control climatic

Controlul climatului se referă la controlul temperaturii și umidității relative în clădiri, vehicule și alte spații închise în scopul asigurării confortului, sănătății și siguranței umane și a îndeplinirii cerințelor de mediu ale mașinilor, materialelor sensibile (de exemplu, istorice) și tehnice procese.

Umiditate relativă și confort termic

Alături de temperatura aerului , temperatura radiantă medie, viteza aerului , rata metabolică și nivelul îmbrăcămintei, umiditatea relativă joacă un rol în confortul termic al omului . Conform standardului ASHRAE 55-2017: Condiții termice de mediu pentru ocuparea omului , confortul termic interior poate fi realizat prin metoda PMV cu umidități relative cuprinse între 0-100%, în funcție de nivelurile celorlalți factori care contribuie la confortul termic. Cu toate acestea, intervalul recomandat de umiditate relativă interioară în clădirile cu aer condiționat este în general de 30-60%.

În general, temperaturile mai ridicate vor necesita umidități relative mai mici pentru a atinge confortul termic în comparație cu temperaturile mai scăzute, cu toți ceilalți factori menținuți constanți. De exemplu, cu nivelul de îmbrăcăminte = 1, rata metabolică = 1,1 și viteza aerului 0,1 m / s, o modificare a temperaturii aerului și a temperaturii radiante medii de la 20 ° C la 24 ° C ar reduce umiditatea relativă maximă acceptabilă de la 100% la 65% pentru a menține condițiile de confort termic. CBE Instrumentul de confort termic poate fi utilizat pentru a demonstra efectul de umiditate relativă pentru condiții specifice de confort termic și poate fi utilizat pentru a demonstra conformitatea cu ASHRAE 55-2017.

Atunci când se utilizează modelul adaptiv pentru a prezice confortul termic în interior, umiditatea relativă nu este luată în considerare.

Deși umiditatea relativă este un factor important pentru confortul termic, oamenii sunt mai sensibili la variațiile de temperatură decât la modificările umidității relative. Umiditatea relativă are un efect mic asupra confortului termic în aer liber atunci când temperaturile aerului sunt scăzute, un efect ușor mai pronunțat la temperaturi moderate ale aerului și o influență mult mai puternică la temperaturi mai ridicate ale aerului.

Disconfort uman cauzat de umiditatea relativă scăzută

În climatul rece, temperatura exterioară determină o capacitate mai mică de curgere a vaporilor de apă. Deși poate ninge și umiditatea relativă în aer liber este mare, odată ce aerul intră într-o clădire și se încălzește, noua sa umiditate relativă este foarte scăzută (ceea ce înseamnă că aerul este foarte uscat), ceea ce poate provoca disconfort. Pielea uscată crăpată poate rezulta din aerul uscat.

Umiditatea scăzută face ca pasajele nazale care acoperă țesuturile să se usuce, să crape și să devină mai susceptibile la pătrunderea virusurilor de rinovirus rece. Umiditatea scăzută este o cauză frecventă a sângerărilor nazale . Utilizarea unui umidificator în case, în special în dormitoare, poate ajuta la aceste simptome.

Umiditățile relative interioare trebuie menținute peste 30% pentru a reduce probabilitatea uscării pasajelor nazale ale ocupantului.

Oamenii se pot simți confortabili într-o gamă largă de umidități, în funcție de temperatură - de la 30-70% - dar în mod ideal între 50 % și 60 %. Umiditatea foarte scăzută poate crea disconfort, probleme respiratorii și agrava alergiile la unele persoane. Iarna, este recomandabil să mențineți umiditatea relativă la 30% sau mai mult. Umiditățile relative extrem de scăzute (sub 20 %) pot provoca, de asemenea, iritații ale ochilor.

Clădiri

Pentru controlul climatului în clădiri care utilizează sisteme HVAC , cheia este menținerea umidității relative la un interval confortabil - suficient de scăzut pentru a fi confortabil, dar suficient de ridicat pentru a evita problemele asociate aerului foarte uscat.

Când temperatura este ridicată și umiditatea relativă scăzută, evaporarea apei este rapidă; solul se usucă, hainele umede atârnate pe o linie sau raft se usucă rapid și transpirația se evaporă ușor de pe piele. Mobilierul din lemn se poate micșora, provocând fractura vopselei care acoperă aceste suprafețe.

Când temperatura este scăzută și umiditatea relativă este ridicată, evaporarea apei este lentă. Când umiditatea relativă se apropie de 100 %, poate apărea condens pe suprafețe, ceea ce duce la probleme cu mucegaiul , coroziunea, degradarea și alte deteriorări legate de umiditate. Condensarea poate prezenta un risc pentru siguranță, deoarece poate promova creșterea putregaiului mucegaiului și a lemnului, precum și înghețarea ieșirilor de urgență închise.

Anumite procese și tratamente tehnice și de producție din fabrici, laboratoare, spitale și alte instalații necesită menținerea unor niveluri specifice de umiditate relativă folosind umidificatoare, dezumidificatoare și sisteme de control asociate.

Vehicule

Principiile de bază pentru clădiri, de mai sus, se aplică și vehiculelor. În plus, pot exista considerații de siguranță. De exemplu, umiditatea ridicată în interiorul unui vehicul poate duce la probleme de condens, cum ar fi aburirea parbrizelor și scurtcircuitarea componentelor electrice. În vehicule și vase sub presiune, cum ar fi avioane sub presiune , submersibile și nave spațiale , aceste considerații pot fi esențiale pentru siguranță și sunt necesare sisteme complexe de control al mediului, inclusiv echipamente pentru menținerea presiunii .

Aviaţie

Avioanele operează cu umiditate relativă internă scăzută, adesea sub 20 %, în special pe zborurile lungi. Umiditatea scăzută este o consecință a aspirării aerului foarte rece cu o umiditate absolută scăzută, care se găsește la altitudini de croazieră ale avioanelor. Încălzirea ulterioară a acestui aer scade umiditatea sa relativă. Acest lucru provoacă disconfort, cum ar fi durerea ochilor, pielea uscată și uscarea mucoasei, dar umidificatoarele nu sunt folosite pentru a-l ridica la niveluri confortabile la nivel mediu, deoarece volumul de apă necesar pentru a fi transportat la bord poate fi o penalitate semnificativă în greutate. Pe măsură ce avioanele coboară de la altitudini mai reci în aer mai cald (poate chiar zboară printre nori la câteva mii de metri deasupra solului), umiditatea relativă ambientală poate crește dramatic. O parte din acest aer umed este de obicei atras în cabina aeronavei sub presiune și în alte zone nepresurizate ale aeronavei și se condensează pe pielea rece a aeronavei. Apa lichidă poate fi văzută de obicei curgând de-a lungul pielii avionului, atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul cabinei. Datorită schimbărilor drastice ale umidității relative din interiorul vehiculului, componentele trebuie să fie calificate să funcționeze în aceste medii. Calificările de mediu recomandate pentru majoritatea componentelor aeronavelor comerciale sunt enumerate în RTCA DO-160.

Aerul rece și umed poate favoriza formarea de gheață, care este un pericol pentru aeronave, deoarece afectează profilul aripii și crește greutatea. Motoarele cu carburator prezintă un pericol suplimentar de formare a gheții în interiorul carburatorului . Rapoartele meteorologice din aviație ( METAR ) includ, prin urmare, o indicație a umidității relative, de obicei sub forma punctului de rouă .

Piloții trebuie să ia în considerare umiditatea la calcularea distanțelor la decolare, deoarece umiditatea ridicată necesită piste mai lungi și va scădea performanța de urcare.

Altitudinea densității este altitudinea raportată la condițiile standard ale atmosferei (International Standard Atmosphere) la care densitatea aerului ar fi egală cu densitatea aerului indicată la locul de observare sau, cu alte cuvinte, înălțimea măsurată în termeni de densitate mai degrabă decât distanța față de sol. "Density Altitude" este altitudinea presiunii ajustată pentru temperatura nestandardă.

O creștere a temperaturii și, într-un grad mult mai mic, a umidității, va determina o creștere a altitudinii densității. Astfel, în condiții de căldură și umiditate, altitudinea densității la o anumită locație poate fi semnificativ mai mare decât altitudinea reală.

Măsurare

Un higrometru este un dispozitiv utilizat pentru măsurarea umidității aerului.

Umiditatea unui amestec de aer și vapori de apă este determinată prin utilizarea unor diagrame psihometrice dacă sunt cunoscute atât temperatura bulbului uscat ( T ), cât și temperatura bulbului umed ( T w ) a amestecului. Aceste cantități sunt ușor estimate prin utilizarea unui psihrometru cu curea .

Există mai multe formule empirice care pot fi utilizate pentru a estima presiunea de vapori de echilibru a vaporilor de apă în funcție de temperatură. Ecuația Antoine este printre cel mai complex dintre acestea, având doar trei parametri ( A , B și C ). Alte formule, cum ar fi ecuația Goff-Gratch și aproximarea Magnus-Tetens , sunt mai complicate, dar oferă o precizie mai bună.

Ecuația Arden Buck este frecvent întâlnită în literatura de specialitate cu privire la acest subiect:

unde este temperatura bulbului uscat exprimată în grade Celsius (° C), este presiunea absolută exprimată în milibari și este presiunea vaporilor de echilibru exprimată în milibari. Buck a raportat că eroarea relativă maximă este mai mică de 0,20% între -20 și +50 ° C (-4 și 122 ° F) atunci când această formă particulară a formulei generalizate este utilizată pentru a estima presiunea de vapori de echilibru a apei.

Vaporii de apă sunt independenți de aer

Noțiunea de aer care „reține” vaporii de apă sau că este „saturată” de acesta este adesea menționată în legătură cu conceptul de umiditate relativă. Totuși, acest lucru este înșelător - cantitatea de vapori de apă care intră (sau poate intra) într-un spațiu dat la o anumită temperatură este aproape independentă de cantitatea de aer (azot, oxigen etc.) care este prezentă. Într-adevăr, un vid are aproximativ aceeași capacitate de echilibru de a reține vaporii de apă ca același volum umplut cu aer; ambele sunt date de presiunea de vapori de echilibru a apei la temperatura dată. Există o diferență foarte mică descrisă la „Factorul de îmbunătățire” de mai jos, care poate fi neglijat în multe calcule, cu excepția cazului în care este necesară o precizie ridicată.

Dependența de presiune

Umiditatea relativă a unui sistem aer-apă depinde nu numai de temperatură, ci și de presiunea absolută a sistemului de interes. Această dependență este demonstrată luând în considerare sistemul aer-apă prezentat mai jos. Sistemul este închis (adică nu intră sau iese materie din sistem).

Modificări ale umidității relative.png

Dacă sistemul din starea A este încălzit izobaric (încălzire fără schimbarea presiunii sistemului), atunci umiditatea relativă a sistemului scade deoarece presiunea de vapori de echilibru a apei crește odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru este prezentat în statul B.

Dacă sistemul din starea A este comprimat izoterm (comprimat fără nicio modificare a temperaturii sistemului), atunci umiditatea relativă a sistemului crește deoarece presiunea parțială a apei din sistem crește odată cu reducerea volumului. Acest lucru este prezentat în starea C. Peste 202,64 kPa, HR ar depăși 100% și apa poate începe să se condenseze.

Dacă presiunea stării A ar fi fost modificată prin simpla adăugare de aer uscat, fără a modifica volumul, umiditatea relativă nu s-ar schimba.

Prin urmare, o modificare a umidității relative poate fi explicată printr-o modificare a temperaturii sistemului, o modificare a volumului sistemului sau o modificare a ambelor proprietăți ale sistemului.

Factor de îmbunătățire

Factorul de îmbunătățire este definit ca raportul dintre presiunea vaporilor saturați a apei din aerul umed și presiunea vaporilor saturați a apei pure:

Factorul de îmbunătățire este egal cu unitatea pentru sistemele de gaz ideale. Cu toate acestea, în sistemele reale efectele de interacțiune dintre moleculele de gaz au ca rezultat o creștere mică a presiunii de vapori de echilibru a apei din aer în raport cu presiunea de vapori de echilibru a vaporilor de apă pură. Prin urmare, factorul de îmbunătățire este în mod normal puțin mai mare decât unitatea pentru sistemele reale.

Factorul de îmbunătățire este utilizat în mod obișnuit pentru a corecta presiunea de vapori de echilibru a vaporilor de apă atunci când relațiile empirice, cum ar fi cele dezvoltate de Wexler, Goff și Gratch, sunt utilizate pentru a estima proprietățile sistemelor psihrometrice.

Buck a raportat că, la nivelul mării, presiunea vaporilor de apă în aerul umed saturat se ridică la o creștere de aproximativ 0,5% față de presiunea de vapori de echilibru a apei pure.

Concepte conexe

Termenul de umiditate relativă este rezervat sistemelor de vapori de apă din aer. Termenul de saturație relativă este folosit pentru a descrie proprietatea analogă pentru sistemele constând dintr-o fază condensabilă, alta decât apa, într-o fază necondensabilă, alta decât aerul.

Alte fapte importante

Umiditate relativă.png

Un gaz în acest context este denumit saturat atunci când presiunea de vapori a apei din aer este la presiunea de vapori de echilibru pentru vaporii de apă la temperatura amestecului de gaze și vapori de apă; apa lichidă (și gheața, la temperatura corespunzătoare) nu vor pierde masa prin evaporare atunci când sunt expuse la aerul saturat. Poate corespunde și posibilității formării de rouă sau ceață , într-un spațiu care nu are diferențe de temperatură între porțiunile sale, de exemplu ca răspuns la scăderea temperaturii. Ceața constă din picături foarte mici de lichid, ținute în primul rând prin mișcare izostatică (cu alte cuvinte, picăturile cad prin aer la viteza terminală, dar, deoarece sunt foarte mici, această viteză terminală este foarte mică, de aceea nu priviți-ne de parcă ar cădea și par a fi înălțați).

Afirmația că umiditatea relativă ( RH %) nu poate fi niciodată peste 100 %, în timp ce este un ghid destul de bun, nu este absolut exactă, fără o definiție mai sofisticată a umidității decât cea dată aici. Formarea norilor, în care particulele de aerosoli sunt activate pentru a forma nuclee de condensare a norilor , necesită suprasaturarea unei pachete de aer la o umiditate relativă de puțin peste 100 %. Un exemplu la scară mai mică se găsește în camera de nor Wilson în experimentele de fizică nucleară, în care o stare de suprasaturare este indusă pentru a-și îndeplini funcția.

Pentru un punct de rouă dat și umiditatea absolută corespunzătoare , umiditatea relativă se va schimba invers, deși neliniar, cu temperatura . Acest lucru se datorează faptului că presiunea parțială a apei crește odată cu temperatura - principiul operativ din spatele tuturor, de la uscătoare de păr la dezumidificatoare .

Datorită potențialului în creștere pentru o presiune parțială mai mare a vaporilor de apă la temperaturi mai ridicate ale aerului, conținutul de apă din aer la nivelul mării poate ajunge până la 3% din masă la 30 ° C (86 ° F) comparativ cu cel mult aproximativ 0,5 % din masă la 0 ° C (32 ° F). Acest lucru explică nivelurile scăzute (în absența măsurilor de adăugare a umezelii) de umiditate în structurile încălzite în timpul iernii, rezultând pielea uscată , mâncărimea ochilor și persistența sarcinilor electrice statice . Chiar și cu saturație (100% umiditate relativă) în aer liber, încălzirea aerului infiltrat din exterior care intră în interior crește capacitatea de umiditate, care scade umiditatea relativă și crește ratele de evaporare de pe suprafețele umede din interior (inclusiv corpuri umane și plante de uz casnic.)

În mod similar, în timpul verii în climatul umed, o mare cantitate de apă lichidă se condensează din aerul răcit în aparatele de aer condiționat. Aerul mai cald este răcit sub punctul său de rouă, iar excesul de vapori de apă se condensează. Acest fenomen este același cu cel care determină formarea de picături de apă în exteriorul unei cești care conține o băutură rece ca gheața.

O regulă utilă este că umiditatea absolută maximă se dublează la fiecare creștere a temperaturii de 20 ° F (11 ° C). Astfel, umiditatea relativă va scădea cu un factor de 2 pentru fiecare creștere a temperaturii de 20 ° F (11 ° C), presupunând conservarea umidității absolute. De exemplu, în intervalul de temperaturi normale, aerul la 20 ° C (68 ° F) și umiditatea relativă de 50% se saturează dacă este răcit la 10 ° C (50 ° F), punctul său de rouă și 5 ° C (5) ° C) aerul la 80% umiditate relativă încălzită la 68 ° F (20 ° C) va avea o umiditate relativă de doar 29% și se va simți uscat. Prin comparație, standardul de confort termic ASHRAE 55 necesită sisteme concepute pentru a controla umiditatea pentru a menține un punct de rouă de 16,8 ° C (62,2 ° F), deși nu este stabilită o limită inferioară de umiditate.

Vaporii de apă sunt un gaz mai ușor decât alte componente gazoase ale aerului la aceeași temperatură, astfel încât aerul umed va tinde să crească prin convecție naturală . Acesta este un mecanism din spatele furtunilor și al altor fenomene meteorologice . Umiditatea relativă este adesea menționată în prognozele și rapoartele meteo , deoarece este un indicator al probabilității de rouă sau ceață. În vremea caldă de vară , crește și temperatura aparentă pentru oameni (și alte animale ) prin împiedicarea evaporării transpirației de pe piele pe măsură ce umiditatea relativă crește. Acest efect este calculat ca indice de căldură sau humidex .

Un dispozitiv folosit pentru măsurarea umidității se numește higrometru ; unul folosit pentru reglarea acestuia se numește umidistat sau uneori higrostat . (Acestea sunt similare cu un termometru și , respectiv, termostat pentru temperatură.)

Vezi si

Referințe

Citații

Surse

linkuri externe