Психрометрический метод измерения влажности воздуха: зависимость интенсивности испарения от влажности и температуры

При проведении опроса среди людей, не имеющих специального физического образования, относительно того, какой предмет будет восприниматься как более холодный — полностью погруженный в холодную воду или только смоченный ею, большинство, вероятно, выберет первый вариант. Однако экспериментальная проверка опровергает это интуитивное предположение. На рисунке 44 представлена схема эксперимента с двумя термометрами, шарики которых находятся в различных условиях: один полностью погружен в воду, а второй расположен над поверхностью воды, но остается влажным благодаря обмотке из гигроскопичного материала (бумаги или ткани), один конец которой опущен в резервуар с водой. Результаты демонстрируют, что термометр А, шарик которого лишь смочен, неизменно показывает более низкую температуру по сравнению с термометром В, полностью погруженным в воду.

Рис. 44. Сравнительная схема двух термометров: термометр В с шариком, погруженным в воду, и термометр А с шариком, обернутым влажным фитилем, контактирующим с водой

Данное явление объясняется фундаментальным законом термодинамики, рассмотренным в предыдущих разделах: для фазового перехода воды из жидкого состояния в газообразное (парообразование) требуется затрата тепловой энергии. Вода, обеспечивающая теплоту, необходимую для испарения части своего объема, неизбежно охлаждается. При постоянной температуре окружающего воздуха вода в резервуаре принимает температуру этого воздуха, что и фиксирует термометр В. Шарик термометра А окружен пористым материалом с развитой поверхностью, что создает оптимальные условия для испарения воды. В сухом воздухе интенсивность испарения с поверхности влажного чехла максимальна, и необходимая для этого теплота отбирается непосредственно от воды в чехле.

Когда слой воды в обмотке шарика охлаждается ниже температуры окружающей среды, начинается процесс теплообмена: охлажденная вода поглощает теплоту от стеклянной стенки термометра, а стекло, в свою очередь, отбирает теплоту у ртути или другой термометрической жидкости. Вследствие этого термометрическое тело сжимается, и столбик жидкости в капилляре термометра А понижается. Этот процесс аналогичен механизму охлаждения при кипении без нагревания, описанному ранее, но реализуется при более низких интенсивностях парообразования. Ключевым фактором является разность парциальных давлений водяного пара у поверхности испарения и в окружающей среде.

При высокой влажности воздуха, когда атмосфера близка к насыщению водяным паром, скорость испарения с поверхности влажного чехла существенно снижается. В этом случае затраты теплоты на парообразование минимальны, вода в обмотке охлаждается незначительно, и показания термометра А лишь немного ниже показаний термометра В. Таким образом, разность температур между двумя термометрами становится количественной мерой содержания водяного пара в воздухе: чем больше эта разность, тем суше воздух, и наоборот, минимальная разность соответствует высокой влажности.

Психрометр (гигрометр психрометрический) — это прибор, состоящий из двух термометров, предназначенный для измерения влажности воздуха. В стандартной метеорологической практике сухой термометр (соответствующий термометру В в описанном эксперименте) находится не в воде, а непосредственно в воздухе для точного измерения его температуры. Влажный термометр (аналог термометра А) имеет резервуар, обернутый влажным фитилем. Психрометры являются основным инструментом для наблюдения за влажностью на метеорологических станциях и в системах климатического контроля. Описанный эксперимент с погружением одного термометра в воду служит наглядной демонстрацией того, что смоченное тело охлаждается эффективнее погруженного, что и лежит в основе психрометрического метода.

Принцип действия психрометра основан на зависимости интенсивности испарения от влажности окружающей среды. Чем суше воздух, тем активнее испаряется вода с фитиля влажного термометра, тем больше теплоты отнимается от его резервуара и тем ниже его показания относительно сухого термометра. По разности температур с помощью психрометрических таблиц или формул определяют абсолютную и относительную влажность воздуха, точку росы и другие гигрометрические параметры. Точность психрометрических измерений зависит от скорости воздушного потока около резервуаров, поэтому в стационарных метеорологических приборах часто используют принудительную вентиляцию (аспирационные психрометры).

В более широком контексте физики атмосферы процесс испарительного охлаждения играет ключевую роль в формировании микроклимата и теплообмене между поверхностью Земли и атмосферой. Транспирация растений и испарение с водных поверхностей регулируют температурный режим приземного слоя воздуха. Человек использует этот принцип в системах испарительного охлаждения, где пропускание воздуха через влажные пористые материалы позволяет снижать температуру без применения компрессионных холодильных машин. В биологии механизм терморегуляции многих организмов основан на испарении влаги с поверхности тела, что позволяет поддерживать постоянную температуру в жарких условиях.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.