Relativní vlhkost - Relative humidity

Vlhkost a vlhkoměr
Mount cloud mount kinabalu.jpg
Specifické koncepty
Obecné pojmy
Opatření a nástroje

Relativní vlhkost ( RH ) je poměr parciálního tlaku vodní páry k rovnovážnému tlaku vodní páry při dané teplotě. Relativní vlhkost závisí na teplotě a tlaku sledovaného systému. Stejné množství vodní páry má za následek vyšší relativní vlhkost v chladném vzduchu než v teplém vzduchu. Příbuzným parametrem je rosný bod .

Definice

Relativní vlhkost nebo směs vzduchu a vody je definována jako poměr parciálního tlaku vodní páry ve směsi k rovnovážnému tlaku páry vody na rovném povrchu čisté vody při dané teplotě:

Relativní vlhkost se obvykle vyjadřuje v procentech ; vyšší procento znamená, že směs vzduchu a vody je vlhčí. Při 100% relativní vlhkosti je vzduch nasycený a je na rosném bodě .

Význam

Klimatizace

Řízením klimatu se rozumí řízení teploty a relativní vlhkosti v budovách, vozidlech a jiných uzavřených prostorách za účelem zajištění lidského pohodlí, zdraví a bezpečnosti a splnění environmentálních požadavků strojů, citlivých materiálů (například historických) a technických procesy.

Relativní vlhkost a tepelná pohoda

Spolu s teplotou vzduchu , střední radiační teplotou, rychlostí vzduchu, rychlostí metabolismu a úrovní oblečení hraje v tepelném pohodlí člověka roli i relativní vlhkost . Podle normy ASHRAE 55-2017: Tepelné podmínky prostředí pro lidské obsazení lze vnitřní tepelné pohody dosáhnout pomocí metody PMV s relativní vlhkostí v rozmezí 0–100%, v závislosti na úrovních ostatních faktorů přispívajících k tepelné pohodě. Doporučený rozsah vnitřní relativní vlhkosti vzduchu v klimatizovaných budovách je však obvykle 30–60%.

Obecně platí, že vyšší teploty budou vyžadovat nižší relativní vlhkost pro dosažení tepelné pohody ve srovnání s nižšími teplotami, přičemž všechny ostatní faktory budou konstantní. Například při úrovni oblečení = 1, rychlosti metabolismu = 1,1 a rychlosti vzduchu 0,1 m / s by změna teploty vzduchu a průměrné teploty záření z 20 ° C na 24 ° C snížila maximální přijatelnou relativní vlhkost ze 100% na 65% pro udržení podmínek tepelné pohody. Nástroj CBE Thermal Comfort Tool lze použít k prokázání vlivu relativní vlhkosti pro konkrétní podmínky tepelné pohody a lze jej použít k prokázání shody s normou ASHRAE 55-2017.

Při použití adaptivního modelu k předpovědi tepelného komfortu v interiéru se relativní vlhkost nebere v úvahu.

I když je relativní vlhkost důležitým faktorem pro tepelnou pohodu, lidé jsou citlivější na změny teploty než na změny relativní vlhkosti. Relativní vlhkost má malý vliv na tepelnou pohodu venku, když jsou teploty vzduchu nízké, mírně výraznější účinek při mírných teplotách vzduchu a mnohem silnější vliv při vyšších teplotách vzduchu.

Lidské nepohodlí způsobené nízkou relativní vlhkostí

V chladném podnebí způsobuje venkovní teplota nižší kapacitu pro vodní páru. I když může sněžit a relativní vlhkost venku je vysoká, jakmile do budovy vnikne vzduch a zahřeje se, jeho nová relativní vlhkost vzduchu je velmi nízká (což znamená, že vzduch je velmi suchý), což může způsobovat nepohodlí. Suchá popraskaná kůže může být důsledkem suchého vzduchu.

Nízká vlhkost způsobí, že nosní pasáže výstelky tkání obloží, prasknou a stanou se náchylnějšími k pronikání rhinovirových virů. Nízká vlhkost je častou příčinou krvácení z nosu . S těmito příznaky může pomoci použití zvlhčovače v domácnostech, zejména v ložnicích.

Relativní vlhkost vzduchu v místnosti by měla být udržována nad 30%, aby se snížila pravděpodobnost vysušení nosních cest cestujících.

Lidé mohou být příjemní v širokém rozsahu vlhkostí v závislosti na teplotě - od 30 do 70% - ale ideálně mezi 50 % a 60 %. Velmi nízká vlhkost může u některých jedinců způsobit nepohodlí, dýchací potíže a zhoršit alergie. V zimním období se doporučuje udržovat relativní vlhkost 30% a více. Extrémně nízká (pod 20 %) relativní vlhkost může také způsobit podráždění očí.

Budovy

Pro řízení klimatizace v budovách využívajících systémy HVAC je klíčové udržovat relativní vlhkost v pohodlném rozsahu - dostatečně nízkém, aby byl pohodlný, ale dostatečně vysokém, aby nedocházelo k problémům spojeným s velmi suchým vzduchem.

Když je teplota vysoká a relativní vlhkost nízká, odpařování vody je rychlé; půda vysychá, mokré oblečení zavěšené na šňůře nebo stojanu rychle schne a pot se z pokožky snadno odpařuje. Dřevěný nábytek se může zmenšit a způsobit prasknutí barvy, která pokrývá tyto povrchy.

Když je teplota nízká a relativní vlhkost vysoká, odpařování vody je pomalé. Když se relativní vlhkost přiblíží 100 %, může na povrchech dojít ke kondenzaci, což povede k problémům s plísní , korozí, rozpadem a dalším poškozením souvisejícím s vlhkostí. Kondenzace může představovat bezpečnostní riziko, protože může podporovat růst plísní a hniloby dřeva, jakož i možné zamrznutí nouzových východů.

Určité výrobní a technické procesy a úpravy v továrnách, laboratořích, nemocnicích a dalších zařízeních vyžadují udržování specifické úrovně relativní vlhkosti pomocí zvlhčovačů, odvlhčovačů a souvisejících řídicích systémů.

Vozidla

Výše uvedené základní zásady pro budovy platí také pro vozidla. Kromě toho mohou existovat bezpečnostní úvahy. Například vysoká vlhkost uvnitř vozidla může vést k problémům s kondenzací, jako je zamlžení čelních skel a zkrat elektrických součástek. Ve vozidlech a tlakových nádobách, jako jsou dopravní letadla pod tlakem , ponorky a kosmické lodě , mohou být tyto aspekty zásadní pro bezpečnost a jsou zapotřebí komplexní systémy řízení prostředí včetně zařízení pro udržování tlaku .

Letectví

Dopravní letadla fungují s nízkou vnitřní relativní vlhkostí vzduchu, často pod 20 %, zejména na dlouhých letech. Nízká vlhkost je důsledkem nasávání velmi studeného vzduchu s nízkou absolutní vlhkostí, která se nachází v cestovní výšce dopravního letadla. Následné oteplení tohoto vzduchu snižuje jeho relativní vlhkost. To způsobuje nepohodlí, jako jsou bolavé oči, suchá kůže a vysychání sliznice, ale zvlhčovače se nepoužívají k jejímu zvýšení na pohodlnou střední úroveň, protože objem vody, který je třeba nést na palubě, může být významným trestem hmotnosti. Jak dopravní letadla sestupují z chladnějších nadmořských výšek do teplejšího vzduchu (možná dokonce létají skrz mraky několik tisíc stop nad zemí), může se relativní vlhkost vzduchu dramaticky zvýšit. Část tohoto vlhkého vzduchu je obvykle nasávána do přetlakové kabiny letadla a do dalších netlakových oblastí letadla a kondenzuje na studené pokožce letadla. Tekutá voda je obvykle vidět podél pláště letadla, a to jak na vnitřní, tak na vnější straně kabiny. Kvůli drastickým změnám relativní vlhkosti uvnitř vozidla musí být komponenty kvalifikovány pro provoz v těchto prostředích. Doporučená ekologická kvalifikace pro většinu komerčních letadlových komponent je uvedena v RTCA DO-160.

Studený, vlhký vzduch může podporovat tvorbu ledu, což je pro letadla nebezpečné, protože ovlivňuje profil křídla a zvyšuje hmotnost. Karburátorové motory mají další nebezpečí, že se uvnitř karburátoru vytvoří led . Zprávy o počasí v letectví ( METAR ) proto obsahují údaj o relativní vlhkosti, obvykle ve formě rosného bodu .

Piloti musí při výpočtu vzletových vzdáleností vzít v úvahu vlhkost, protože vysoká vlhkost vyžaduje delší dráhy a sníží výkon při stoupání.

Hustota nadmořská výška je nadmořská výška ve vztahu ke standardním podmínkám atmosféry (International Standard Atmosphere), ve kterých by se hustota vzduchu rovnala indikované hustotě vzduchu v místě pozorování, nebo jinými slovy výška měřená z hlediska hustoty vzduchu spíše než vzdálenosti od země. „Nadmořská výška hustoty“ je tlaková nadmořská výška upravená pro nestandardní teplotu.

Zvýšení teploty a v mnohem menší míře také vlhkost způsobí zvýšení nadmořské výšky. Za horkých a vlhkých podmínek tedy může být nadmořská výška hustoty v konkrétním místě výrazně vyšší než skutečná nadmořská výška.

Měření

Vlhkoměr je zařízení sloužící k měření vlhkosti vzduchu.

Vlhkost vzduchu a vodní páry směsi se stanoví pomocí psychrometrické schémata jsou-li jak teplota suchého teploměru ( T ) a vlhkého teploměru teplota ( T w ) směsi jsou známé. Tyto veličiny lze snadno odhadnout pomocí závěsného psychrometru .

Existuje několik empirických vzorců, které lze použít k odhadu rovnovážného tlaku par vodní páry jako funkce teploty. Antoine rovnice je mezi nejméně složité z nich, které mají pouze tři parametry ( , B , a C ). Jiné vzorce, jako je Goff-Gratchova rovnice a Magnus-Tetensova aproximace , jsou složitější, ale přinášejí lepší přesnost.

S rovnicí Arden Buck se v literatuře týkající se tohoto tématu běžně setkáváme:

kde je teplota suchého teploměru vyjádřená ve stupních Celsia (° C), je absolutní tlak vyjádřený v milibarech a je rovnovážný tlak par vyjádřený v milibarech. Buck uvedl, že maximální relativní chyba je menší než 0,20% mezi -20 a +50 ° C (-4 a 122 ° F), když se k odhadu rovnovážného tlaku par vody používá tato konkrétní forma zobecněného vzorce.

Vodní pára je nezávislá na vzduchu

Pojem vzduch „zadržující“ vodní páru nebo jím „nasycený“ je často zmiňován v souvislosti s konceptem relativní vlhkosti. To je však zavádějící - množství vodní páry, které vstupuje (nebo může vstoupit) do daného prostoru při dané teplotě, je téměř nezávislé na přítomném množství vzduchu (dusíku, kyslíku atd.). Ve skutečnosti má vakuum přibližně stejnou rovnovážnou kapacitu pro zadržování vodní páry jako stejný objem naplněný vzduchem; oba jsou dány rovnovážným tlakem par vody při dané teplotě. V části „Faktor vylepšení“ níže je popsán velmi malý rozdíl, který lze v mnoha výpočtech zanedbávat, pokud není vyžadována vysoká přesnost.

Závislost na tlaku

Relativní vlhkost systému vzduch-voda závisí nejen na teplotě, ale také na absolutním tlaku sledovaného systému. Tuto závislost prokazuje níže uvedený systém vzduch-voda. Systém je uzavřen (tj. Bez ohledu na to, zda do systému vstupuje nebo z něj odchází).

Změny relativní vlhkosti.png

Pokud je systém ve stavu A isobaricky ohříván (topení beze změny tlaku v systému), pak relativní vlhkost systému klesá, protože rovnovážný tlak par vody se zvyšuje se zvyšující se teplotou. To se zobrazuje ve státě B.

Pokud je systém ve stavu A izotermicky stlačený (stlačený beze změny teploty systému), pak se relativní vlhkost systému zvyšuje, protože parciální tlak vody v systému se zvyšuje se zmenšením objemu. To je znázorněno ve stavu C. Nad 202,64 kPa by RH překročila 100% a voda by mohla začít kondenzovat.

Pokud by se tlak ve stavu A změnil pouhým přidáním více suchého vzduchu bez změny objemu, relativní vlhkost by se nezměnila.

Proto lze změnu relativní vlhkosti vysvětlit změnou teploty systému, změnou objemu systému nebo změnou obou těchto vlastností systému.

Faktor vylepšení

Faktor vylepšení je definován jako poměr tlaku nasycených par vody ve vlhkém vzduchu k tlaku nasycených par čisté vody:

Faktor vylepšení se rovná jednotě pro ideální plynové systémy. Ve skutečných systémech však interakční účinky mezi molekulami plynu vedou k malému zvýšení rovnovážného tlaku par vody ve vzduchu ve srovnání s rovnovážným tlakem par čisté vodní páry. Proto je faktor vylepšení obvykle o něco větší než jednota pro skutečné systémy.

Faktor vylepšení se běžně používá ke korekci rovnovážného tlaku par vodní páry, když se k odhadu vlastností psychrometrických systémů používají empirické vztahy, jako jsou vztahy vyvinuté Wexlerem, Goffem a Gratchem.

Buck uvedl, že na hladině moře se tlak par vody v nasyceném vlhkém vzduchu zvyšuje přibližně o 0,5% nad rovnovážným tlakem par čisté vody.

Související pojmy

Termín relativní vlhkost je vyhrazen pro systémy vodní páry ve vzduchu. Termín relativní nasycení se používá k popisu analogické vlastnosti systémů sestávajících z kondenzovatelné fáze jiné než voda v nekondenzovatelné fázi jiné než vzduch.

Další důležitá fakta

Relativní vlhkost.png

Plyn se v této souvislosti označuje jako nasycený, když je tlak par vody ve vzduchu na rovnovážném tlaku par pro vodní páry při teplotě směsi plynu a vodní páry; kapalná voda (a led, při vhodné teplotě) neztrácí odpařováním hmotnost při nasycení vzduchem. Může také odpovídat možnosti vzniku rosy nebo mlhy v prostoru, který postrádá teplotní rozdíly mezi svými částmi, například v reakci na klesající teplotu. Mlha se skládá z velmi malých kapiček kapaliny, které jsou primárně drženy ve vzduchu izostatickým pohybem (jinými slovy, kapičky padají vzduchem při koncové rychlosti, ale protože jsou velmi malé, je i tato koncová rychlost velmi malá, takže Podívejte se na nás, jako by padali, a zdá se, že jsou drženi nahoře).

Tvrzení, že relativní vlhkost ( RH %) nikdy nemůže být vyšší než 100 %, i když je docela dobrým vodítkem, není absolutně přesné, bez sofistikovanější definice vlhkosti, než je zde uvedena. Tvorba mraků, ve kterých jsou aerosolové částice aktivovány za vzniku jader kondenzace mraků , vyžaduje přesycení vzdušného balíku na relativní vlhkost mírně nad 100 %. Jeden příklad v menším měřítku se nachází v Wilsonově oblačné komoře v experimentech jaderné fyziky, ve kterých je indukován stav přesycení, aby bylo dosaženo jeho funkce.

Pro daný rosný bod a jeho odpovídající absolutní vlhkost se relativní vlhkost změní inverzně, i když nelineárně, s teplotou . Je to proto, že parciální tlak vody se zvyšuje s teplotou - to je princip fungování všeho, od vysoušečů vlasů až po odvlhčovače .

Vzhledem k rostoucímu potenciálu vyššího parciálního tlaku vodní páry při vyšších teplotách vzduchu může obsah vody ve vzduchu na hladině moře dosáhnout až 3% hmotnosti při 30 ° C (86 ° F), ve srovnání s ne více než asi 0,5 % hmotn. při 0 ° C (32 ° F). To vysvětluje nízké úrovně (při absenci opatření k přidání vlhkosti) vlhkosti ve vytápěných strukturách během zimy, což má za následek suchou pokožku , svědění očí a přetrvávání statického elektrického náboje. Dokonce i při nasycení (100% relativní vlhkost) ve venkovním prostředí zvyšuje zahřívání infiltrovaného venkovního vzduchu, který přichází uvnitř, jeho vlhkostní kapacitu, což snižuje relativní vlhkost a zvyšuje rychlost odpařování z vlhkých povrchů uvnitř (včetně lidských těl a rostlin v domácnosti).

Podobně během léta ve vlhkém podnebí kondenzuje velké množství kapalné vody ze vzduchu chlazeného v klimatizačních zařízeních. Teplejší vzduch je ochlazen pod rosný bod a přebytečná vodní pára kondenzuje. Tento jev je stejný jako jev, který způsobuje tvorbu kapiček vody na vnější straně šálku obsahujícího ledový nápoj.

Užitečným pravidlem je, že maximální absolutní vlhkost se zdvojnásobuje při každém zvýšení teploty o 20 ° F (11 ° C). Relativní vlhkost tedy poklesne o faktor 2 při každém zvýšení teploty o 20 ° F (11 ° C), za předpokladu zachování absolutní vlhkosti. Například v rozmezí normálních teplot se vzduch o teplotě 20 ° C a 50% relativní vlhkosti nasytí, pokud se ochladí na 10 ° C, rosný bod a 5 ° C. ° C) vzduch o 80% relativní vlhkosti ohřátý na 68 ° F (20 ° C) bude mít relativní vlhkost pouze 29% a bude se cítit suchý. Pro srovnání standard ASHRAE 55 pro tepelnou pohodu vyžaduje, aby systémy určené k regulaci vlhkosti udržovaly rosný bod 16,8 ° C (62,2 ° F), ačkoli není stanovena žádná dolní mez vlhkosti.

Vodní pára je lehčí plyn než jiné plynné složky vzduchu při stejné teplotě, takže vlhký vzduch bude mít tendenci stoupat přirozenou konvekcí . Jedná se o mechanismus za bouřkami a dalšími povětrnostními jevy. Relativní vlhkost je často zmiňována v předpovědích počasí a zprávách, protože je indikátorem pravděpodobnosti rosy nebo mlhy. V horkém letním počasí také zvyšuje zdánlivou teplotu pro člověka (a další zvířata ) tím, že brání odpařování potu z kůže, jak stoupá relativní vlhkost. Tento účinek se počítá jako index tepla nebo humidex .

Zařízení používané k měření vlhkosti se nazývá vlhkoměr ; jeden, který se používá k jeho regulaci, se nazývá humidistat nebo někdy hygrostat . (Jsou analogické s teploměrem a termostatem pro teplotu.)

Viz také

Reference

Citace

Prameny

externí odkazy