湿度的科学详解-维基百科

更新时间:2011.08.10 查看次数:

湿度一般在气象学中指的是空气湿度,它是空气中水蒸气的含量。空气中液态或固态的水不算在湿度中。不含水蒸气的空气被称为干空气。由于大气中的水蒸气可以占空气体积的0%到4%,一般在列出空气中各种气体的成分的时候是指这些成分在干空气中所占的成分。

综述

空气的温度越高,它容纳水蒸气的能力就越高。虽然水蒸气可以与空气中的部分成分(比如悬浮的灰尘中的盐)进行化学反应,或者被多孔的粒子吸收,但这些过程或反应所占的比例非常小,相反的大多数水蒸气可以溶解在空气中。干空气一般可以看作一种理想气体,但随着其中水汽成分的增高它的理想性越来越低。这时只有使用范德瓦耳斯方程才能描写它的性能。

理论上“空气中的水蒸气饱和”这个说法是不正确的,因为空气中的水蒸气的饱和度与空气的成分本身无关,而只与水蒸气的温度有关。在同一温度下真空中的水蒸气的饱和度与空气中的水蒸气的饱和度实际上是一样高的。但出于简化一般人们(甚至在科学界)使用“空气中溶解的水蒸气”或“空气中的水蒸气饱和”这样的词句。在这篇文章中我们也使用这些常用的词句。

假如饱和的空气的温度降低到露点以下和空气中有凝结核(比如雾剂)的话(在自然界一般总有凝结核存在),空气中的水就会凝结。云、窗户玻璃和其它冷的表面上的凝结水、露和雾、人在冷空气中哈出的汽等等许多现象就是这样形成的。偶尔(或在实验室中人工造成的)水蒸气可以在露点以下也不凝结。这个现象叫做过饱和。

空气中水蒸气的溶解量随温度不同而变化。一立方米空气可以在10摄氏度下溶解9.41克水,在30摄氏度下溶解30.38克水。

[编辑] 测量

湿度计

要表达空气湿度的高低,有多种可以利用的度量值,包括蒸汽压、绝对湿度、相对湿度、比湿、露点等。湿度计可以用来测量湿度。

[编辑] 绝对湿度

“绝对湿度”指一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,一般其单位是克/立方米。绝对湿度的大限度是饱和状态下的高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义,因为空气中能够含有的湿度的量随温度而变化,在不同的高度中绝对湿度也不同,因为随着高度的变化空气的体积变化。但绝对湿度越靠近高湿度,它随高度的变化就越小。

下面是计算绝对湿度的公式:

\rho_w := \frac{e}{R_w \cdot T } = \frac{m}{V}

其中的符号分别是:

e – 蒸汽压,单位是帕斯卡(Pa)
Rw – 水的气体常数=461.52J/(kg K)
T – 温度,单位是开尔文(K)
m – 在空气中溶解的水的质量,单位是克(g)
V – 空气的体积,单位是立方米(m3

[编辑] 相对湿度(RH)

一台湿度计正在纪录相对湿度

“相对湿度”(RH)是绝对湿度与高湿度之间的比,它的值显示水蒸气的饱和度有多高。相对湿度为100%的空气是饱和的空气。相对湿度是50%的空气含有达到同温度的空气的饱和点的一半的水蒸气。相对湿度超过100%的空气中的水蒸气一般凝结出来。随着温度的增高,空气中可以含的水就越多。也就是说,在同样多的水蒸气的情况下,温度降低,相对湿度就会升高;温度升高,相对湿度就会下降低。因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。通过高湿度和温度也可以计算出露点。

以下是计算相对湿度的公式:

\varphi := \frac {\rho_w}{\rho_{w, max}} \cdot 100\ % = \frac {e}{E} \cdot 100\ % = \frac {s}{S} \cdot 100\ %

其中的符号分别是:

ρw – 绝对湿度,单位是克/立方米
ρw,max – 高湿度,单位是克/立方米
e – 蒸汽压,单位是帕斯卡
E – 饱和蒸汽压,单位是帕斯卡
s – 比湿,单位是克/千克
S – 高比湿,单位是克/千克

[编辑] 比湿

比湿是汽化在空气中的水的质量与湿空气的质量之间的比。假如没有凝结或蒸发的现象发生的话一个封闭的空气在不同的高度下的比湿是相同的。在饱和状态下的高比湿的符号是S

以下是计算比湿s的公式:

s = \frac{m_{\mathrm{water}}}{m_{\mathrm{air\ total}}} = \frac{m_{\mathrm{water}}}{m_{\mathrm{air\ dry}} + m_{\mathrm{water}}} = \frac{\frac{m_{\mathrm{water}}}{V_{\mathrm{total}}}}{\frac{m_{\mathrm{air\ total}}}{V_{\mathrm{total}}} + \frac{m_{\mathrm{Water}}}{V_{\mathrm{total}}}} = \frac{\rho_{\mathrm{Water}}}{\rho_{\mathrm{air\ dry}} + \rho_{\mathrm{water}}} = \frac{\rho_{\mathrm{water}}}{\rho_{\mathrm{air\ total}}}

s = \frac{\rho_{\mathrm{Water}}}{\rho_{\mathrm{air\ dry}} + \rho_{\mathrm{Water}}} = \frac{\frac{e}{R_w \cdot T}}{\frac{p - e}{R_L \cdot T} + \frac{e}{R_w \cdot T}} = \frac{ e \cdot M_{\mathrm{Water}} }{ {(p - e)} \cdot {M_{\mathrm{air\ dry}}} + {e} \cdot {M_{\mathrm{Water}}} } = \frac{\frac{M_{\mathrm{Water}}}{M_{\mathrm{air\ dry}}} \cdot e}{p - \left(1 - \frac{M_{\mathrm{Water}}}{M_{\mathrm{air\ dry}}}\right) \cdot e} \approx \frac{0{,}622 \cdot e}{p - 0{,}378 \cdot e} \approx 0{,}622 \cdot \frac{e}{p}

其中使用的符号为:

\rho_{\mathrm{Water}} = \frac{e}{R_w \cdot T}R_w = \frac{R}{M_{\mathrm{Water}}}

\rho_{\mathrm{air\ dry}} = \frac{p - e}{R_L \cdot T}R_L = \frac{R}{M_{\mathrm{air\ dry}}}

相似地高比湿为:

S := \frac{m_{\mathrm{water\ saturate}}}{m_{\mathrm{air\ total}}} = \frac{\rho_{\mathrm{Water\ saturate}}}{\rho_{\mathrm{air\ total}}} \approx \frac{0{,}622 \cdot E}{p - 0{,}378 \cdot E}

其中使用的符号分别为:

mx – 质量,单位为克
ρx – 密度,单位为克/立方米
Vtotal – 湿空气的总体积,单位为立方米
Rw – 水的气体常数,单位为焦耳/(千克·开尔文)
RL – 干空气的气体常数,单位为焦耳/(千克·开尔文)
T – 温度,开尔文
MWater – 水的摩尔质量=18.01528克/摩尔
M_{\mathrm{air\ dry}} – 干空气的摩尔质量=28.9634克/摩尔
e – 蒸汽压,单位是帕斯卡
p – 气压,单位为帕斯卡
E – 饱和蒸汽压,单位为帕斯卡

[编辑] 意义和用途

空气湿度在许多方面有重要的用途,在大气学、气象学和气候学中它主要是理论中的一个重要值,而在实际应用上的作用比较小。

[编辑] 气象学和水文学

下雨的时候,空气湿度是非常高的

在气象学和水文学中湿度是决定蒸发和蒸腾的重要数据。它对不同的气候区的产生起决定性的作用。大气中的水蒸气在水循环过程中也是必不可少的。通过水蒸气水可以很快地在地球表面运动。水在大气中形成降水、云和其它现象,它们决定了地球的气象和气候。

而在天气预报中,更常用到相对湿度。它反映了降雨、有雾的可能性。在炎热的天气之下,高的相对湿度会让人类(和其他动物)感到更热,因为这妨碍了汗水的挥发。人类可以从而制定出酷热指数。

[编辑] 医学

在医学上空气的湿度与呼吸之间的关系非常紧密。在一定的湿度下氧气比较容易通过肺泡进入血液。一般人在45-55%的相对湿度下感觉舒适。过热而不通风的房间里的相对湿度一般比较低,这可能对皮肤不良和对粘膜有刺激作用。湿度过高影响人调节体温的排汗功能,人会感到闷热。总的来说人在高温但低湿度的情况下(比如沙漠)比在温度不太高但湿度很高的情况下(比如雨林)的感觉要好。在通过呼吸进行麻醉时麻醉气体的湿度是非常关键的。医学上使用的麻醉气体一般是在无水的情况下存放的,假如在使用时不添加湿度的话会在人的肺中导致蒸发和失水。

[编辑] 生物学

在生物学中,尤其是在生态学中空气湿度是一个非常关键的量。它决定一个生态系统的组成。在植物的叶面上气孔的开关和植物的呼吸。有些动物比如蜗牛只有在它们的皮肤有一定湿度的情况下才能吸收氧气。

[编辑] 储藏和生产

在存放水果的仓库里湿度决定水果的成熟。在存放金属的仓库里湿度过高可能导致腐蚀。其它许多货物比如化学药剂、烟、酒、香肠、木、艺术品、集成电路等等也必须在一定的湿度或在湿度为零的条件下存放。因此在许多仓库、博物馆、图书馆、计算机中心和一定的工厂(比如微电子工业)中都有空调装置来控制室内的湿度。

[编辑] 农业和林业

雾气弥漫的森林

湿度过低可以在农业上导致土壤和植物失水和减产。

在林业和林木工业中湿度也是一个非常关键的量。在锯木厂人们往往向堆积在那里的木头浇水。木头本身有它自己的湿度,在空气中它的湿度逐渐与空气的周围湿度靠近。这个木头内的湿度的变化会导致木头的体积的变化,这对林木工业来说是非常关键的。

一般木头在存放时要让空气可以直接与它的各个方向接触,这样来避免木头变形或发霉。在铺地板时好先让地板的木头在房屋内搁置一两天,来让它与房屋内的湿度一样,否则的话地板的木头可能会在铺设后伸张或收缩。

[编辑] 建筑

在建筑物理中露点是一个非常重要的量。假如一座建筑内的温度不一样的话,那么从高温部分流入低温部分的潮湿的空气中的水就可能凝结。在这些地方可能会发霉,在建筑设计时必须考虑到这样的现象。 此外相对湿度是衡量建筑室内热环境的一个重要指标,建筑物理把在人体的主观热感觉处于中性时,风速不大于0.15米/每秒,相对湿度为50%定为舒适的热环境,这也是室内热环境设计的一个基准。

[编辑] 参考文献

  1. Häckel H. (1999): Meteorologie. 4. Aufl. Ulmer Verlag, Stuttgart; UTB 1338; 448 S. ISBN 3-8252-1338-2
  2. Zmarsly E., Kuttler W., Pethe H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart. S ISBN 3-8252-2281-0
  3. Hupfer P., Kuttler W. (1998): Witterung und Klima. Teubner Verlag, Stuttgart/Leipzig. ISBN 3-443-07123-6
  4. Weischet W. (2002): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Borntraeger . ISBN 3-443-07123-6
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