Humidité absolue. La notion d'humidité relative Plus l'humidité relative est élevée
… Comment humidité relative l'air affecte-t-il les paramètres de séchage des peintures et vernis à l'eau ?
L'humidité relative de l'air a un impact significatif à la fois sur la vitesse et sur l'intégralité du séchage des peintures et vernis à l'eau.
L'humidité relative est un paramètre qui détermine la quantité d'eau supplémentaire que l'air est prêt à accepter sous forme de vapeur.
Humidité relative
L'humidité relative de l'air est le rapport entre la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air et la quantité maximale possible de vapeur à une température donnée.
D’après la définition, il ressort au minimum que l’air ne peut contenir qu’une quantité limitée d’eau et que cette quantité dépend de la température.
Lorsque l’humidité de l’air est de 100 %, cela signifie qu’il y a le maximum de vapeur d’eau possible dans l’air et que l’air ne peut pas en absorber davantage. Autrement dit, l’évaporation de l’eau est impossible dans ces conditions.
Plus l'humidité relative est faible, plus plus d'eau peut se transformer en vapeur et plus le taux d'évaporation est élevé. Mais ce processus n'est pas sans fin - si l'évaporation se produit dans un espace confiné (par exemple, il n'y a pas de hotte dans le sèche-linge), l'évaporation s'arrêtera à un moment donné.
Humidité absolue
Le tableau montre les valeurs de l'humidité absolue de l'air avec une humidité relative de 100 % dans la plage de température qui nous intéresse et le comportement du paramètre d'humidité relative de l'air avec l'augmentation de la température.
| Température, °C | Absolu humidité, g/m³ | Relatif humidité, % 5 °C | Relatif humidité, % 15 °C |
| - 20 | 1,08 | - | - |
| - 15 | 1,61 | - | - |
| - 10 | 2,36 | - | - |
| - 5 | 3,41 | - | - |
| 0 | 4,85 | - | - |
| 5 | 6,80 | 100 | - |
| 10 | 9,40 | 72,35 | - |
| 15 | 12,83 | 53,01 | 100 |
| 20 | 17,30 | 39,31 | 74,17 |
| 25 | 23,04 | 29,52 | 55,69 |
| 30 | 30,36 | 22,40 | 42,26 |
| 35 | 39,58 | 17,19 | 32,42 |
D’après les données ci-dessus, il ressort clairement que tout en maintenant la valeur d’humidité absolue, à mesure que la température augmente, la valeur d’humidité relative diminue.
La valeur de l'humidité absolue maximale à une certaine température permet de calculer l'efficacité du séchoir, ou plus précisément, l'inefficacité du séchoir sans ventilation forcée.
Disons que nous avons un séchoir - une pièce de 7 mètres sur 4 et de 3 mètres de haut, soit 84 mètres cubes. Et supposons que dans cette pièce nous voulions sécher 100 morceaux de profilés en PVC pour fenêtres ou 160 dalles de façade en verre ou en fibrociment mesurant 600 sur 600 mm ; soit environ 60 m². surfaces.
Pour peindre une telle surface, on utilisera 6 litres de peinture ; Pour que la peinture sèche complètement, environ 2 litres d'eau doivent s'évaporer. Dans le même temps, selon le tableau, à une température de 20 °C, 84 mètres cubes. l'air peut contenir au maximum 1,5 litre d'eau.
Autrement dit, même si l’air avait initialement une humidité absolue nulle, la peinture à l’eau dans une pièce donnée ne sécherait pas sans une nouvelle ventilation.
Réduire l'humidité relative
Puisque pour la polymérisation du revêtement de peinture sur à base d'eau L'évaporation complète de l'eau étant une condition nécessaire, l'humidité relative de l'air a un impact significatif sur la vitesse de séchage et même sur les performances du revêtement polymère.
Mais tout n'est pas aussi effrayant qu'il y paraît. Par exemple, si vous pompez de l’air extérieur ayant une humidité relative de 100 % et une température de 5 °C et que vous le chauffez à 15 °C, l’air n’aura qu’une humidité relative de 53 %.
L'humidité n'a pas disparu de l'air, c'est-à-dire humidité absolue n'a pas changé, mais l'air est prêt à accepter deux fois plus d'eau qu'à basse température.
C'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des séchoirs ou des condenseurs pour obtenir des paramètres de séchage de peinture acceptables - il suffit d'augmenter la température au-dessus de la température environnement.
Plus la différence de température entre l'air extérieur et l'air fourni au séchoir est grande, plus l'humidité relative de ce dernier est faible.
La pression de vapeur saturée de l’eau augmente considérablement avec l’augmentation de la température. Par conséquent, avec le refroidissement isobare (c'est-à-dire à pression constante) de l'air avec une concentration de vapeur constante, il arrive un moment (point de rosée) où la vapeur est saturée. Dans ce cas, la vapeur « en excès » se condense sous forme de brouillard, de rosée ou de cristaux de glace. Les processus de saturation et de condensation de la vapeur d'eau jouent rôle énorme en physique atmosphérique : processus et formation des nuages fronts atmosphériques sont largement déterminés par les processus de saturation et de condensation ; la chaleur dégagée lors de la condensation de la vapeur d'eau atmosphérique fournit le mécanisme énergétique pour l'émergence et le développement des cyclones tropicaux (ouragans).
L'humidité relative est le seul indicateur hygrométrique de l'air qui permet une mesure instrumentale directe.
Estimation de l'humidité relative
L'humidité relative d'un mélange eau-air peut être estimée si sa température est connue ( T) et la température du point de rosée ( Td), selon la formule suivante :
R H = P s (T d) P s (T) × 100 % , (\displaystyle RH=((P_(s)(T_(d))) \over (P_(s)(T)))\times 100 \%,)Où Ps- la pression de vapeur saturée pour la température correspondante, qui peut être calculée à l'aide de la formule d'Arden Buck :
P s (T) = 6,1121 exp ((18,678 − T / 234,5) × T 257,14 + T) , (\displaystyle P_(s)(T)=6,1121\exp \left((\frac ((18,678-T/ 234,5)\fois T)(257,14+T))\droite),)Calcul approximatif
L'humidité relative peut être calculée approximativement à l'aide de la formule suivante :
R H ≈ 100 − 5 (T − 25 T ré) .(\displaystyle R\!H\environ 100-5(T-25T_(d)).)
Autrement dit, à chaque degré Celsius de différence entre la température de l'air et la température du point de rosée, l'humidité relative diminue de 5 %.
De plus, l'humidité relative peut être estimée à l'aide d'un graphique psychrométrique.
Vapeur d'eau sursaturée
En l'absence de centres de condensation, lorsque la température diminue, un état sursaturé peut se former, c'est-à-dire que l'humidité relative devient supérieure à 100 %. Les ions ou les particules d'aérosol peuvent jouer le rôle de centres de condensation ; c'est sur la condensation de vapeur sursaturée sur des ions formés lors du passage d'une particule chargée dans une telle vapeur que repose le principe de fonctionnement de la chambre de Wilson et des chambres de diffusion : des gouttelettes d'eau se condensant sur les ions formés forment une trace visible (piste) de particule chargée.
Un autre exemple de condensation de vapeur d'eau sursaturée est celui des traînées de condensation des avions, qui se produisent lorsque la vapeur d'eau sursaturée se condense sur les particules de suie provenant des gaz d'échappement des moteurs.
L'humidité de l'air confortable pour l'homme est déterminée par des documents tels que GOST et SNIP. Ils réglementent qu'en hiver, l'humidité optimale pour une personne dans une pièce est de 30 à 45 %, en été de 30 à 60 %. Les données sur SNIP sont légèrement différentes : 40 à 60 % pour n'importe quelle période de l'année, niveau maximum 65%, mais pour les régions très humides - 75%.
Pour déterminer et confirmer les caractéristiques métrologiques des instruments de mesure de l'humidité, des installations de référence (modèles) spéciales sont utilisées - chambres climatiques (hygrostats) ou générateurs dynamiques d'humidité des gaz.
Signification
L'humidité relative de l'air est un indicateur environnemental important de l'environnement. Si l’humidité est trop faible ou trop élevée, une personne se fatigue rapidement et sa perception et sa mémoire se détériorent. Les muqueuses humaines se dessèchent, les surfaces en mouvement se fissurent, formant des microfissures dans lesquelles pénètrent directement virus, bactéries et microbes. Une faible humidité relative (jusqu'à 5 à 7 %) dans les appartements et les bureaux a été observée dans les régions où les températures extérieures négatives sont prolongées. En règle générale, une durée allant jusqu'à 1 à 2 semaines à des températures inférieures à −20 ° C entraîne un assèchement des locaux. Un facteur de détérioration important dans le maintien de l'humidité relative est l'échange d'air à de faibles températures négatives. Plus l'échange d'air dans les pièces est important, plus une humidité relative faible (5 à 7 %) est créée rapidement dans ces pièces.
Aérer les pièces par temps froid afin d'augmenter l'humidité est une grave erreur - c'est le plus moyen efficace réaliser le contraire. La raison de cette idée fausse très répandue est la perception des chiffres d’humidité relative, connus de tous grâce aux prévisions météorologiques. Ce sont des pourcentages d’un certain nombre, mais ce nombre est différent pour une pièce et une rue ! Vous pouvez connaître ce chiffre dans le tableau reliant la température et l’humidité absolue. Par exemple, 100 % d’humidité de l’air extérieur à −15 °C signifie 1,6 g d’eau par mètre cube, mais le même air (et les mêmes grammes) à +20 °C signifie seulement 8 % d’humidité.
Les produits alimentaires, les matériaux de construction et même de nombreux composants électroniques peuvent être stockés dans une plage d’humidité relative strictement définie. De nombreux processus technologiques ne se déroulent qu'avec un contrôle strict de la teneur en vapeur d'eau dans l'air de la salle de production.
L'humidité de la pièce peut être modifiée.
Les humidificateurs sont utilisés pour augmenter l’humidité.
Les fonctions de déshumidification (réduction de l'humidité) de l'air sont mises en œuvre dans la plupart des climatiseurs et sous la forme d'appareils séparés - les déshumidificateurs d'air.
En floriculture
L'humidité relative de l'air dans les serres et les locaux d'habitation utilisés pour la culture des plantes est soumise à des fluctuations, qui sont déterminées par la période de l'année, la température de l'air, le degré et la fréquence d'arrosage et de pulvérisation des plantes, la présence d'humidificateurs, d'aquariums ou d'autres conteneurs. avec une surface d'eau libre, des systèmes de ventilation et de chauffage. Les cactus et de nombreuses plantes succulentes tolèrent plus facilement l’air sec que de nombreuses plantes tropicales et subtropicales.
En règle générale, pour les plantes dont la patrie est humide forêts tropicales, l'humidité relative de l'air optimale est de 80 à 95 % (en hiver, elle peut être réduite à 65 à 75 %). Pour les plantes des régions subtropicales chaudes - 75-80 %, des régions subtropicales froides - 50-75 % (Levy, cyclamen, cineraria, etc.)
Lorsqu’on cultive des plantes dans des zones résidentielles, de nombreuses espèces souffrent de l’air sec. Cela se reflète principalement sur les feuilles ; ils subissent un séchage rapide et progressif des sommets.
Quand nous parlons de sur notre santé, la connaissance de l'humidité relative de l'air et de la formule pour la déterminer vient en premier. Cependant, il n'est pas nécessaire de connaître la formule exacte, mais ce serait bien de connaître au moins aperçu général imaginez ce que c'est, pourquoi mesurer l'humidité dans la maison et de quelles manières cela peut être fait.
Quelle devrait être l’humidité optimale ?
L'humidité dans une pièce où une personne travaille, passe son temps libre ou dort est particulièrement importante. Nos organes respiratoires sont conçus de telle manière qu’un air trop sec ou saturé de vapeur d’eau leur est nocif. Par conséquent, il existe des normes nationales qui réglementent le taux d’humidité de l’air intérieur.
Zone d'humidité optimale
En général, il existe une douzaine de façons de contrôler l’humidité de l’air et de la ramener à la normale. Cela créera les conditions les plus favorables pour étudier, dormir, faire du sport, augmenter les performances et améliorer le bien-être.
Dans la section précédente, nous avons utilisé une série termes physiques. Compte tenu de leur grande importance, rappelons-nous cours scolaire physique et expliquer ce que sont l'humidité de l'air et le point de rosée et comment les mesurer.
Le principal paramètre physique objectif est l'humidité absolue (réelle) de l'air - concentration massique (teneur) d'eau gazeuse (eau évaporée, vapeur d'eau) dans l'air, par exemple, le nombre de kilogrammes d'eau évaporés dans un mètre cube d'air (plus précisément, dans un mètre cube d'espace) . S'il y a peu de vapeur d'eau dans l'air, alors l'air est sec, s'il y en a beaucoup, il est humide. Mais que signifie beaucoup ? Par exemple, 0,1 kg de vapeur d’eau dans un mètre cube d’air, est-ce beaucoup ? Et pas beaucoup, ni peu, exactement autant et rien de plus. Mais si l’on se demande si 0,1 kg de vapeur d’eau représente beaucoup dans un mètre cube d’air à une température de 40 °C, alors on peut certainement dire que c’est beaucoup, à tel point que cela n’arrive jamais.
Le fait est qu’il n’est pas possible d’évaporer autant d’eau que souhaité, car dans des conditions normales de bain, l’eau est encore liquide et seule une très petite partie de ses molécules s’échappe de la phase liquide à travers l’interface vers la phase gazeuse. Expliquons cela en utilisant l'exemple du même modèle conventionnel de bain turc - un modèle de récipient (« casserole ») dont le fond (sol), les parois et le couvercle (plafond) ont la même température. En technologie, un tel récipient isotherme est appelé thermostat (four).
Versons de l'eau au fond du récipient modèle (sur le sol des bains publics) et, en changeant la température, mesurons l'humidité absolue de l'air à différentes températures. Il s'avère que lorsque la température augmente, l'humidité absolue de l'air augmente rapidement et que lorsque la température diminue, elle diminue rapidement (Fig. 23). Ceci est le résultat du fait qu'avec l'augmentation de la température, le nombre de molécules d'eau possédant une énergie suffisante pour surmonter la barrière énergétique de la transition de phase augmente rapidement (de façon exponentielle). Une augmentation du nombre de molécules gazéifiantes (« s’évaporant ») entraîne une augmentation du nombre (accumulation) de molécules d’eau dans l’air (ce qui entraîne une augmentation de la quantité de vapeur d’eau), ce qui entraîne à son tour une augmentation de la nombre de molécules d’eau qui « volent » à nouveau dans l’eau (liquéfiée). Lorsque le taux de gazéification de l’eau est comparé au taux de liquéfaction de la vapeur d’eau, un équilibre se produit, décrit par la courbe de la Fig. 23. Il est important de garder à l'esprit que dans un état d'équilibre, lorsqu'il semble que rien ne se passe dans les bains, rien ne s'évapore et rien ne se condense, en fait des tonnes d'eau (et de vapeur d'eau) sont en réalité gazéifiées (et immédiatement liquéfié) respectivement). Cependant, à l'avenir, nous considérerons l'évaporation précisément comme l'effet résultant - l'excès du taux de gazéification par rapport au taux de liquéfaction, lorsque la quantité d'eau diminue réellement et que la quantité de vapeur d'eau augmente réellement. Si le taux de liquéfaction dépasse le taux de gazéification, nous appellerons alors ce processus condensation.
Les valeurs de l'humidité absolue de l'air à l'équilibre sont appelées densité de vapeur saturée de l'eau et constituent l'humidité absolue de l'air maximale possible à une température donnée. À mesure que la température augmente, l’eau commence à s’évaporer (à se transformer en gaz), tendant à augmenter la densité de vapeur saturée. À mesure que la température diminue, la condensation de la vapeur d'eau se produit soit sur les parois de refroidissement sous forme de petites gouttes de rosée (se fondant ensuite en grosses gouttes et s'écoulant sous forme de ruisseaux), soit dans le volume d'air de refroidissement sous forme de petites gouttes de brouillard de taille inférieure à 1 micron (y compris sous forme de « nuages de vapeur »).
Riz. 23. L'humidité absolue de l'air au-dessus de l'eau dans des conditions d'équilibre (densité de vapeur saturée) et la pression de vapeur saturée correspondante rho à différentes températures. Flèches en pointillés – détermination du point de rosée Тр pour une valeur arbitraire de l'humidité absolue d.
Ainsi, à une température de 40 °C, l’humidité absolue d’équilibre de l’air au-dessus de l’eau dans des conditions isothermes (densité de vapeur saturée) est de 0,05 kg/m3. A l’inverse, pour une humidité absolue de 0,05 kg/m3, une température de 40 °C est appelée point de rosée car à cette humidité absolue et à cette température la rosée commence à apparaître (à mesure que la température diminue). Tout le monde connaît la rosée provenant des verres embués et des miroirs des salles de bains. L'humidité absolue de l'air détermine clairement (selon le graphique de la Fig. 23) le point de rosée de l'air et vice versa. Notez que le point de rosée est de 37 °C, égal à température normale corps humain, correspond à une humidité absolue de l'air de 0,04 kg/m 3 .
Considérons maintenant le cas où la condition d’équilibre thermodynamique est violée. Par exemple, d'abord, un modèle réduit de récipient avec l'eau et l'air qu'il contient a été chauffé à 40 °C, puis supposons de manière purement hypothétique que la température des parois, de l'eau et de l'air a soudainement augmenté brusquement jusqu'à 70 °C. Initialement, nous avons une humidité absolue de l'air de 0,05 kg/m 3 , correspondant à la densité de vapeur saturée à 40 °C. Une fois que la température de l'air atteint 70 °C, l'humidité absolue de l'air devrait progressivement augmenter jusqu'à une nouvelle valeur de densité de vapeur saturée de 0,20 kg/m 3 en raison de l'évaporation d'une quantité supplémentaire d'eau. Et pendant toute la période d'évaporation, l'humidité absolue de l'air sera inférieure à 0,20 kg/m3, mais augmentera et tendra vers une valeur de 0,20 kg/m3, qui s'établira tôt ou tard à 70 °C.
De tels modes de transition de l'air hors équilibre d'un état à un autre sont décrits à l'aide du concept d'humidité relative, dont la valeur est calculée et égale au rapport de l'humidité absolue actuelle à la densité de vapeur saturée à la température actuelle de l'air. Ainsi, au début on a une humidité relative de 100% à 40 °C. Puis, avec une forte augmentation de la température de l'air jusqu'à 70 °C, l'humidité relative de l'air a fortement chuté jusqu'à 25 %, après quoi, en raison de l'évaporation, elle a recommencé à augmenter jusqu'à 100 %. Puisque le concept de densité de vapeur saturée n’a aucun sens sans indication de température, le concept d’humidité relative n’a également aucun sens sans indication de température. Ainsi, une humidité absolue de l'air de 0,05 kg/m 3 correspond à une humidité relative de l'air de 100 % à une température de l'air de 40 °C et de 25 % à une température de l'air de 70 °C. L'humidité absolue de l'air est une valeur purement massique et ne nécessite aucune référence à une température.
Si l’humidité relative est nulle, alors il n’y a pas du tout de vapeur d’eau dans l’air (air absolument sec). Si l'humidité relative de l'air est de 100 %, alors l'air est le plus humide possible ; l'humidité absolue de l'air est égale à la densité de la vapeur saturée. Si l'humidité relative de l'air est par exemple de 30 %, cela signifie que seulement 30 % de la quantité d'eau s'est évaporée dans l'air, qui peut en principe s'évaporer dans l'air à cette température, mais ne l'a pas encore été. évaporé (ou ne peut pas encore être évaporé en raison du manque d’eau liquide). En d’autres termes, la valeur numérique de l’humidité relative de l’air indique si l’eau peut encore s’évaporer et quelle quantité peut s’évaporer, c’est-à-dire que l’humidité relative de l’air caractérise en fait la capacité potentielle d’humidité de l’air. Nous soulignons que le terme « relatif » relie la masse d’eau dans l’air non pas à la masse d’air, mais à la teneur massique maximale possible de vapeur d’eau dans l’air.
Mais que se passe-t-il s’il n’y a pas de température uniforme dans le récipient ? Par exemple, le fond (sol) aura une température de 70 °C et le couvercle (plafond) n'aura qu'une température de 40 °C. Un concept unifié de densité de vapeur saturée et d’humidité relative ne peut alors pas être introduit. Au fond de la cuve, l'humidité absolue de l'air a tendance à monter jusqu'à 0,20 kg/m3, et au plafond elle diminue jusqu'à 0,05 kg/m3. Dans ce cas, l'eau du fond va s'évaporer, et la vapeur d'eau va se condenser au plafond puis s'écouler sous forme de condensats, notamment vers le fond de la cuve. Un tel processus hors équilibre (mais peut-être assez stable dans le temps, c'est-à-dire stationnaire) est appelé distillation dans l'industrie. Ce processus est typique des vrais bains turcs, dans lesquels la rosée se condense constamment sur le plafond froid. Par conséquent, dans les bains turcs de obligatoire Ils réalisent des plafonds voûtés avec des gouttières (rainures) pour l'évacuation des condensats.
Un déséquilibre peut également se produire dans de nombreux autres cas (et presque tous réels), en particulier lorsque toutes les températures sont égales, mais qu'il y a un manque d'eau. Ainsi, si pendant le processus d'évaporation l'eau au fond du récipient disparaît (s'évapore), alors il n'y aura plus rien à évaporer et l'humidité absolue sera fixée au même niveau. Il est clair que pour atteindre une humidité relative de l'air de 100% dans ce cas avec températures élevéeséchoue, ce qui est un facteur utile, notamment pour obtenir un sauna sec ou une vapeur légère dans un bain russe. Mais si nous commençons à réduire la température, alors à une certaine température basse, appelée point de rosée, de l'eau réapparaîtra sur les parois du récipient sous forme de condensat. Au point de rosée, l'humidité relative de l'air est toujours de 100 % (par la définition même du point de rosée).
Basé sur le principe de l'apparition de condensation lorsque la température de l'air diminue, un dispositif industriel largement connu pour déterminer le point de rosée des gaz a été créé. Dans une chambre en verre à travers laquelle le gaz d'essai passe à faible vitesse, une surface métallique polie est montée, qui est lentement refroidie (Fig. 24). Au moment de la rosée (buée), la température de surface est mesurée. Cette température est considérée comme le point de rosée. Une détermination précise du moment d'apparition de la rosée n'est possible qu'à l'aide d'un microscope, car les gouttes de rosée au moment initial sont très petites. La surface est refroidie en éliminant la chaleur avec un liquide de refroidissement ou par toute autre méthode. La température de la surface sur laquelle tombe la rosée est mesurée avec n'importe quel thermomètre, de préférence un thermocouple. Le principe de fonctionnement de l'appareil devient clair si vous « respirez » sur un miroir froid, en particulier celui amené du froid dans une pièce chaude - à mesure que le miroir se réchauffe, la buée diminue régulièrement, puis s'arrête complètement.
Tout cela signifie qu'à des températures supérieures au point de rosée, la surface est toujours sèche et si de l'eau est versée exprès, elle s'évaporera certainement et la surface se dessèchera. Et à une température inférieure au point de rosée, la surface est toujours humide, et si la surface est séchée artificiellement (essuyée), alors l'eau apparaîtra immédiatement « toute seule » dans le sens où elle précipitera de l'air sous la forme de rosée (condensation).
Riz. 24. Le principe du dispositif pour définition précise point de rosée dans le gaz. 1 – surface métallique polie pour observer l'apparence des gouttes de rosée, 2 – corps métallique, 3 – verre, 4 – entrée et sortie du flux de gaz, 5 – microscope, 6 – lampe de rétroéclairage, 7 – thermomètre à thermocouple avec une jonction thermocouple installée dans à proximité immédiate de la surface polie, 8 – un verre avec un liquide refroidi (par exemple, un mélange eau-alcool avec du dioxyde de carbone solide - neige carbonique), 9 – un lève-verre.
Une situation complètement différente se présente si la surface est poreuse (bois, céramique, ciment-sable, fibreuse, etc.). Les matériaux poreux se caractérisent par le fait qu'ils comportent des vides, et les vides ont la forme de canaux de petite taille transversale (diamètre) allant jusqu'à 1 micron et même moins. Le liquide dans de tels canaux (capillaires, pores) se comporte différemment que sur une surface non poreuse ou dans des canaux de grande taille transversale. Si la surface des canaux est mouillée par l'eau, l'eau de la surface est absorbée en profondeur dans le matériau et, comme chacun le sait, il sera difficile de l'évaporer par la suite. Et si la surface des canaux n'est pas mouillée avec de l'eau, alors l'eau n'est pas absorbée profondément dans le matériau, et même si elle est spécialement « injectée » profondément dans le matériau (par exemple, avec une seringue), elle le sera toujours. expulsé (évaporé). Cela se produit parce que dans les capillaires mouillés, un ménisque concave de la surface du liquide se forme et que les forces de tension superficielle attirent le liquide dans le capillaire (Fig. 25). Plus les capillaires sont fins, plus le liquide est absorbé fortement et la hauteur de montée de la colonne de liquide dans le capillaire en raison des forces de tension superficielle peut atteindre des dizaines de mètres. Ainsi, le liquide absorbé est progressivement distribué dans tout le volume du matériau poreux, qui est utilisé par les arbres pour apporter des solutions nutritionnelles depuis les racines jusqu'aux feuilles de la couronne.
Riz. 25. Illustration des propriétés d'un matériau poreux, présenté sous la forme d'un ensemble de canaux (capillaires, pores) de différentes tailles transversales d (diamètre). 1 – substrat non poreux, 2 – eau renversée sur le substrat, 3 – capillaires d'un matériau poreux qui, en raison de la tension superficielle F, absorbent l'eau du substrat à une plus grande hauteur, plus le capillaire est fin (la taille transversale conditionnelle du « canal » d0 pour l’eau hors capillaire est l’infini). Plus le capillaire est fin, plus la valeur d'équilibre de la pression de vapeur d'eau (humidité absolue de l'air d'équilibre, densité de vapeur saturée) est faible, ce qui fait que la vapeur d'eau formée à la surface de l'eau sur le substrat se condense à la surface de l'eau dans le capillaire (le mouvement de la vapeur est représenté par une flèche 4 en pointillés – ce phénomène d'humidification d'un matériau poreux avec la vapeur d'eau de l'air est appelé hygroscopique.
Les matériaux poreux ont un autre caractéristique importante, en raison du fait que la densité de la vapeur saturée au-dessus d'une surface d'eau concave est inférieure à celle au-dessus d'une surface d'eau plane et plane, c'est-à-dire moins de valeurs, indiqué sur la fig. 23. Cela est dû au fait que les molécules d'eau de la phase vapeur volent plus souvent dans l'eau compacte (liquide) avec un ménisque concave (puisqu'elles sont plus « entourées » par la surface de l'eau compacte), et l'air est dépourvu de vapeur d'eau. Tout cela conduit au fait que l'eau d'une surface plane s'évapore et se condense à l'intérieur du matériau poreux dans des capillaires aux parois mouillées. Cette propriété d’un matériau poreux d’être humidifié par l’air humide est appelée hygroscopique. Il est clair que tôt ou tard, toute l’eau des surfaces non poreuses se « recondensera » dans les capillaires du matériau poreux. Cela signifie que si les matériaux non poreux sont secs, cela ne signifie pas que les matériaux poreux le sont également dans ces conditions.
Ainsi, même à une faible humidité de l'air (par exemple à une humidité relative de 20 %), les matériaux poreux peuvent être humidifiés (même à une température de 100 °C). Ainsi, le bois est poreux, donc lorsqu'il est stocké dans un entrepôt, il ne peut pas devenir complètement sec, quelle que soit la durée de séchage, mais ne peut être « séché qu'à l'air ». Pour obtenir du bois absolument sec, il doit être chauffé aux températures les plus élevées possibles (120-150 °C et plus) avec une humidité relative de l'air aussi basse que possible (0,1 % et moins).
La teneur en humidité sèche du bois n’est pas déterminée par l’humidité absolue de l’air, mais par l’humidité relative de l’air à une température donnée. Cette dépendance est typique non seulement du bois, mais aussi de la brique, du plâtre, des fibres (amiante, laine, etc.). La capacité des matériaux poreux à absorber l’eau de l’air est appelée capacité à « respirer ». La capacité de « respirer » équivaut à l’hygroscopique. Ce phénomène sera discuté plus en détail dans la section 7.8.
Certains matériaux organiques poreux (fibres) sont capables de s'allonger en fonction de leur propre teneur en humidité. Par exemple, vous pouvez accrocher un poids à un fil de laine ordinaire et, tout en humidifiant le fil, vous assurer que le fil s'allonge, puis, en séchant, il se raccourcira à nouveau. Cela permet de déterminer la teneur en humidité du fil en mesurant la longueur du fil. Et puisque l'humidité du fil est déterminée par l'humidité relative de l'air, la longueur du fil peut également être utilisée pour déterminer l'humidité relative de l'air (bien qu'approximativement, avec une certaine erreur, qui augmente avec l'augmentation de l'humidité de l'air). Les hygromètres domestiques (appareils permettant de déterminer l'humidité relative de l'air), y compris ceux du bain, fonctionnent sur ce principe (Fig. 26).
Riz. 26. Le principe de l'hygromètre. 1 – fil hygroscopique, s'étirant lorsqu'il est humidifié (en matériau naturel ou artificiel), fixé aux deux extrémités au corps de l'appareil, 2 – fil machine de longueur réglable pour calibrer l'appareil, 3 – axe de rotation de la flèche indicatrice de l'appareil, 4 – levier à flèche, 5 – ressort de tension, 6 – flèche, 7 – échelle.
Lors du séchage, les fibres du bois se raccourcissent également. Cela explique les effets des changements de forme des branches végétales et de la déformation du bois lors du séchage. De nombreuses conceptions d'hygromètres de village artisanaux sont basées sur l'hygroscopique du bois (Fig. 27 et 28).
Ainsi, les surfaces concaves de l'eau dans les capillaires mouillés déterminent les propriétés spécifiques des matériaux poreux (notamment l'hygroscopique et l'évolution des propriétés mécaniques). Un rôle tout aussi important est joué par les surfaces d'eau convexes (sur les surfaces planes non mouillables des substrats et dans les capillaires non mouillables), au-dessus desquelles la pression de vapeur d'eau saturée est supérieure à celle au-dessus des surfaces d'eau plates et concaves. Cela signifie que les matériaux non mouillables sont plus secs que les matériaux mouillables : l'eau s'évapore des matériaux non mouillables et la vapeur résultante se condense ensuite sur les matériaux mouillables. C'est la base de l'action des imprégnations hydrofuges du bois, qui empêchent non seulement la pénétration de l'eau liquide dans les pores, mais également la condensation de la vapeur d'eau à l'intérieur du bois. La convexité des gouttelettes d'eau dans l'air explique l'évaporation facile du brouillard, ainsi que la difficulté (par rapport à la rosée) de sa formation lors de la surfusion des gaz humides (notamment dans les bains, dans les nuages, dans les nuages, etc.).
Riz. 27. L'hygromètre fait maison le plus simple à partir d'une branche de bois séchée et poncée. 1 – pousse principale, coupée des deux côtés et fixée au mur (située dans le plan de la feuille), 2 – pousse latérale secondaire de 3 à 6 mm d'épaisseur et 40 à 60 cm de long, 3 – écaille marquée sur le mur et construite selon un hygromètre gradué certifié (ou selon les bulletins météorologiques de la région). À faible humidité relative, le bois de la pousse sèche, la fibre longitudinale du bois 4 se raccourcit et éloigne la pousse latérale de la principale.
Riz. 28. L'hygromètre fait maison le plus simple, basé sur l'augmentation de la masse de bois humidifié à une humidité relative de l'air élevée. 1 – culbuteur (balance), 2 – fil de suspension, 3 – poids en matériau non hygroscopique (par exemple métal), 4 – poids en bois hygroscopique (bois rond mince en bois léger scié transversalement, comme le tilleul ou maille avec de la sciure et des copeaux). À mesure que l'humidité relative de l'air augmente, le bois s'hydrate et prend du poids, ce qui entraîne l'inclinaison de la bascule vers la charge hygroscopique.
En conclusion, nous notons les caractéristiques des concepts quotidiens et des termes professionnels associés aux gaz humides. De nombreux amateurs de bains publics sont toujours convaincus que les radiateurs des bains russes « s'éteignent » lors des rendements « explosifs » non pas d'une sorte de vapeur d'eau, mais d'une suspension gazeuse (poussière) de petites particules eau chaude, et les particules très microscopiques de l’eau chaude sont cette « vapeur légère ». Par conséquent, les partisans de cette belle théorie quotidienne doivent péniblement se précipiter entre l'opportunité évidente de l'offre « turque » pour des surfaces de sol grandes mais modérément chaudes (qui, selon cette théorie, semble donner la vapeur « la plus légère ») et le « utilité » de l’approvisionnement russe pour des surfaces de pierres chaudes relativement petites. Conformément à cette théorie, les bouffées de vapeur « blanche » provenant de la bouilloire semblent être le principal acte « d’évaporation » de l’eau dans la bouilloire. Ensuite, ces grosses particules de vapeur « blanche » « s’évaporent » (soi-disant se dissocient) à nouveau pour former des particules d’eau microscopiques invisibles à l’œil nu. Il est clair que toutes ces considérations sont une conséquence de l'ignorance de la théorie moléculaire des substances, et donc de l'incapacité d'imaginer l'eau condensée sous la forme d'un ensemble de molécules s'attirant mutuellement, à partir desquelles, surmontant une barrière, l'eau individuelle la plus énergétique les molécules peuvent voler dans l'air (capables de rompre les « liens » d'attraction mutuelle), formant simplement de la vapeur sous forme de gaz.
Dans ce livre, nous n'avons pas l'occasion d'aborder les nombreuses idées du quotidien (souvent très astucieuses, mais denses) si caractéristiques des bains. Ce livre propose une introduction à la physique au moins au niveau du programme scolaire. On distingue clairement l'eau liquide compacte versée dans un récipient de l'eau liquide dispersée (fragmentée) sous forme de grosses gouttes et éclaboussures et/ou sous forme de petites gouttelettes - aérosols (tombant lentement dans l'air) et/ou sous forme de gouttelettes ultrafines - brouillard et brume (ne tombant presque pas dans l'air). La vapeur d'eau (vapeur d'eau) n'est pas de l'eau ou un liquide (même finement divisé), mais un gaz ; ce sont des molécules d'eau individuelles dans l'espace, et ces molécules d'eau sont si éloignées les unes des autres qu'elles ne s'attirent pratiquement pas ( mais interagissent parfois à la suite de collisions et, de ce fait, sont capables de se combiner constamment - se condenser à de faibles vitesses de collisions moléculaires). Les molécules d'eau (sous forme de vapeur d'eau dans un bain) se trouvent toujours dans l'environnement des molécules d'air, formant un gaz spécial - l'air humide, c'est-à-dire un mélange d'air et de vapeur d'eau (un mélange de molécules d'eau, d'azote, oxygène, argon et autres composants qui composent l'air). Et si cet air humide est chaud, alors dans les bains, on l'appelle « vapeur ». Les vapeurs d'eau dissociées sont appelées molécules d'eau dissociées H 2 O –> OH + H, formés à des températures supérieures à 2000 °C. Avec encore plus températures élevées au-dessus de 5000 °C, diverses vapeurs d'eau ionisées se forment H 2 O –> OH ‑ + H + = OH ‑ +H 3 O + = OH + H + + e. L'ionisation peut également se produire à. basses températures vapeurs, mais avec irradiation électronique ou ionique, par exemple sous forme de décharges électriques luminescentes ou corona dans l'air.
La vapeur d'eau, comme tout gaz (ou toute vapeur, par exemple l'essence qui s'évapore), est invisible, et le brouillard, n'étant pas un gaz, mais de petites gouttelettes d'eau, diffuse la lumière et est visible sous forme de « fumée » blanche. Chaque jour, nous pouvons observer comment la vapeur d'eau s'échappe d'une bouilloire ou du couvercle d'une casserole et se refroidit dans l'air. Lorsqu'il sort de la bouilloire, il est d'abord invisible (sous forme de gaz), refroidit progressivement dans le bec de la bouilloire, commence à se condenser et se transforme en jets de brouillard (« bouffées de vapeur »). Ensuite, les gouttelettes de brouillard se mélangent à l’air et, si l’air est suffisamment sec (c’est-à-dire capable d’accepter l’humidité), elles s’évaporent à nouveau et « disparaissent ». Dans la vie des bains publics, la vapeur est généralement correctement comprise comme la vapeur d'eau invisible dans l'air, y compris l'air chaud et humide lui-même dans les bains publics appelé vapeur : « il y a de la vapeur chaude dans les bains publics » ou « de la vapeur froide dans les bains publics ». Le brouillard dans les bains publics sous forme de « bouffées de vapeur » est un phénomène indésirable. Le brouillard se forme lorsque l'air froid pénètre soudainement par les portes qui s'ouvrent dans un bain humide, ainsi que lorsqu'il heurte des pierres insuffisamment chauffées à basse température de l'air dans le bain (tout comme le brouillard se forme lorsque la vapeur quitte une bouilloire). Dans tous les cas, la formation de brouillard peut être évitée en augmentant la température de la vapeur ainsi qu'en augmentant la température et en diminuant l'humidité de l'air dans lequel pénètre la vapeur (voir section 7.5). Si du brouillard est visible dans les bains, la vapeur dans les bains est dite « brute » (voir section 7.6). Si, en entrant dans les bains, le visage sent l'humidité (transpiration) et que les lunettes s'embuent, alors on dit que la vapeur est « humide », et si le visage ne sent pas l'humidité, la vapeur est « sèche ». Bien entendu, la vapeur d’eau elle-même (en tant que gaz) ne peut pas être sèche, humide ou mouillée ; il serait plus correct de dire de l’air sec, humide ou mouillé. Dans le jargon professionnel, les plombiers utilisent souvent termes techniques Vapeur « humide » ou « humide », lorsqu'ils veulent expliquer que dans la canalisation de vapeur principale (par exemple, fournissant de la vapeur directement au hammam d'un bain urbain), il y a de l'eau condensée (y compris sous forme de brouillard). Les termes vapeur « sèche », « surchauffée » ou « vive » sont utilisés lorsque le tuyau de vapeur principal est sec à l'intérieur et que la vapeur à l'intérieur du tuyau est exempte de brouillard. Ainsi, la terminologie est complètement différente et des précisions supplémentaires sont parfois nécessaires. En règle générale, les terminologies scientifiques, professionnelles et quotidiennes ne coïncident pas.
Dans cette leçon, la notion d'humidité absolue et relative de l'air sera introduite, les termes et grandeurs associés à ces notions seront abordés : vapeur saturée, point de rosée, instruments de mesure de l'humidité. Au cours de la leçon, nous nous familiariserons avec les tableaux de densité et de pression de vapeur saturée ainsi qu'avec un tableau psychrométrique.
Pour les humains, la quantité d'humidité est très paramètre important environnement, car notre corps réagit très activement à ses changements. Par exemple, un mécanisme de régulation du fonctionnement du corps, comme la transpiration, est directement lié à la température et à l’humidité de l’environnement. À une humidité élevée, les processus d'évaporation de l'humidité de la surface de la peau sont pratiquement compensés par les processus de condensation et l'évacuation de la chaleur du corps est perturbée, ce qui entraîne des perturbations de la thermorégulation. À faible humidité, les processus d'évaporation de l'humidité prédominent sur les processus de condensation et le corps perd trop de liquide, ce qui peut entraîner une déshydratation.
La quantité d'humidité est importante non seulement pour les humains et les autres organismes vivants, mais aussi pour le flux d'air. processus technologiques. Par exemple, en raison de la propriété connue de l'eau de conduire courant électrique sa teneur dans l'air peut sérieusement affecter le bon fonctionnement de la plupart des appareils électriques.
De plus, la notion d'humidité est le critère d'évaluation le plus important. conditions météorologiques, que tout le monde connaît grâce aux prévisions météorologiques. Il convient de noter que si nous comparons l'humidité à différentes périodes de l'année dans notre environnement habituel conditions climatiques, puis il est plus élevé en été et plus faible en hiver, ce qui est notamment associé à l'intensité des processus d'évaporation à différentes températures.
Les principales caractéristiques de l’air humide sont :
- densité de vapeur d'eau dans l'air;
- humidité relative de l'air.
L'air est un gaz composite contenant de nombreux divers gaz, y compris la vapeur d'eau. Pour estimer sa quantité dans l'air, il est nécessaire de déterminer quelle masse de vapeur d'eau possède dans un certain volume alloué - cette valeur est caractérisée par la densité. La densité de la vapeur d'eau dans l'air s'appelle humidité absolue.
Définition.Humidité absolue de l'air- la quantité d'humidité contenue dans un mètre cube d'air.
Désignationhumidité absolue: (comme c'est la désignation habituelle de la densité).
Unités de mesurehumidité absolue: (en SI) ou (pour faciliter la mesure de petites quantités de vapeur d'eau dans l'air).
Formule calculs humidité absolue:
Désignations :
Masse de vapeur (eau) dans l'air, kg (en SI) ou g ;
Le volume d'air contenant la masse de vapeur indiquée est de .
D'une part, l'humidité absolue de l'air est une valeur compréhensible et pratique, car elle donne une idée de la teneur massique en eau de l'air, d'autre part, cette valeur est peu pratique du point de vue de la susceptibilité ; de l'humidité par les organismes vivants. Il s'avère que, par exemple, une personne ne ressent pas la teneur massique en eau de l'air, mais précisément sa teneur par rapport à la valeur maximale possible.
Pour décrire cette perception, la quantité suivante a été introduite : humidité relative.
Définition.Humidité relative– une valeur indiquant à quelle distance la vapeur se trouve de la saturation.
C'est-à-dire la valeur de l'humidité relative, en mots simples, montre ce qui suit : si la vapeur est loin de la saturation, alors l'humidité est faible, si elle est proche, elle est élevée.
Désignationhumidité relative: .
Unités de mesurehumidité relative: %.
Formule calculs humidité relative:
Désignations:
Densité de vapeur d'eau (humidité absolue), (en SI) ou ;
Densité de vapeur d'eau saturée à une température donnée, (en SI) ou .
Comme le montre la formule, elle inclut l'humidité absolue, que nous connaissons déjà, et la densité de vapeur saturée à la même température. La question se pose : comment déterminer cette dernière valeur ? Il existe des appareils spéciaux pour cela. Nous considérerons condensationhygromètre(Fig. 4) - un appareil utilisé pour déterminer le point de rosée.
Définition.Point de rosée- la température à laquelle la vapeur devient saturée.
Riz. 4. Hygromètre à condensation ()
Un liquide s'évaporant facilement, par exemple de l'éther, est versé dans le récipient de l'appareil, un thermomètre (6) est inséré et de l'air est pompé à travers le récipient à l'aide d'une ampoule (5). En raison de la circulation accrue de l'air, une évaporation intense de l'éther commence, la température du récipient diminue de ce fait et de la rosée (gouttelettes de vapeur condensée) apparaît sur le miroir (4). Au moment où la rosée apparaît sur le miroir, la température est mesurée à l'aide d'un thermomètre ; cette température est le point de rosée.
Que faire de la valeur de température obtenue (point de rosée) ? Il existe un tableau spécial dans lequel les données sont saisies - quelle densité de vapeur d'eau saturée correspond à chaque point de rosée spécifique. Il convient de noter fait utile, qu'à mesure que le point de rosée augmente, la valeur de la densité de vapeur saturée correspondante augmente également. En d’autres termes, plus l’air est chaud, plus plus il peut contenir de l'humidité, et vice versa, plus l'air est froid, plus la teneur maximale en vapeur est faible.
Considérons maintenant le principe de fonctionnement d'autres types d'hygromètres, appareils de mesure des caractéristiques d'humidité (du grec hygros - « humide » et meteo - « je mesure »).
Hygromètre à cheveux(Fig. 5) - un appareil de mesure de l'humidité relative, dans lequel les cheveux, par exemple les cheveux humains, jouent le rôle d'élément actif.
L'action d'un hygromètre capillaire repose sur la propriété des cheveux dégraissés de changer de longueur lorsque l'humidité de l'air change (avec une humidité croissante, la longueur des cheveux augmente, avec une diminution - elle diminue), ce qui permet de mesurer l'humidité relative. Les cheveux sont tendus sur une armature métallique. Le changement de longueur des cheveux est transmis à la flèche se déplaçant le long de l'échelle. Il ne faut pas oublier qu’un hygromètre à cheveux ne donne pas de valeurs précises d’humidité relative et qu’il est principalement utilisé à des fins domestiques.
Un appareil plus pratique et plus précis pour mesurer l'humidité relative est un psychromètre (du grec ancien ψυχρός - « froid ») (Fig. 6).
Un psychromètre se compose de deux thermomètres fixés sur une échelle commune. L'un des thermomètres est appelé thermomètre humide car il est enveloppé dans un tissu en batiste, qui est immergé dans un réservoir d'eau situé à l'arrière de l'appareil. L'eau s'évapore du tissu humide, ce qui entraîne le refroidissement du thermomètre, le processus de réduction de sa température se poursuit jusqu'à ce que le stade soit atteint jusqu'à ce que la vapeur près du tissu humide atteigne la saturation et que le thermomètre commence à afficher la température du point de rosée. Ainsi, le thermomètre à bulbe humide indique une température inférieure ou égale à la température ambiante réelle. Le deuxième thermomètre est appelé thermomètre sec et indique la température réelle.
En règle générale, sur le corps de l'appareil se trouve également un tableau dit psychrométrique (tableau 2). À l'aide de ce tableau, vous pouvez déterminer l'humidité relative de l'air ambiant à partir de la valeur de température indiquée par le thermomètre à bulbe sec et à partir de la différence de température entre les bulbes secs et humides.
Cependant, même sans un tel tableau à portée de main, vous pouvez déterminer approximativement la quantité d'humidité en utilisant le principe suivant. Si les lectures des deux thermomètres sont proches l'une de l'autre, l'évaporation de l'eau du thermomètre humide est presque entièrement compensée par la condensation, c'est-à-dire que l'humidité de l'air est élevée. Si, au contraire, la différence entre les lectures du thermomètre est importante, alors l'évaporation du tissu humide l'emporte sur la condensation et l'air est sec et l'humidité est faible.
Passons aux tableaux qui permettent de déterminer les caractéristiques de l'humidité de l'air.
|
Température, |
Pression, mm. art. Art. |
Densité de vapeur |
Tableau 1. Densité et pression de la vapeur d'eau saturée
Notons encore une fois que, comme indiqué précédemment, la valeur de la densité de la vapeur saturée augmente avec sa température, il en va de même pour la pression de la vapeur saturée.
Tableau 2. Tableau psychométrique
Rappelons que l'humidité relative est déterminée par la valeur des lectures de bulbe sec (première colonne) et la différence entre les lectures sèches et humides (première ligne).
Dans la leçon d'aujourd'hui, nous avons découvert une caractéristique importante de l'air : son humidité. Comme nous l'avons déjà dit, l'humidité diminue pendant la saison froide (hiver) et augmente pendant la saison chaude (été). Il est important de pouvoir réguler ces phénomènes, par exemple s'il est nécessaire d'augmenter l'humidité, placer plusieurs réservoirs d'eau à l'intérieur en hiver afin de favoriser les processus d'évaporation, cependant, cette méthode ne sera efficace qu'à la température appropriée, qui est plus élevé qu'à l'extérieur.
Dans la prochaine leçon, nous examinerons ce qu'est le travail au gaz et le principe de fonctionnement d'un moteur à combustion interne.
Références
- Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Éd. Orlova V.A., Roizena I.I. Physique 8. - M. : Mnémosyne.
- Perychkine A.V. Physique 8. - M. : Outarde, 2010.
- Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Physique 8. - M. : Lumières.
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