濕度(Humidity)是表示空氣干濕程度的物理量,常用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來表示。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少,則空氣越干燥;水汽越多,則空氣越潮濕。
濕度有三種基本形式,即水汽壓、相對濕度、露點溫度。水汽壓表示空氣中水汽部分的壓強,單位以百帕(hPa)為單位;相對濕度用空氣中實際水汽壓與當時氣溫下的飽和水汽壓之比的百分數(shù)表示;露點溫度是表示空氣中水汽含量和氣壓不變的條件下冷卻達到飽和時的溫度。水汽壓單位以百帕(hPa)為單位,取小數(shù)一位;相對濕度取整數(shù);露點溫度單位用攝氏度(℃)表示,取小數(shù)一位。配有濕度計時還可以測定相對濕度的連續(xù)記錄和最小相對濕度。
濕度取決于所處環(huán)境的溫度和壓力。相同量的水蒸氣導致冷空氣中的相對濕度高于熱空氣中的相對濕度。一個相關參數(shù)是露點。隨著溫度的升高,達到飽和所需的水蒸氣量也會增加。隨著空氣溫度的降低,它最終會達到飽和點,而不會增加或失去水質(zhì)量。一包空氣中所含的水蒸氣量可能會有很大差異。
用來測量濕度的儀器叫作濕度計,最常用的可以由多個量來表示空氣的濕度,包括:絕對濕度、水汽壓、相對濕度、比濕、露點等。常見的濕度測量方法有:動態(tài)法(雙壓法、雙溫法、分流法),靜態(tài)法(飽和鹽法、硫酸法),露點法,干濕球法和電子式傳感器法。
濕度的高低對人體舒適度(一般認為相對濕度低于70%時人體較為舒適)、生物健康、建筑和工業(yè)等方面都有影響。
相關定義
絕對濕度
絕對濕度是指在某一溫度和壓力下單位體積空氣中所含水氣的質(zhì)量。絕對濕度也即水蒸汽密度H=。一般用單位體積氣體中的水的重量(或質(zhì)量)來表示。絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。絕對濕度只有與溫度一起才有意義,因為空氣中能夠含有的濕度的量隨溫度而變化,在不同的溫度中絕對濕度也不同。隨著溫度的變化空氣的體積也要發(fā)生變化。但絕對濕度越靠近最高濕度,它隨溫度的變化就越小。
按照理想氣體狀態(tài)方程,可以把溫度為T的空氣絕對濕度表示為溫度為T的水蒸汽分壓力的關系:
式中表示濕空氣中含有水蒸汽質(zhì)量,V表示濕空氣體積。
絕對濕度的單位通常是 kg/立方米 或 g/m3。其中,kg/m3 指每立方米空氣中含有的水的重量為千克。g/m3 則指每立方米空氣中含有的水的重量為克。
在實際生活中,絕對濕度不被常用,原因有兩點:一、絕對濕度只能說明濕空氣中實際所含水蒸汽的質(zhì)量,而不能說明濕空氣干燥或潮濕的程度及吸濕能力的大小。二、絕對濕度并不能直接測出,只能通過稱重法,該方法復雜,需要時間長,一般只在實驗室用來對參考標準器提供絕對校準。
相對濕度
相對濕度是空氣中水蒸氣含量與在相同氣壓下,水蒸氣達到飽和狀態(tài)時所需要的水蒸氣含量之比,通常以百分數(shù)表示。在當前的氣溫之下,空氣里的水分含量達到飽和時,相對濕度就是100%,空氣中相對濕度超過100%時,水蒸氣一般會凝結(jié)出來。定義如下:
相對濕度 (RH) = 實際水汽壓力 / 飽和水汽壓力 × 100%
100%100%100%
其中,是絕對濕度,單位是克/立方米,最高濕度,單位是克/立方米,是蒸汽壓,單位是帕斯卡,是飽和蒸汽壓,單位是帕斯卡, 比濕,單位是克/千克,最高比濕,單位是克/千克。
露點
露點通常有兩個定義:一是空氣的相對濕度變成100%時,實際水蒸汽壓強等于飽和水蒸汽壓強時的溫度;二是使空氣里原來所含的未飽和水蒸汽變成飽和水蒸汽時的溫度。
濕氣與干氣比值
濕氣與干氣比值是指某一空氣質(zhì)量中的水蒸氣質(zhì)量與該空氣中不含水的部分 (即干空氣) 的質(zhì)量之比。通常用符號W來表示,其計算公式為:
其中,是空氣中水蒸氣的質(zhì)量,單位可以是克、千克等;是同一空氣體積中不含水分的干空氣的質(zhì)量,單位與一致。
比濕
比濕是空氣中的水的質(zhì)量與濕空氣的質(zhì)量之間的比,與氣溫、氣壓有關。比濕( q) 來表征大氣中水汽的絕對量,比濕的物理意義為每千克濕空氣中有多少克水汽,結(jié)合理想氣體定律,比濕的計算過程計算為:
當e <60hpa 時, 公式可化為,其中e按照瑪格努斯(Maynus)經(jīng)驗公式,即:
對于水面取a=7.5、b=237.3;對于冰面a=9.5、b=265.5,式中P為氣壓,單位hpa;t為氣溫,單位℃;e為水汽壓,單位:hpa。
氣溫、氣壓和比濕的關系表見下:
測量方法
干濕球法
通過測量空氣中濕度對干濕度的影響來計算相對濕度。測量時使用兩個溫度計,一個測量干球溫度,一個測量濕球溫度。將濕度計的濕球浸濕,吹風使其均勻蒸發(fā),然后測量兩個溫度計的溫度差(干球溫度減去濕球溫度),再通過查找表或計算公式來確定相對濕度。
公式:×100%
其中,RH為相對濕度,Td為濕球溫度,T0為干球溫度。
露點法
通過測量空氣溫度和露點溫度來確定相對濕度。露點溫度是空氣在當前壓力下飽和時的溫度。當空氣中水分溫度達到露點溫度時,水分開始凝結(jié),露水和霧霾會出現(xiàn)。測量時使一個鏡面處在樣品濕空氣中降溫,直到鏡面上隱現(xiàn)露滴(或冰晶)的瞬間,測出鏡面平均溫度,即為空氣中水分的露(霜)點溫度。
公式:
式中:H 為被測氣體相對濕度%RH;f為被測氣體增值系數(shù);Td 為被測氣體露點或霜點℃DP;T為被測氣體溫度℃;p為被測氣體壓力Pa;為純水面或冰面飽和水蒸氣壓Pa。
飽和鹽法
飽和鹽法也稱為鹽水法或鹽水飽和法。利用水分對鹽水飽和度的影響來測量濕度。測量時需要一小批鹽,將鹽放在一個密閉的容器中,然后加入足量的水,使鹽完全溶解。水和鹽混合后會讓空氣中的水蒸汽達到與混合物相對的飽和度,這一飽和度稱為鹽水飽和度。通過鹽水飽和度與相對濕度之間的關系,就可以轉(zhuǎn)換為相對濕度數(shù)值。
由于一種無機鹽飽和溶液在一定溫度下只有一個恒定的相對濕度而不會隨意變動,所以也稱為固定點濕度發(fā)生器。實際應用中,對濕度傳感器進行定量校準時選擇5種無機鹽飽和溶液,以獲得穩(wěn)定的恒定濕度。5種常用飽和鹽溶液在不同溫度條件下的相對濕度值見下表。
雙壓法
雙壓法是是通過測量空氣中濕空氣的壓力和干空氣的壓力之間的差異來計算相對濕度。測量時需要兩個壓力計,一個測量濕空氣的壓力,一個測量干空氣的壓力。濕空氣壓力計在測量前需要將一部分水分注入到器內(nèi),形成一定量的濕空氣,干空氣壓力計則不需要添加水分,為普通的壓力計。
測量時先將空氣樣品引入漏斗內(nèi),然后分別將濕空氣和干空氣分別通過漏斗內(nèi)的樣品進行通氣,測量完畢后,分別讀取濕空氣和干空氣壓力值,在某個溫度、壓力的飽和氣體與另一個溫度、壓力的不飽和氣體,其飽和水氣壓之比與壓力之比的乘積即為相對濕度。
計算公式為:100%,其中為高壓氣體,為低壓氣體。
分流法
分流法是通過將空氣分成兩個流體以確定相對濕度。測量時需要會將空氣分為兩個流體,一個干燥的流體和一個潮濕的流體。一般情況下,使用一個旋轉(zhuǎn)齒輪分割機或規(guī)律的泵體來實現(xiàn)兩條平行管道中的流體的交替流動,以實現(xiàn)空氣分流的目的。
干流中維持干燥的空氣,濕流逸散具有一定濕度的水蒸汽的空氣。濕度計被放置在濕流管上,以檢測濕度,而干流管在其中不需要濕度計。使用分流器,可以將濕度計連接到兩個不同的管道中,并將其中一個連接到干空氣管道,而另一個則連接到濕空氣管道。通過比較濕氣流體的濕度與干氣流體的濕度,可以確定空氣中的水蒸汽含量和相對濕度。
電阻式濕度片
電阻式濕度片是一種濕度傳感器,工作原理是利用吸濕膜片隨濕度變化改變其電阻值的原理進行濕度測量。氯化鋰濕度片和碳膜濕敏電阻為常用類型。傳感器通常由兩個電極組成,它們之間通過某種材料隔開,該材料可以吸收環(huán)境中的濕氣。當濕氣吸收到材料中時,電極間的電阻將發(fā)生變化。這種變化的大小與環(huán)境濕度成正比,傳感器就可以通過測量電阻變化來確定環(huán)境濕度。
濕敏電容法
薄膜濕敏電容法是目前濕度測量經(jīng)常使用的方法,其基本原理是在有機高分子化合物薄膜的上下表面蒸鍍一層微孔電極,構成一平行板電容器,當測量氣體的相對濕度發(fā)生變化時,高分子薄膜在吸濕或脫濕過程中其介電常數(shù)變化,使?jié)衩綦娙莸娜萘颗c被測氣體的相對濕度近似為正比例變化,再將容量變化轉(zhuǎn)化為頻率信號信號即可測量相對濕度。
濕度計
濕度計是一種用于測量空氣中濕氣含量的儀器,也稱為濕度計或濕度表。目的是為了幫助人們實現(xiàn)濕度控制,以維持合適的環(huán)境濕度,從而提高生產(chǎn)效率,保護設備和產(chǎn)品,以及改善居住環(huán)境質(zhì)量。主要分為電子式濕度計、機械式濕度計、化學式濕度計、應變片式濕度計。
影響
氣候
土壤濕度主要是通過水熱交換在水文循環(huán)、植被種類轉(zhuǎn)變、微生物活動變化,以及變暖引起的土壤碳損失方面起著關鍵作用,是控制地球關鍵區(qū)地表能量分配、地表徑流、土壤排水和土壤凍融狀態(tài)的關鍵變量。雖然表層土壤濕度占全球淡水不到0.001%的儲存量,但作為大氣現(xiàn)象的一個重要因素,土壤濕度對陸地表面的水分、能量及其相關過程通量有重大影響,它會對各種地球表面過程產(chǎn)生非線性影響,例如土壤微生物呼吸、能量循環(huán)、徑流形成等,因此它在陸氣相互作用過程中起著關鍵作用。土壤濕度通過陸氣間的相互作用和循環(huán)使氣候發(fā)生改變,相反,氣候的變化也會引起土壤濕度的改變,這種相互作用是復雜且不可分割的。
人體舒適度
在醫(yī)學上空氣的濕度與呼吸之間的關系非常緊密。在一定的濕度下氧氣比較容易通過肺泡進入血液。一般人在45-55%的相對濕度下感覺最舒適。在過熱而不通風的房間里的低濕度下,因上呼吸道粘膜的水分大量喪失,人感覺口干舌燥,甚至出現(xiàn)咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血,并誘發(fā)感冒;同時呼吸道內(nèi)纖毛的自凈能力和噬菌細胞的活動能力減小,增加了呼吸器官受病毒感染的可能性和不舒適性。醫(yī)學上使用的麻醉氣體通常在無水條件下存放,若使用時未添加濕度會因在肺部蒸發(fā)導致粘膜失水。皮膚的極度干燥會導致皮膚損傷、粗燥和不舒適,人體皮膚因缺少水分而變得粗糙甚至開裂,人體的免疫系統(tǒng)也會受到傷害對疾病的抵抗力大大降低甚至喪失。此外干燥的空氣還會影響人體黏膜的生理特性,較低的空氣水分含量會加速淚液蒸發(fā)速度,尤其是人體角膜前淚液膜,造成人員眨眼頻率降低,引起眼部不適等癥狀。
另一方面,任何氣溫條件下的過高濕度也會對人體健康造成影響,包括夏季和多雨的季節(jié)。當氣溫和濕度高達某一極限時,會導致身體的自然排汗機制受阻,進而影響熱量的散發(fā)和體溫的調(diào)節(jié)。這可能會引發(fā)體溫過高、虛脫、中暑、心肌梗死等健康問題,甚至可能超過人體的耐熱極限導致死亡。另外,過高的濕度也容易促進霉菌、細菌和真菌的生長,加重過敏和哮喘等疾病的癥狀。
航海
當艦船在海上航行時,經(jīng)常會遇到高溫與高濕環(huán)境 , 這 種高溫與高濕環(huán)境對艦船以及船上的武器設備、貨物等造成較大的危害,高濕會使船上的金屬材料腐蝕生銹,非金屬材料發(fā)生變質(zhì)情況。另外,電子設備、繼電器、電線、開關等會因高溫環(huán)境分解有機酸,遇到濕空氣會發(fā)生漏電狀況,導致各類電子設備參數(shù)異常,影響艦船上電子設備的使用。
航天
航天裝備(如人造衛(wèi)星、飛船、火箭等)一般要經(jīng)歷生產(chǎn)運輸、地面發(fā)射、飛行、在軌運行和回收等過程,所處的環(huán)境復雜多變,要受到高濕度、雨露、地下潮氣、海洋鹽霧和高空與外層空間低溫環(huán)境等,所有這些不利因素都對航天裝備提出了苛刻的要求。例如,目前海上發(fā)射技術日趨成熟,但臨海或海上發(fā)射帶來的高濕度環(huán)境使得航天裝備存在腐蝕、結(jié)冰、水汽進入和微電子系統(tǒng)短路等安全隱患。裝備運輸船和海上發(fā)射平臺由于長期與海水接觸,會發(fā)生船體和平臺鋼結(jié)構腐蝕;在裝備的存儲和回收過程中,海洋鹽霧與水分的進入也會造成裝備金屬結(jié)構的腐蝕;發(fā)射平臺的混凝土結(jié)構結(jié)冰后脆性變大,易發(fā)生老化斷裂;在低溫環(huán)境中,水分附著在航天發(fā)動機、推進器和分離系統(tǒng)的氣動和傳動部件上遇冷結(jié)冰,導致發(fā)動機、推進器和分離機構的各部件工作失效;潮氣與水分附著到航天器的微電子系統(tǒng)和傳感器中,由于導電特性,導致短路發(fā)生,危及整個電路系統(tǒng);航天系統(tǒng)中管道和裝備管路都存在阻力造成的能耗大、高熱流等問題,不僅浪費能源, 而且會由于局部溫度過高影響裝備性能和使用壽命。
植物產(chǎn)量
濕度是對生物體影響最直接和普遍的環(huán)境因素之一,比如針對花期澳洲堅果植株經(jīng)不同空氣濕度處理結(jié)果表明,在低空氣濕度條件下,植株的花粉育性降低、SOD 活性降低、POD 活性上升、座果率及光合產(chǎn)物 (葉綠素含量、總糖含量和淀粉含量)下降、幼果生長速度減慢;空氣濕度降低導致酶活性降低,自由基含量增加,生物膜功能受損,生理代謝紊亂,造成葉片光合作用能力下降,干物質(zhì)積累少,生物產(chǎn)量降低,花粉萌發(fā)率低、花粉管生長速度慢,造成花期不遇、授粉受精卵不良、座果率低,最后造成產(chǎn)量降低。
糧食儲存
谷物是糧食中的重要一類。從谷物的收割到銷售的各個環(huán)節(jié)中都離不開對濕度的控制。理想的谷物濕度是在谷物中微生物生長濕度的臨界點附近,這樣一方面可以保證保障谷物糧食的新鮮度、維持谷物種子的發(fā)芽率,同時也最大限度的保證了谷物的儲藏安全。如果谷物在存儲、運輸、交易的過程濕度過高,谷物的生命活動旺盛,會導致發(fā)熱、生蟲甚至霉變。僅在我國每年就有數(shù)百億斤的谷物因為濕度過高而在上述環(huán)節(jié)出現(xiàn)霉變造成了巨大的經(jīng)濟損失。但如果谷物濕度過低,則會影響糧食的品質(zhì)。
參考資料 >
人工光源型植物工廠溫濕度環(huán)境控制與試驗研究.中國知網(wǎng).2023-06-12
電阻式濕度傳感器技術及相關專利分析.中國知網(wǎng).2023-06-05