应用指南

水气的多面性 : 相对湿度、露点、混合比…

水在不同状态下有不同的名称。它也可以通过多种方式进行测量并用 不同术语来描述。本应用说明解释了空气中水气的行为,并阐明了用 于描述水气的术语。

人们常说,心爱的孩子有很多名字。这也适 用于水(包括气态水),水是我们星球上所 有生命的起源。我们大多数人都听说过相 对湿度和露点温度,但还有许多其他方法 可以测量水的存在。水气分压、绝对湿度、 霜点、混合比、湿球温度甚至焓值都描述 了气体的湿度。

当使用术语“湿度”时,我们通常指的是气 体(通常是空气)中的水气。另一方面,水 分用于液体和固体材料。当水气被视为 杂质时,术语“水分”也适用于极其干燥的 气体。

气体混合物的属性

充分了解湿度和水分的各个术语需要掌握 一定的气体混合物属性基本知识。

在气体混合物(例如空气)中,气体的总压 力(与大气压相同)是其气体成分的所有单 独压力的总和。大气压通常为 1000 hPa 左右,是氮气(约 775 hPa)、氧气(约 205 hPa)、水气(约 10 hPa)、氩气(约 10 hPa)和二氧化碳(约 0.4 hPa)以及 许多其他具有较低分压的气体的分压总 和。在分子数相同时,所有气体都产生相

All gases produce the same pressure and volume with the same number of molecules, so the partial pressures also represent the proportion by volume of the various gases. On this basis, 21% of the total volume of dry air is oxygen and around 1% is typically argon.

同的压力和体积,所以分压也代表了各种 气体的体积比例。在此基础上,干燥空气 总体积的 21% 是氧气,通常大约 1% 是 氩气。

水气压 pw [hPa、PSI、Pa、 mbar、mmHg、inHg、 mmH20 或 inH2O]

气温决定了空气中的最大水气分压,即饱 和水气压力。水以气态形式存在的能力在 很大程度上取决于其温度(参见图 1:饱和 水气压力曲线)。温度越高,水气分压就越 高。直接存在液态水时的水气分压等于该 特定温度下的饱和压力。

在水的沸点 100 °C 时,水气压超过正常 大气压。从这个角度来看,液体的沸点不 仅取决于液体的物理性质,还取决于周围 的大气压。如果一位登山者在珠穆朗玛峰 顶给自己泡一杯茶,那味道可能会有些不 尽人意。海拔高度 8800 米处的大气压只 有海平面压力的三分之一左右,因此茶水 的沸点会远低于 70 °C。

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图 1. 饱和水气压力曲线

相对湿度 RH [%]

相对湿度是常用的湿度单位。不过,理解 其真正含义的人“相对”很少。

相对湿度中的“相对”表示的是现有水气量 与该温度下实际可能达到的最大量之间的 比例。换言之,以百分比表示的相对湿度 是相对于饱和压力的水气分压。

 % RH = 100% * (Pw / Pws)
其中:pw = 水气分压
pws = 水气的饱和压力

 

如果已达到最大水气量并且更多的水被引 入空气中,那么这些多余的水必然会通过 冷凝作用转换回液体或固体形式。此时, 空气被称为水饱和,相对湿度为 100%。 在另一个极端,当空气中没有水气时,无论 温度如何,相对湿度都是 0%。换言之,相 对湿度始终介于 0 到 100% 之间。

如上所述,空气容纳水气的能力很大程度 上取决于温度。当然,这意味着相对湿度 也在很大程度上取决于温度。假设在一个 清爽的冬日,室外温度为 -14 °C,相对湿 度为 60%。当室外空气进入建筑物时,它 会被加热到 +21 °C,但水量保持不变 — 在正常的通风系统中,没有水被移除或添 加到空气中。由于这种加热,水气的饱和 压力上升(即空气中的最大可能水气量), 但水气的分压不变。在这种情况下,相对 湿度将下降到 5%,此时通常认为空气过 于干燥,会让人感到不舒适。

温度变化也解释了为什么我们有时可以在 室外“看到我们的呼吸”。想想当我们在一 个温度为 +7 °C、相对湿度为 80% 的凉 爽春天的清晨站在室外时会发生什么。当 我们呼出大约 +32 °C 和 90% RH 的空 气时,它会迅速冷却,达到 +30 °C 左右 时的饱和点。随着冷却的继续,多余的水 气会凝结成微小水滴,这就是我们看到的 蒸汽或薄雾。

露点温度 Td [°C]

这引出了另一个广泛使用的湿度单位:露 点温度 (°C)。露点是冷凝开始时的温度, 或是空气冷却情况下相对湿度为 100% 时的温度。露点只是表示水气分压的一种 更易于理解的方式,这从水气的图表中很 容易看出(参见图 2:80 °C 和 42% RH 时的气体露点)。

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图 2. 80 °C 和 42% RH 下的气体露点。

尽管露点表示为温度,但它与空气中的水 气量相关,因此与环境温度无关。露点温 度始终低于或等于实际温度,正常室外空 气的极端温度为 -30 °C 和 +30 °C。在 工业环境中可以找到更干燥和更湿润的气 体,有时会测量到 -100 °C 和 +100 °C 之间的露点。理论上,露点温度可低至 –273 °C(绝对零度),但在正常大气压 下,它永远不会超过 100 °C。当露点为 100 °C 时,空气中只含有水气而不含其他 气体,因此在不提高压力及水气密度的情 况下无法增加水量。

不同温度下的饱和水气压力是一个已知变 量,因此可以根据相对湿度和温度计算出 露点。相反,如果已知露点和温度或相对 湿度,则可以计算出缺少的变量。

一杯啤酒或任何冷饮提供了露点的实例。 由于与空气相比,玻璃的导热性相当好, 因此它会冷却到与饮料几乎相同的温度。玻璃杯周围的空气随后冷却,形成与玻 璃杯几乎相同温度的一层薄薄的空气。 如果饮料的温度低于周围空气的露点温 度,玻璃杯周围的空气将会水饱和,多余 的水会凝结在玻璃杯表面。这些小水滴 称为露。

如果饮料的温度高于空气的露点温度,玻 璃杯周围空气的相对湿度将高于环境湿 度,但不会发生可见的冷凝。

霜点 Tf [°C]

如果露点温度低于冰点,有时会使用术语“ 霜点”。冰的饱和水气压力略低于水,在计 算霜点时必须考虑到这一点。当物体表面 上实际形成霜时,这一现象始终是在霜点 而不是露点温度下发生的。

绝对湿度 a [g/m3]

绝对湿度是指一定体积的气体中水的 重量。例如,在一个典型的夏日(+23°, 55% RH),每立方米空气中有 11.3 克水 气。空气的密度随压力而变化,因此绝对 湿度在很大程度上取决于气压。在加压过 程中,必须知道压力才能根据其他湿度变 量计算绝对湿度。

由于绝对湿度能够提供现存水量的可靠信 息,因此得到了非常广泛的使用。

混合比 x [g/kg]

混合比定义了一千克干燥气体所占体积中 水的重量。换言之,必须将 9.6 克水蒸发 到 1 千克空气中才能获得与上一节所述 相同的夏季空气。空气的密度随压力而变 化,因此混合比也取决于气体的压力。在 加压过程中,必须知道压力才能根据其他 湿度变量计算混合比。

混合比主要用于在知道空气的质量流量时 (例如在通风系统中)计算水含量。

湿球温度 Tw [°C]

当水蒸发时,它会消耗热量。这种冷却效 果取决于环境温度以及环境空气的水气压 力与该温度下的饱和压力之间的差值。因 此,可以通过测量冷却效果来确定环境相 对湿度。冷却效果用干湿计测量,该仪器 带有两个温度计,其中一个用湿布覆盖。 此温度计的读数称为湿球温度。还可以根 据温度、压力和相对湿度计算湿球温度。

焓值 h [kJ/kg]

焓值是表示气体能量含量的单位。严格来 说,不应该将其包括在这篇有关湿度单位 的文章中。但由于水气具有非常高的比热 容,并且能以各种不同的浓度存在于空气 中,因此它对焓值有非常大的影响。

焓值表示使 0 °C 温度的干燥气体产生流 动所需的能量。蒸发水和提高湿气温度的 过程会消耗能量。焓值最常用于在空调和 其他系统中比较气体的热含量。

水活度 aw

水活度可定义为材料中的可用游离水分, 而不是化学结合的水分。简单来说,水活度 是材料样本在密封空气空间中产生的平衡 相对湿度。

水活度用于油中含水率测量。它可直接指 示是否有形成游离水的风险。相对标度从 0(无水)到 1(油中水饱和),此测量可以 可靠地指示油与饱和点的接近程度。aw 的优点是测量不受油类型、使用年限和温 度的影响。

可用作计算变量

维萨拉有多种测量相对湿度、温度和露点的产品可供选择。某些产品还具有内置计算选件,可输出本文中提到的其他湿度变量。 

例如,Vaisala Indigo 系列是一个模块化仪器平台,具有多种发射器和可互换的智能探头,可测量各种参数,以及用于轻松连接和监控数据的软件。

Indigo 兼容湿度探头基于 Vaisala 的专有 HUMICAP® 技术,该技术以其出色的长期稳定性、适用于冷凝环境的传感器加热和从冷凝中完全恢复、对灰尘和大多数化学物质不敏感以及化学品清除选项而闻名。

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