رطوبت نسبی ، نقطه شبنم ، نسبت مخلوط و بسیاری از چهره های بخار آب!

رطوبت و انواع آن را قصد داریم در این مقاله بشناسیم.

انواع شکل های آب کدام است و رطوبت نسبی و مطلق چه تفاوت هایی دارند؟

 

آب ( رطوبت ) در شرایط و موقعیت های مختلف با نام های مختلف شناخته می شود.
می توان آن را با روش های مختلف اندازه گیری و با اصطلاحات مختلف توصیف کرد.
این مقاله، رفتار بخار آب در هوا را توضیح می دهد و اصطلاحات مورد استفاده برای توصیف آن را شفاف سازی می کند.

همه می دانیم که کودک محبوب بین خانواده، اسامی زیادی دارد!
این امر در مورد آب نیز صادق است و آب اسم های مختلفی دارد؛
از جمله آب به شکل گازی، که منبع همه حیات در سیاره ما است.
بسیاری از ما در مورد رطوبت نسبی و دمای نقطه شبنم شنیده ایم،
اما روش های بسیار دیگری نیز برای اندازه گیری بخارات آب موجود در هوا وجود دارد.
فشار بخار آب جزئی Partial Water Vapor Pressure، رطوبت مطلق Absolute Humidity،نقطه انجماد (frostpoint)، نسبت مخلوط Mixing Ratio،
دمای حباب تر یا دمای حباب مرطوب (wet bulb temperature) و حتی آنتالپی Enthalpy، همه این موارد میزان رطوبت یک گاز را توصیف می کنند.

وقتی از واژه رطوبت استفاده می شود، معمولاً منظور ما بخار آب در یک گاز (معمولاً هوا) است.
از طرف دیگر، رطوبت برای مایعات و مواد جامد استفاده می شود.
اصطلاح رطوبت برای گاز های بسیار خشک نیز، زمانی که بخار آب به عنوان ناخالصی تلقی می شود، استفاده می شود.

رطوبت ( مقدمه : ترکیبات گازی)

درک کامل اصطلاحات مختلف رطوبت، مستلزم داشتن دانش اولیه در مورد خواص ترکیبات گاز است.

 

 

 

 

در مخلوط گازی مانند هوا، فشار کل (همان فشار جوی یا فشار بارومتریک) گاز، مجموع تمام فشار های جداگانه اجزای آن گاز است.
فشار اتمسفر که معمولاً ۱۰۰۰ hPa می باشد،
مجموع فشارهای نسبی گاز نیتروژن (حدودا ۷۷۵ hPa)، گاز اکسیژن(حدودا ۱۰ hPa)، آرگون (حدودا ۱۰ hPa)، دی اکسید کربن (حدودا ۰٫۴ hPa) و تعدادی از گاز های دیگر با فشارهای جزئی کمتر است.
همه گازها با تعداد مولکول های یکسان، فشار و حجم یکسانی تولید می کنند؛
بنابراین فشار های جزئی نیز نسبت حجم گاز های مختلف را نشان می دهند.
بر این اساس، ۲۱ درصد از حجم کل هوای خشک اکسیژن و حدود ۱ درصد آن معمولاً آرگون است.

 

فشار بخار آب یا PW

 (hPa ، PSI ، Pa ، mbar ، mmHg ، inHg ، mmH20 یا  inH2O)

دمای هوا تعیین کننده حداکثر فشار جزئی بخار آب  در هوا یا به عبارت دیگر، فشار اشباع بخار آب، می باشد.
توانایی آب در شکل گازی بستگی زیادی به دمای آن دارد (شکل ۱ را ببینید: منحنی فشار اشباع بخار آب).
هرچه دمای هوا بیشتر باشد، فشار نسبی بخار آب بیشتر می شود.
فشار جزئی بخار آب در لحظه چگالش آب برابر با فشار اشباع در آن دمای خاص است.

 



 

 

در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد، یعنی دمای جوش آب، فشار بخار آب از فشار معمولی جوی فراتر می رود.
در این حالت، نقطه جوش مایع نه تنها به خواص فیزیکی مایع بلکه به فشار اتمسفر محیط نیز بستگی دارد.
اگر کوهنوردی برای خود یک فنجان چای در بالای قله اورست آماده کند، طعم آن احتمالاً با چای روی سطح زمین متفاوت است!
فشار جوی در ارتفاع ۸۸۰۰ متری، تنها حدود یک سوم فشار سطح دریا است؛
بنابراین آب برای دم کردن چای، در دمای زیر ۷۰ درجه سانتی گراد به جوش می آید.

رطوبت نسبی یا RH (برحسب %)

رطوبت نسبی رایج ترین واحد رطوبت است.
با این حال، نسبتاً تعداد کمی از مردم معنی آن را درک می کنند.
کلمه نسبی در رطوبت نسبی، رابطه بین مقدار بخار آب موجود و حداکثر مقدار بخار آبی که از نظر فیزیکی در آن دما امکان پذیر است را بیان می کند.



 

 

 

به عبارت دیگر، رطوبت نسبی، که بر حسب درصد بیان می شود، فشار جزئی بخار آب در رابطه با فشار اشباع است.

% RH= 100% * ( p w/ p ws)

در این فرمول، P w همان فشار بخار آب جزئی  است و P ws، فشار اشباع بخار آب است.

اگر فشار  بخار آب به حداکثر مقدار خود یا همان فشار اشباع رسیده و آب بیشتری به هوا وارد شود، ب
ه مقدار مساوی آب باید از طریق میعان به حالت مایع یا جامد تبدیل شود.
در این مرحله گفته می شود که هوا از بخار آب اشباع شده و رطوبت نسبی آن ۱۰۰٪ است.
در طرف دیگر مقیاس، هنگامی که بخار آب در هوا وجود ندارد، رطوبت نسبی در هر درجه حرارتی ۰ درصد است.
به عبارت دیگر، رطوبت نسبی همیشه بین ۰ تا ۱۰۰ متغیر است.

همانطور که گفته شد، توانایی هوا در نگه داشتن بخار آب، به شدت به دما بستگی دارد.
این بدان معناست که رطوبت نسبی نیز به شدت وابسته به دما است.
بیایید تصور کنیم که دمای بیرون در یک روز سرد زمستانی، ۱۴- درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی ۶۰ درصد است.
هنگامی که این هوا وارد ساختمان می شود و تا +۲۱ درجه سانتی گراد گرم می شود،
مقدار آب ثابت می ماند؛ در سیستم های تهویه معمولی آبی جدا  نمی شود یا به هوا اضافه نمی شود.
به دلیل این حرارت ، فشار اشباع بخار آب(یعنی حداکثر مقدار ممکن بخار آب در هوا) افزایش می یابد، اما فشار جزئی بخار آب بدون تغییر است.
در این حالت، رطوبت نسبی به ۵ درصد کاهش می یابد که معمولاً برای راحتی، این یک هوای بیش از حد خشک در نظر گرفته می شود.

تغییرات دما همچنین توضیح می دهد که چرا گاهی اوقات می توانیم نفس خود را در هوای سرد ببینیم.
در نظر بگیرید که چه اتفاقی می افتد وقتی که در یک صبح خنک بهاری با دمای هوا، +۷ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی ۸۰ درصد می ایستیم.
وقتی هوا را که در دمای ۳۲+ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبتی ۹۰ درصد است، بازدم می کنیم، به سرعت سرد می شود
و در حدود ۳۰ درجه سانتی گراد به نقطه اشباع می رسد.
با ادامه سرمایش، بخار آب اضافی به قطرات ریز آب متراکم می شود که ما آنها را به شکل بخار یا مه می بینیم.

دمای نقطه شبنم یا همان T_d (بر حسب سانتی گراد یا فارنهایت)

در ادامه، به یکی دیگر از واحدهای رطوبت پرکاربرد دیگر می رسیم: دمای نقطه شبنم  بر حسب(° C یا ° F) حساب می شود.



 

 

نقطه شبنم دمایی است که در آن میعان شروع می شود یا در صورت خنک شدن هوا، رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد خواهد بود.
این امر از نمودار بخار آب به راحتی قابل مشاهده است، با توجه به اینکه نقطه شبنم فقط یک راه قابل فهم تر برای بیان فشار بخار آب جزئی است.
( شکل ۲ را ببینید: نقطه شبنم گاز در ۴۲٪ RH).

گرچه نقطه شبنم به عنوان دما بیان می شود، با مقدار بخار آب موجود در هوا ارتباط دارد و بنابراین به دمای محیط وابسته نیست.
دمای نقطه شبنم همیشه کمتر یا مساوی با دمای واقعی است،
یعنی برای هوای معمولی در فضای باز، حداکثر ۳۰ درجه سانتیگراد و +۳۰ درجه سانتیگراد است.
گاز های خشک تر و مرطوب تر را می توان در محیط های صنعتی یافت؛
به عنوان مثال، در این محیط های صنعتی، گاهی نقاط شبنم بین -۱۰۰ تا +۱۰۰ درجه سانتی گراد اندازه گیری می شود.

از لحاظ تئوری، دمای نقطه شبنم می تواند تا ۲۷۳ درجه سانتی گراد (صفر مطلق) باشد،
اما در فشار طبیعی جوی، هرگز نمی تواند از ۱۰۰ درجه سانتی گراد تجاوز کند.
هنگامی که نقطه شبنم ۱۰۰ درجه سانتی گراد است، هوا فقط حاوی بخار آب است و هیچ گاز دیگری ندارد؛
بنابراین بدون افزایش چگالی بخار و در نتیجه فشار، نمی توان مقدار آب را افزایش داد.



 

 

فشار اشباع بخار آب در دماهای مختلف یک متغیر شناخته شده است؛
بنابراین نقطه شبنم را می توان با استفاده از رطوبت و دمای نسبی محاسبه کرد.
برعکس اگر نقطه شبنم و دما یا رطوبت نسبی مشخص باشد، می توان متغیر از دست رفته را محاسبه کرد.

یک لیوان آبمیوه یا هر نوشیدنی سرد، نمونه عملی نقطه شبنم را ارائه می دهد.
از آنجایی که شیشه نسبت به هوا، هدایت گرمایی بهتری دارد، تقریباً در همان دما، نوشیدنی سرد می شود.
سپس هوای اطراف شیشه سرد می شود و یک لایه نازک از هوا با دمای تقریباً برابر با شیشه ایجاد می کند.
اگر دمای نوشیدنی زیر دمای شبنم هوای اطراف باشد، هوای اطراف لیوان از آب اشباع شده و آب اضافی روی سطح لیوان متراکم می شود.
این قطرات کوچک آب را، شبنم می نامند.

اگر دمای نوشیدنی بالاتر از دمای شبنم هوا باشد، رطوبت نسبی هوای اطراف شیشه بیشتر از رطوبت محیط خواهد بود اما میعان(Condensation) قابل مشاهده ای رخ نمی دهد.

نقطه سرمازدگی Frost Point یا T_f (بر حسب درجه سانتی گراد یا درجه فارنهایت)

اگر دمای نقطه شبنم زیر نقطه انجماد باشد، گاهی از اصطلاح نقطه سرمازدگی استفاده می شود.
فشار اشباع بخار آب یخ کمی کمتر از آب است، که هنگام محاسبه نقطه سرمازدگی باید به آن توجه شود.
هنگامی که یخ روی سطحی شکل می گیرد، همیشه در نقطه سرمازدگی رخ می دهد و نه در دمای نقطه شبنم.

رطوبت مطلق یا a ( بر حسب g/m³ یا gr/ft³)

رطوبت مطلق، به وزن آب در حجم معینی از گاز اشاره دارد.
به عنوان مثال، در یک روز معمولی تابستان (+۲۳ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی ۵۵ درصد) ۱۱٫۳ گرم بخار آب در هر متر مکعب وجود دارد.
چگالی هوا با فشار متفاوت است؛
بنابراین رطوبت مطلق به شدت به فشار گاز بستگی دارد.
در فرآیند های تحت فشار، فشار باید محاسبه شود تا بتوان رطوبت مطلق را از سایر متغیر های رطوبت محاسبه کرد.
از آنجا که رطوبت مطلق اطلاعات قابل اطمینان از میزان آب موجود را ارائه می دهد، معمولا مورد استفاده قرار می گیرد.

نسبت مخلوط یا x ( بر حسب gr/kg  یا gr/lb)

نسبت مخلوط، وزن آب را در حجم اشغال شده در یک کیلوگرم گاز خشک تعریف می کند.
به عبارت دیگر، ۹٫۶ گرم آب باید در یک کیلوگرم هوا بخار شود تا همان هوای تابستانی را که در قسمت قبل توضیح داده شد، بدست آورد.
چگالی هوا با فشار متفاوت است؛
بنابراین نسبت مخلوط نیز به فشار گاز بستگی دارد.
در فرآیند های تحت فشار، برای محاسبه نسبت مخلوط، از سایر متغیر های رطوبت و فشار باید استفاده شود.

نسبت مخلوط عمدتا برای محاسبه محتوای آب هنگامی که جریان جرم هوا مشخص است، استفاده می شود.
به عنوان مثال، در سیستم های تهویه مورد استفاده قرار می گیرد.

دمای مرطوب لامپ یا T_w ( بر حسب درجه سانتی گراد یا فارنهایت)

با تبخیر آب، گرما مصرف می شود.
این کولینگ افکت(cooling effect) به دمای محیط و تفاوت بین فشار بخار آب هوای محیط و فشار اشباع در آن دما بستگی دارد.
بنابراین با اندازه گیری اثر کولینگ افکت، می توان رطوبت نسبی محیط را تعیین کرد.
اثر کولینگ افکت با سایکومتر گیری می شود، وسیله ای با دو دماسنج که یکی از آنها با پارچه ای مرطوب پوشانده شده است.
قرائت این دماسنج را دمای لامپ مرطوب می نامند.
همچنین دمای مرطوب لامپ را می توان از دما، فشار و رطوبت نسبی محاسبه کرد.

آنتالپی یا h ( برحسب kj/kg یا Btu/lb)

آنتالپی واحدی است که میزان انرژی یک گاز را بیان می کند.
به طور دقیق، نباید در این مقاله واحد های رطوبت گنجانده شود.
اما از آنجا که بخار آب دارای ظرفیت حرارتی بسیار بالا است و می تواند در غلظت های مختلف در هوا وجود داشته باشد، تأثیر بسیار زیادی بر آنتالپی دارد.

 



 

 

 

 

آنتالپی نشان دهنده مقدار انرژی مورد نیاز برای رساندن گاز به جریان خود از گاز خشک در دمای ۰ درجه سانتی گراد است.
انرژی برای بخار شدن آب و افزایش دمای گاز مرطوب مصرف می شود.
آنتالپی بیشتر هنگام مقایسه میزان گرمای گاز ها در تهویه مطبوع و سایر سیستم ها مورد استفاده قرار می گیرد.

فعالیت آبی(water activity) یا a_w

فعالیت آبی را می توان رطوبت آزاد موجود در مواد در مقابل رطوبت شیمیایی تعریف کرد.
به عبارت ساده تر، فعالیت آبی عبارت است از تعادل رطوبت نسبی ایجاد شده توسط نمونه ای از مواد در یک فضای هوایی مهر و موم شده.

فعالیت آبی با رطوبت در اندازه گیری روغن استفاده می شود.
این به طور مستقیم نشان می دهد که آیا خطر تشکیل آب آزاد وجود دارد یا خیر.
با مقیاس نسبی از ۰ (هیچ آبی موجود نیست) تا ۱ (روغن با آب اشباع شده است) نشان می دهد که روغن چقدر نزدیک به نقطه اشباع است.
مزیت a_w این است که اندازه گیری، مستقل از نوع روغن، سن و دما است.

با توجه به شناختن انواع حالت های آب در این مقاله و همچنین آشنایی با پارامتر های رطوبت،
باید در نظر داشته باشید که وجود این پارامتر ها در خطوط هوای فشرده می تواند اثرات مخربی داشته باشد.

برای اطمینان از اینکه حالت های مختلف رطوبت در هوای فشرده به چه میزان وجود دارد
و همچنین برای اندازه گیری گیری آن ها می توانید از دستگاه های انداره گیری رطوبت و نقطه شبنم استفاده نمایید.