湿空气中的水蒸气含量分析与工程设计

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：通常水蒸气的分压力只有2666～4000Pa，与其对应的水蒸气饱和温度也很低，远低于当时的湿空气温度，故湿空气中的水蒸气大多处于过热蒸气状态。当湿空气中水蒸气的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力时，水蒸气达到饱和状态。这种由饱和水蒸气和干空气组成的湿空气，称为饱和湿空气。饱和湿空气中水蒸气的含量已达到最大限度，不再具有吸湿能力。1m3的湿空气中所含有的水蒸气的质量，称为湿空气的绝对湿度。

（1）湿空气和干空气地球表面及江、河、湖、海总会不断有水蒸发变为蒸汽，散布于空气中，使空气里含有水蒸气，把含有水蒸气的空气称为湿空气。人类就生活在湿空气中。不含水蒸气的空气称为干空气。湿空气可以看成是干空气和水蒸气的混合物。干空气可以按理想气体来对待。湿空气中的水蒸气一般含量很少，分压力很低，大多处于过热状态，故它的比容很大，即分子间的间距很大，可以作为理想气体来对待。因此，湿空气可当作理想气体来处理。

根据道尔顿分压力定律，干空气分压力与水蒸气分压力之和为湿空气的压力，即大气压力。

p_b=p_干+p_汽（1-57）

湿空气与单纯气体组成的混合物的不同之处在于，单纯气体混合物的各组元是恒定不变的，而湿空气中的水蒸气含量则常常随温度的变化而发生变化。

（2）未饱和湿空气和饱和湿空气根据湿空气中水蒸气所处的状态不同，可以将湿空气分为未饱和湿空气和饱和湿空气。

1）未饱和湿空气。若湿空气中的水蒸气处于过热蒸汽状态，称这种状态下的湿空气为未饱和湿空气。此时水蒸气的分压力低于当时温度所对应的饱和压力，水蒸气的含量还没有达到最大值。此时的湿空气具有吸湿能力，它能容纳更多的水蒸气。自然界中的空气大多处于未饱和湿空气状态。通常水蒸气的分压力只有2666～4000Pa（20～30mmHg），与其对应的水蒸气饱和温度也很低，远低于当时的湿空气温度，故湿空气中的水蒸气大多处于过热蒸气状态。

2）饱和湿空气。如果保持湿空气的温度不变，而增加其中水蒸气的含量，则水蒸气的分压力随之增加。当湿空气中水蒸气的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力时，水蒸气达到饱和状态。这种由饱和水蒸气和干空气组成的湿空气，称为饱和湿空气。饱和湿空气中水蒸气的含量已达到最大限度，不再具有吸湿能力。

（3）露点如果保持未饱和湿空气中水蒸气的含量不变，分压力不变，而降低湿空气的温度，当温度降低到水蒸气分压力所对应的饱和温度时，水蒸气也达到饱和状态。此时若再冷却，湿空气中的水蒸气就会凝结，以水滴形式从湿空气中分离出来，这种现象称为结露。在夏末秋初的早晨，经常可以在植物叶面等物体表面看到露珠，就是这个缘故。开始结露的温度称为露点。所谓露点就是湿空气中水蒸气分压力所对应的饱和温度。

显然，湿空气中水蒸气的含量越多，其分压力越高，所对应的饱和温度（即露点）也越高；反之，湿空气中水蒸气含量越少，则其分压力越低，露点也越低。如果露点低于0℃，水蒸气就直接凝结成霜。因而露点的测量可以预报是否有霜冻出现。

露点是湿空气中的一个重要参数。露点温度的高低可以说明湿空气的潮湿程度。在湿空气温度一定的条件下，露点温度越高，说明湿空气中水蒸气的分压力越高，水蒸气的含量越高，湿空气越潮湿；反之，湿空气越干燥。

（4）绝对湿度与相对湿度为了表示湿空气中水蒸气含量的多少，引进湿度的概念。所谓湿度，是指湿空气中所含水蒸气的分量多少。

1）绝对湿度。1m³的湿空气中所含有的水蒸气的质量，称为湿空气的绝对湿度。绝对湿度在数值上等于在湿空气的温度下和水蒸气的分压力下水蒸气的密度ρ_v，单位为kg/m³。若保持湿空气的压力和温度不变，空气中水蒸气的含量越多，分压力越大，则绝对湿度越大。当水蒸气的分压力达到当时温度所对应的饱和压力时，绝对湿度为最大。即

ρ_v=ρ″=ρ_max

绝对湿度虽然反映了湿空气中实际所含水蒸气质量的多少，但不能直接反映出湿空气中的水蒸气是饱和状态还是过热状态，即不能反映出湿空气是饱和湿空气还是未饱和湿空气，以及未饱和湿空气偏离饱和状态的程度。所以说，绝对湿度的大小不能完全说明湿空气的潮湿程度和吸湿能力。

2）相对湿度。通常用相对湿度来表示湿空气吸湿能力的大小。相对湿度是湿空气的绝对湿度和同温度下可能达到的最大绝对湿度的比值，用符号φ表示。同温度下最大绝对湿度也就是同温度下饱和湿空气的绝对湿度，即饱和蒸汽的密度ρ″。故有

从式（1-58）可以看出，通常情况下，相对湿度的值介于0～1之间，它反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。其值越小，表示湿空气中水蒸气的状态离饱和状态越远，湿空气的吸湿能力越弱。干空气的相对湿度为0，具有最大的吸湿能力；饱和湿空气的相对湿度为1，没有吸湿能力。

由于湿空气中的水蒸气可以看做是理想气体，由理想气体的状态方程，得

式中，p_s为湿空气温度下水蒸气的最大分压力，即湿空气温度下水蒸气的饱和压力。

相对湿度比绝对湿度更有实用价值。当空气的绝对湿度不变时，若温度不同，体现出来的干湿程度就不同。如果温度较高，则该温度所对应的水蒸气的饱和压力就高，这时的湿空气离饱和状态就越远，相对湿度就越小，具有较强的吸湿能力；如果温度较低，则此温度所对应的水蒸气的饱和压力就低，离饱和状态就越近，相对湿度就越大，就会感到阴冷潮湿。例如：冬季室内开放暖气就会感到干燥；夏季人们往往感到炎热的中午空气干燥，而深夜则空气潮湿。所以相对湿度能更好地表明湿空气的干湿程度。

（5）含湿量1kg的干空气中含有水蒸气的质量称为含湿量，用符号x表示，单位为kg/kg（干空气）