Почему влажный воздух легче сухого
При одинаковых температуре и давлении влажный воздух легче сухого.
Вода не теряет массу, когда испаряется. Дело в составе газовой смеси: молекулы водяного пара занимают часть места более тяжёлых молекул азота и кислорода. Чтобы увидеть эффект, нужно сравнивать одинаковые условия.
В статье вы узнаете:
Два кубометра отличаются примерно на 14 граммов
Саша спорит с другом у бассейна: если вода тяжёлая, то влажный воздух тоже должен быть тяжелее. Чтобы проверить именно влияние пара, он мысленно берёт два одинаковых сосуда объёмом 1 м³, вычитает массу стенок и задаёт внутри одинаковые 25 °C и 101,3 кПа. В первом сосуде воздух сухой, во втором он насыщен водяным паром, то есть относительная влажность равна 100%.
По упрощённой газовой модели сухой воздух в первом сосуде имеет массу около 1,184 кг. Влажный во втором весит около 1,170 кг. Разница составляет примерно 14 г, или 1,2%. Это масса двух-трёх чайных ложек воды, а не огромный выигрыш в килограммах.
Число 14 г относится только к выбранным условиям и газу без капель. При обычной влажности разница будет меньше. Если температура или давление сосудов различаются, сравнение уже отвечает сразу на несколько вопросов и перестаёт показывать чистый эффект водяного пара.
Водяной пар занимает долю более тяжёлых газов
При одинаковых температуре, общем давлении и объёме идеальная газовая модель даёт одинаковое общее число молекул. Поэтому водяной пар не кладётся сверху дополнительным слоем. Когда его доля растёт, доля остальных газов в том же объёме уменьшается.
Молекула воды H₂O состоит из двух лёгких атомов водорода и одного атома кислорода. Её молярная масса равна примерно 18 г/моль. Молярная масса азота N₂ составляет около 28 г/моль, кислорода O₂ около 32 г/моль, а средней смеси сухого воздуха около 29 г/моль. Молярная масса здесь просто сравнивает массу одинакового огромного количества молекул.
Представьте коробку с одинаковым числом шариков. Несколько тяжёлых металлических шариков заменили лёгкими пластиковыми, а общее число сохранили. Коробка стала легче. Во влажном воздухе роль лёгких шариков играют молекулы H₂O. Формула CIPM-2007 для плотности влажного воздуха описывает это как уменьшение долей сухих газов при росте доли водяного пара. [Picard et al., 2008]
Слово «заменили» не означает, что молекулы выстраиваются в очередь и меняются местами по одной. В открытом воздухе смесь может расшириться, а часть сухого воздуха уйти. Важен итог: при прежнем общем давлении водяной пар забрал часть доли смеси.
Процент влажности не равен количеству воды
Относительная влажность показывает, насколько давление водяного пара близко к насыщению при текущей температуре. Показание 50% не означает, что половина воздуха состоит из воды. Даже при 25 °C и влажности 100% водяной пар даёт лишь около 3,2% молекул смеси при нормальном давлении.
Температура меняет предел насыщения. Поэтому 50% в жаркий день могут соответствовать большему количеству пара, чем 80% в холодный. Если один и тот же воздух нагреть без добавления воды, относительная влажность снизится, хотя молекулы пара не исчезнут. NOAA отдельно показывает, почему процент нужно читать вместе с температурой. [NOAA, What Is Humidity?]
Для количества влаги удобна точка росы: это температура, при которой воздух при охлаждении достигнет насыщения. Чем она выше при близком давлении, тем больше водяного пара находится в воздухе. Калькулятор точки росы находит её по температуре и относительной влажности и отдельно проверяет риск конденсата на поверхности.
Условия сравнения важнее слова «влажный»
Одинаковая температура. Тёплый воздух при одном давлении менее плотный, чем холодный, независимо от влажности. Сравнив тёплый влажный день с холодным сухим, нельзя приписать всю разницу воде. Отдельно разобрано, почему разность плотности заставляет нагретый воздух подниматься и замыкает поток в комнате.
Одинаковое общее давление. Если впустить пар в закрытый жёсткий сосуд и не выпускать сухой воздух, общее давление вырастет. Это уже другая задача: к прежним молекулам действительно добавились новые, а условие сравнения нарушилось.
Только газ. Невидимый водяной пар состоит из отдельных молекул H₂O. Туман и облако содержат ещё и взвешенные жидкие капли. Их масса добавляется отдельно, поэтому правило о более лёгкой газовой смеси нельзя без поправки переносить на весь объём тумана.
Одинаковый объём. Плотность является массой единицы объёма. Если влажный воздух расширился и занял больше места, сравнивать массы произвольных облаков или комнат без приведения к одному объёму бессмысленно.
Как воспроизвести пример в калькуляторе
Откройте калькулятор плотности газа и сначала задайте 101,325 кПа, 25 °C и молярную массу 0,02897 кг/моль. Получится около 1,184 кг/м³ для сухого воздуха.
Затем оставьте давление и температуру прежними, а молярную массу замените на 0,02862 кг/моль. Это округлённая средняя для воздуха, насыщенного водяным паром при 25 °C. Калькулятор покажет около 1,170 кг/м³. Разность равна примерно 0,014 кг/м³, то есть 14 г на кубометр.
Не вводите 0,018 кг/моль для влажного воздуха. Это молярная масса чистого водяного пара, а не смеси воздуха с паром. Сам калькулятор не переводит относительную влажность в состав, поэтому второе значение годится для воспроизведения этого примера, а не для произвольной погоды. Для точной метрологии используют полную формулу влажного воздуха с поправками на реальные газы.
Если исходное давление дано в атмосферах, барах или других единицах, сначала приведите его к кПа в калькуляторе давления. Но не забывайте главное: оба варианта должны иметь одинаковые температуру, давление и объём.
Влажный воздух легче не потому, что вода стала невесомой. При равных условиях лёгкие молекулы H₂O уменьшают среднюю массу газовой смеси. Стоит изменить температуру, давление, объём или добавить жидкие капли, и короткое правило уже не даёт готового ответа.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.