Vlhkosť vzduchu je kľúčový atmosférický parameter, ktorý definuje obsah vody vo vzduchu, teda v atmosfére. Množstvo vlhkosti, ktorú môže vzduch pohltiť, závisí od jeho teploty. Vzduch, ktorý neobsahuje žiadnu vodnú paru, sa nazýva suchý vzduch, zatiaľ čo vzduch s obsahom vodnej pary je označovaný ako vlhký vzduch.
Typy vlhkosti vzduchu
Množstvo vodných pár vo vzduchu možno vyjadriť rôznymi spôsobmi, ktoré poskytujú špecifické informácie o jeho vlhkosti:
- Absolútna vlhkosť: Je definovaná ako hmotnosť vodných pár v objeme vlhkého vzduchu. Je to vlastne hustota samotných vodných pár. Symbol " sa používa na označenie veličiny vzťahujúcej sa k nasýteným vodným parám.
- Relatívna vlhkosť: Je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje množstvo vodnej pary prítomnej v ovzduší vzhľadom na množstvo vodnej pary, ktoré by mohlo byť prítomné pri maximálnej nasýtenosti pri danej teplote. Znamená to, že relatívna vlhkosť udáva, aký veľký podiel nasýtenia vzduchu vodnou parou je vzhľadom na to, koľko by mohla byť maximálne nasýtená pri danej teplote.
- Špecifická vlhkosť: Predstavuje hmotnosť vodných pár pripadajúcich na jednotku hmotnosti suchého vzduchu.
Vplyv teploty na vlhkosť a súvisiace javy
V atmosfére sa voda nachádza vo všetkých troch skupenstvách. Medzi aktívnym povrchom a atmosférou prebieha neustála výmena vlahy, ktorá sa uskutočňuje prostredníctvom turbulentného prúdenia a molekulárnou difúziou. Obsah vodnej pary vo vzduchu má vplyv na priebeh rôznych procesov v atmosfére. Výkyvy charakteristík vlhkosti vzduchu vo všeobecnosti súvisia s periodickými zmenami teploty vzduchu. Ak zohrejeme v zime chladný vzduch na príjemnú teplotu, aj pri konštantnom množstve vodných pár vo vzduchu klesne jeho relatívna vlhkosť. Je to zapríčinené tým, že pri vyššej teplote dokáže vzduch pohltiť väčšie množstvo vodných pár.
Vlhký vzduch ako zmes a fyzikálne zákony
Pojmom vlhký vzduch sa rozumie zmes suchého vzduchu a vodných pár. Niekedy je voda vo vzduchu obsiahnutá aj v skondenzovanej forme - vo vodných kvapôčkach (hmlistý vzduch), prípadne v kryštálikoch ľadu. Voda je v tomto prípade v dvoch fázach, ide teda o heterogénnu zmes; množstvo vody v kvapalnej či pevnej fáze možno zistiť iba meracími metódami založenými na separácii vody zo vzduchu (kondenzáciou, absorpciou) alebo po úprave vzduchu (ohriatím). V rámci tohto vysvetlenia sa však zameriame predovšetkým na vodné pary.
Svojimi vlastnosťami sa vzduch (suchý aj vlhký) blíži ideálnemu plynu, pre ktorý platí rovnica stavu a Daltonov zákon. Daltonov zákon hovorí, že v zmesi plynov sa každá zložka správa tak, akoby daný priestor za rovnakých podmienok vypĺňala sama, a to pri svojom parciálnom (čiastočnom, dielčom) tlaku. Druhým aspektom Daltonovho zákona je, že úhrnný tlak zmesi (z termodynamického hľadiska ide o statický tlak) je daný súčtom parciálnych tlakov všetkých zložiek.
Ďalšie charakteristiky vlhkosti
Ďalšími dôležitými veličinami sú teplota rosného bodu, ktorá je daná ochladením vzduchu až na stav sýtosti, a teplota mokrého teplomera, čo je teplota medzného adiabatického ochladenia (t.j. ochladenia na stav sýtosti odparovaním vody bez prívodu či odvodu tepla).
Metódy merania vlhkosti vzduchu
V praxi sa relatívna vlhkosť meria pomocou hygrometrov, ktoré sú zariadenia navrhnuté na meranie vlhkosti vzduchu.
Dilatačné hygrometre
Meracím princípom je zmena rozmeru niektorých organických látok vplyvom vlhkosti. Tieto látky absorbujú vodu v závislosti od relatívnej vlhkosti okolitého vzduchu a zmenou obsahu vody dilatujú. Používajú sa ľudské vlasy, živočíšne blany alebo syntetické organické látky.
Vlasový hygrometer a hygrograf
Najbežnejším je vlasový hygrometer používaný hlavne v prístrojoch pre laikov (izbový hygrometer) a v meteorológii (zapisovací hygrograf). U hygrografu pisátko ovládané vlasovým (prípadne blanovým) čidlom zapisuje priebeh na pás papiera posúvaný hodinovým strojom. Nevýhodou dilatačných hygrometrov je okrem veľkej nelinearity nutnosť častej regenerácie, ktorá spočíva vo vystavení čidla po dobu niekoľkých hodín vysokej vlhkosti blížiacej sa stavu nasýtenia. U prístrojov umiestnených v miestnostiach väčšinou nemožno pravidelnú regeneráciu zabezpečiť a hygrometer potom neukazuje správnu hodnotu.
Lítiumchloridový hygrometer
Lítiumchloridový hygrometer s kvapalným elektrolytom funguje tak, že na nevodivej trubičke je nasadená tkanina obsahujúca dvojicu drôtikových elektród bifilárne ("rovnobežne") navinutých. Tkanina je napustená vodným roztokom LiCl, elektródy sú pripojené k zdroju (striedavého) prúdu, ktorý svojím prechodom elektrolyt zahrieva. Zvýšením teploty sa odparuje voda z elektrolytu, čím sa zmenší jeho vodivosť, klesá prúd a tým aj teplota. Pri poklese teploty elektrolytu dochádza naopak k absorpcii vodnej pary, zvyšuje sa vodivosť a so zväčšovaním prúdu opäť rastie teplota. Rovnovážny stav obsahu vody v elektrolyte závisí od teploty elektrolytu, ktorá je potom funkciou parciálneho tlaku vodných pár v okolitom vzduchu.
Hygrometer s tuhým elektrolytom Al2O3
Hygrometer s tuhým elektrolytom Al2O3 je tvorený jednou hliníkovou elektródou s vrstvičkou Al2O3 a druhou elektródou z naparenej tenkej vrstvičky zlata priepustnej pre vodné pary.
Kapacitný hygrometer
Kapacitný hygrometer je postavený na princípe kondenzátora s dielektrikom z polyméru, ktorý má hygroskopické vlastnosti. Jedna z elektród je vyhotovená tak, že umožňuje vodným parám z okolitého vzduchu difundovať do polyméru.
Moderné elektronické hygrometre a dataloggery
Čidlá na princípe hygrometru s tuhým elektrolytom alebo kapacitného hygrometru používa väčšina bežných elektronických prístrojov na meranie vlhkosti vzduchu. Tieto prístroje zároveň merajú aj teplotu vzduchu, niekedy bývajú kombinované aj s meraním ďalších veličín. Pre samostatný záznam časového priebehu vlhkosti (a teploty) vzduchu možno síce použiť vyššie spomenutý hygrograf (termohygrograf), šikovnejšie sú však miniatúrne elektronické záznamníky vlhkosti a teploty - tzv. dataloggery, ktoré pojmú do pamäte rozsiahle dáta.
Ako funguje senzor vlhkosti DHT11? | 3D animácia 🔥
Psychrometrický spôsob merania
Psychrometrický spôsob zistenia vlhkosti je založený na meraní tzv. medzného adiabatického ochladenia. Realizuje sa ako ochladenie teplomera obaleného pančuškou, ktorá je nasiaknutá destilovanou (!) vodou, v prúde vzduchu. Takto upravený teplomer sa nazýva mokrý teplomer.
Kľúčové veličiny psychrometrickej metódy zahŕňajú:
- Δt [K] je psychrometrický rozdiel teplôt.
- t je teplota vzduchu, zvyčajne nazývaná teplota suchého teplomera, meraná neupraveným, teda suchým teplomerom.
- tm je teplota mokrého teplomera.
- p"vm [Pa] je parciálny tlak nasýtenej pary pri teplote mokrého teplomera.
- pv [Pa] je parciálny tlak vodných pár vo vzduchu.
- A [1/K] je psychrometrický súčiniteľ.
- p [Pa] je statický tlak vzduchu v mieste merania.
Psychrometrický súčiniteľ je pre rýchlosť prúdenia väčšiu ako 3 m/s konštantný - rovný hodnote 662·10-6 1/K; pri nižších rýchlostiach sa značne mení. Psychrometer obsahuje suchý a mokrý teplomer, okolo teplomerov je prisávaný meraný vzduch. Ventilátor zabezpečujúci aspiráciu je poháňaný buď hodinovým strojčekom (Assmannov psychrometer) alebo elektromotorčekom. Teplomery musia byť chránené proti sálaniu.
Rosný bod hygrometer
Princíp rosného bodu hygrometra spočíva v snímaní zmeny odrazivosti kovového ochladzovaného zrkadielka pri jeho orosení. Zrkadielko odráža lúč z LED diódy do snímača; pri orosení zrkadielka dôjde k zníženiu svetelného toku, ktoré je vyhodnotené elektronickým obvodom. Obvod riadi ochladzovanie zrkadielka Peltierovým článkom tak, aby sa teplota ustálila na hranici orosovania. Pri inom prevedení prístrojov je lúč LED diódy odrážaný proti tmavej ploche; pri orosení dôjde naopak k zvýšeniu množstva svetla dopadajúceho do snímača, pričom princíp riadiaceho obvodu je obdobný. Menej výhodný spôsob je zisťovanie okamihu orosenia elektródami.
Pretože parciálny tlak vodných pár nad hladinou (kvapalnej) vody je iný než nad ľadom, musí prístroj vylúčiť námrazu (ojínění). Z teploty okolitého vzduchu t a teploty rosného bodu (zrkadielka) tr potom prístroj vypočíta vlhkosť. Vlhkosť možno na základe týchto dvoch teplôt stanoviť aj ručne.
Gravimetrická metóda
Pri tejto metóde sa vzorka vzduchu preženie cez chladič, kde dôjde ku kondenzácii väčšej časti vodnej pary. Hmotnosť vodných pár v pôvodnej vzorke sa zistí ako súčet hmotnosti vody, ktorá skondenzovala v chladiči, a hmotnosti vodnej pary, ktorá v plyne zostala. Za chladičom je vodná para v sýtom stave, jej parciálny tlak je závislý iba od teploty za chladičom. Kondenzáciu vodnej pary v chladiči možno tiež nahradiť jej pohlcovaním - absorpciou do sušiacej látky.
Mollierov diagram ako nástroj
Vlhkosť vzduchu je možné určovať tiež s použitím Mollierovho diagramu, z ktorého možno odčítať parciálny tlak vodných pár, mernú vlhkosť či relatívnu vlhkosť na základe iných nameraných hodnôt, napríklad teplôt. Je to vhodný nástroj na grafické spracovanie termodynamických stavov vlhkého vzduchu, vrátane manuálneho stanovenia vlhkosti z teploty okolitého vzduchu a teploty rosného bodu.
Optimálna vlhkosť pre človeka
Pre človeka je najpríjemnejšia vlhkosť vzduchu pri hodnote relatívnej vlhkosti 50-60 %.