Παρασκευή, 22 Ιουλίου 2011

Σημειο δροσου/Σχετικη υγρασια - Dew point/Relative humidity.

Σημειο δροσου/Σχετικη υγρασια - Dew point/Relative humidity.


Σε προηγουμενη αναφορα ειχαμε δει τι ειναι η θερμοκρασια υγρου θερμομετρου(wet-bulb). Τωρα θα αναφερουμε τι ειναι το σημειο (θερμοκρασια) δροσου (dew-point) και η σχετικη υγρασια(relative humidity) και τι δειχνουν, τι σημαινουν, κλπ.

Ο αερας ως γνωστον αποτελειται κατα αναλογια mole απο 1% εως 5% απο υδρατμους νερου, απο 77.3% αζωτο(υποθετωντας 1% υδρατμους νερου-αν πχ οι υδρατμοι ειναι 4% τοτε το αζωτο (κατα αναλογια mole παντα) παει στο 78.084·0.96%), απο 20.74% οξυγονο(και παλι υποθετωντας 1% υδρατμους νερου και παλι η ποσοστιαια τιμη παει αναλογα με το ποσοι υδρατμους νερου(υγρασια δηλαδη) υπαρχουν στην ατμοσφαιρα), 0.92% αργο, 0.038% διοξειδιο του ανθρακα και το υπολοιπο διαφορα άλλα αερια.

Οπως ειναι γνωστο το καθε αεριο ασκει την δικη του ξεχωριστη πιεση σε οποιο αντικειμενο τοποθετηθει μεσα του.
Και η ατμοσφαιρικη πιεση προερχεται απο το αθροισμα των πιεσεων ολων αυτων των αεριων. Και ειναι περιπου 1013.25 hPa ή αλλιως 1013.25 mbar στην επιφανεια της θαλασσας.

Ετσι και οι ατμοι του νερου(υδρατμοι), τα μορια δηλαδη του νερου που βρισκονται υπο μορφη αεριου, ασκουν την δικη τους πιεση και συμβαλουν στην ατμοσφαιρικη πιεση σε καποιο πολυ μικρο ποσοστο.

Αν τωρα εχουμε ενα μειγμα ξηρου(χωρις καθολου υδρατμους) αερα και το βγαλουμε εξω στην ατμοσφαιρα, τοτε και εφοσον οι συνθηκες ειναι καταλληλες(θερμοκρασιας-πιεσης) θα εχουμε εξατμιση νερου απο θαλασσας, λιμνες κλπ ετσι ωστε να υπαρξουν στην ατμοσφαιρα μορια νερου. Τα οποια βεβαια απο την υγρη φαση(θαλασσες κλπ) μετατραπηκαν σε αερια φαση και κινουνται "ελευθερα" στην ατμοσφαιρα.

Οι δε ποσοτητες νερου στην ατμοσφαιρα ειναι τεραστιες. Για να εχουμε ενα δειγμα για το πόσα πχ μορια νερου περιεχονται στην ατμοσφαιρια σε μια συνηθισμενη μερα με πχ 1010 hPa ατμοσφαιρικη πιεση, 30 °C θερμοκρασια και 50% σχετικη υγρασια, εχουμε οτι υπαρχουν 15.2 γραμμαρια νερου σε ενα κυβικο μετρο αερα(κυβος αερα με πλευρες 1 μετρου). Και αφου το ενα mol νερου ζυγιζει περιπου 18 γραμμαρια αυτο θα πει οτι εχουμε περιπου στο 0.83 mol νερου στο 1 κυβικο μετρο ατμοσφαιρικου αερα.
Και αφου 1 mol νερου περιεχει περιπου 6.02214·10^23 μορια νερου τοτε σε ενα κυβικο μετρο αερα εχουμε οτι περιεχονται 4.99837·10^23 μορια νερου!!
Δηλαδη σε πληρες νουμερο: 499 837 000 000 000 000 000 000 μορια νερου.
Δηλαδη περιπου 500 εξακις εκατομμυρια μορια νερου περιεχονται μόνο σε ενα κυβικο μετρο αερα!!

Και τελοσπαντων για να επανελθουμε εκει που το αφησαμε, τα μορια λοιπον του νερου αυτα σε αερια φαση που εξατμιστηκαν κινουνται "ελευθερα" στην ατμοσφαιρα. Και ολοενα και περισσοτερα μορια εξατμιζονται. Αλλά και το αντιστροφο γινεται, δηλαδη μερικα απο τα μορια αυτα που βρισκονται σε αερια μορφη και που εξαμτιστηκαν, ξαναυγροποιουνται και ξαναγυριζουν στις θαλασσες, λιμνες, ποταμια κλπ.
Οποτε υπαρχει μια διπλη κατευθυνση. Μια που εξατμιζονται απο τις θαλασσες κλπ και περνανε σε αερια φαση, και μια που ξαναγυρνανε σε υγρη μορφη.

Σε καποια χρονικη στιγμη θα επελθει μια ισορροπια και οσα μορια εξατμιζονται τοσα θα υγροποιουνται.
Σε αυτη τη χρονικη στιγμη λεμε οτι εχουμε ισορροπια και εχει επικρατησει να λεμε οτι η ατμοσφαιρα κορεστηκε απο ατμους νερου!Εχουμε φτασει δηλαδη σε μια κορεσμενη ατμοσφαιρα απο υδρατμους. Σε μια κατασταση οπου λεμε οτι εχουμε σχετικη υγρασια 100%.

Η δε πιεση που ασκουν σε αυτη την κατασταση οι ατμοι του νερου ονομαζεται πιεση κορεσμου και δινεται απο την παρακατω σχεση:


Οπου t η θερμοκρασια σε βαθμους Κελσιου(ακριβεστερα: η αριθμητικη τιμη της θερμοκρασιας σε βαθμους Κελσιου) και es(t) η πιεση σε hPa, ενω e ειναι ο γνωστος αριθμος του Euler με τιμη κατα προσεγγιση: e ≈ 2.71828 1828 459045 23....


Ή με λιγο μεγαλυτερη ακριβεια:


Η πιεση λοιπον αυτη es(saturated vapor pressure), ειναι η πιεση που ασκουν οι ατμοι του νερου οταν βρισκονται σε κορεσμο, οταν δηλαδη η σχετικη υγρασια ειναι 100%.

Η πιεση των υδρατμων σε καθε αντικειμενο που τοποθετειται μεσα στην ατμοσφαιρα οφειλεται στην κινηση και συγκρουση των μοριων του νερου(σε αερια μορφη) με το αντικειμενο. Οσο μεγαλυτερη ειναι η θερμοκρασια, τοτε:
-1ον τοσο περισσοτερα μορια νερου καταφερνουν να ξεφευγουν και να εξατμιζονται απο θαλασσες, λιμνες κλπ και ετσι τοσο περισσοτερα μορια(υδρατμοι) υπαρχουν στην ατμοσφαιρα οποτε εχουμε και περισσοτερες συγκρουσεις αρα και μεγαλυτερη πιεση es.
-2oν τοσο πιο ατακτα και γρηγορα κινουνται τα μορια του νερου, δηλαδη η κινητικη τους ενεργεια ειναι μεγαλυτερη αρα και η ενεργεια που προσφερουν στο αντικειμενο ειναι μεγαλυτερη αρα και η πιεση ειναι μεγαλυτερη.

Αρα εξαρτηση της es απο την θερμοκρασια ειναι φανερη.
Και το διαγραμμα για το πως μεταβαλλεται σε σχεση με την θερμοκρασια ειναι το εξης:
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ-1




►Να ορισουμε τωρα εδω την σχετικη υγρασια του νερου(των υδρατμων):

•Η σχετικη υγρασια(relative humidity) RH, ειναι ο λογος του πραγματικου λογου αναμειξης του αερα(mixing ratio, W), προς τον λογο αναμειξης κορεσμου του(saturated mixing ratio, Ws) στην ιδια πιεση και θερμοκρασια, δηλαδη:

(Σε μορφη επι τοις εκατο)

Ομως ο λογος των 2 λογων αναμειξης ειναι περιπου ισος με τον λογο των αντιστοιχων πιεσεων τους, οποτε η σχεση γινεται και:

(Σε μορφη επι τοις εκατο)

Οπου e η πραγματικη πιεση των υδρατμων της ατμοσφαιρας και es η πιεση των υδρατμων του κορεσμενου αερα με νερο.


►Να ορισουμε τωρα εδω το σημειο δροσου:

Σημειο δροσου(dew point) Td, σε μια δεδομενη κατασταση της ατμοσφαιρας με συγκεκριμενη πιεση, υγρασια(ποσοτητα υδρατμων) και θερμοκρασια Τ, ειναι εκεινη η θερμοκρασια στην οποια ο αερας πρεπει να φτασει(να ψυχθει/ελαττωθει), υπο σταθερη πιεση και αρα χωρις να προστιθενται νεα μορια νερου στην ατμοσφαιρα, ωστε να γινει κορεσμενος απο υδρατμους.

Εδω θα πρεπει να γινει σαφες, οτι εαν ειχαμε ενα σταθερο συστημα της ατμοσφαιρας μας χωρις ανεμους, βροχες και αλλες δραστηριοτητες, τοτε η ατμοσφαιρα θα ηταν συνεχως κορεσμενη εαν υπηρχε διαθεσιμο νερο. Η σχετικη υγρασια θα ηταν δηλαδη συνεχως 100%.
Ομως το γεγονος οτι υπαρχουν οι ανεμοι (ξηροι ή υγροι), οι διάφορες διεργασιες στην ατμοσφαιρα, βροχες, κλπ, καθως και οτι δεν εχουν ολες οι περιοχες "απειρο" κοντινο αποθεμα νερου με λιμνες, ποταμια και θαλασσες κοντα τους, συντελει στο γεγονος να εχουμε σχετικη υγρασια μικροτερη απο 100% δηλαδη την ατμοσφαιρα οχι κορεσμενη απο υδρατμους.

Ετσι αμα εχουμε μια κατασταση με μια συγκεκριμενη θερμοκρασια, μια πιεση και με μια σχετικη υγρασια, πχ 40%, τοτε καθως ελαττωνεται η θερμοκρασια υπο σταθερη πιεση, η πιεση κορεσμου θα γινεται μικροτερη(διαγραμμα-1), αρα και λογω του παραπανω ορισμου της σχετικης υγρασιας, οσο ελαττωνεται η θερμοκρασια υποσταθερη πιεση θα αυξανει η σχετικη υγρασια.
Ενω αντιστοιχα σκεπτομενοι βλεπουμε οτι οσο αυξανεται η θερμοκρασια υπο σταθερη πιεση, θα μικραινει η σχετικη υγρασια.



Βλεποντας ξανα το διαγραμμα-1:
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ-1


Βλεπουμε οτι αν βρισκομαστε πχ σε μια κατασταση της ατμοσφαιρας με T = 30 °C και 47.1% σχετικη υγρασια, τοτε, και συμφωνα με τον ορισμο του σημειου δροσου, αν μεταφερθουμε υπο σταθερη πιεση (αρα και σταθερη πιεση των ατμων νερου) σε θερμοκρασια τετοια ωστε να συναντησουμε την μπλε καμπυλη που δειχνει την κατασταση κορεσμου, δηλαδη σχετικη υγρασια 100%, θα εχουμε βρει την τιμη του dew point, Td.

-Και βλεπουμε οτι η τιμη της πραγματικης πιεσης σε μια δεδομενη κατασταση της ατμοσφαιρας, ειναι ιση με την τιμη της πιεσης κορεσμου (es(t)) για την τιμη του σημειου δροσου(Td), δηλαδη την es(Td).
-Ενω η τιμη της πιεσης κορεσμου για την δεδομενη θερμοκρασια(πχ 30 °C, για το παραδειγμα που δωσαμε) ειναι ιση φυσικα με es(T) δηλαδη στο παραδειγμα μας με es(30).

Οποτε και λογω του ορισμου της σχετικης υγρασιας βλεπουμε οτι ισχυει για θερμοκρασια Τ(σε βαθμους Κελσιου) και σημειο δροσου Td(σε βαθμους Κελσιου):


Και λυνοντας ως προς Td μπορουμε να βρουμε την τιμη του σημειου δροσου απο την σχετικη υγρασια RH και την θερμοκρασια T:


Να αναφερθει εδω και να ξεκαθαριστει οτι το σημειο δροσου σε μια δεδομενη κατασταση της ατμοσφαιρας ειναι εκεινη η θερμοκρασια στην οποια πρεπει, υποσταθερη πιεση, να ελαττωθει η θερμοκρασια ωστε να εχουμε υγροποιηση(ή η παγοποιηση), πχ να δημιουργηθουν συννεφα. Χωρις ωστοσο αυτο να σημαινει οτι εαν φτασουμε σε αυτη την τιμη της θερμοκρασιας ιση με το σημειο δροσου, θα αρχισει η υγροποιηση.
Η συνθηκη δηλαδη που δωθηκε εδω περι της τιμης του σημειου δροσου ειναι αναγκαια, αλλά οχι ικανη για να υπαρξει υγροποιηση. Για να υπαρξει υγροποιηση εαν φτασουμε στο σημειο δροσου θα πρεπει να υπαρχουν πυρηνες συγκεντρωσης ωστε οι υδρατμοι να αρχισουν να συμπυκνωνονται γυρω απο αυτους, αλλά αυτο ειναι αλλη συζητηση....



Επισης να σημειωθει η αμεση σχεση σημειου δροσου και σχετικης υγρασιας. Ειναι εννοιες παρομοιες και αλληλενδετες τελειως. Οταν μεταβαλλεται η μια μεταβαλλεται και η αλλη με καθορισμενο και σαφη τροπο.
Πχ απο το διαγραμμα-1 βλεπουμε οτι οσο πιο μεγαλη ειναι η διαφορά σημειου δροσου και θερμοκρασιας, τοτε η σχετικη υγρασια ειναι μικροτερη. Επισης οσο πιο μεγαλη ειναι η σχετικη υγρασια τοτε τοσο το σημειο δροσου πλησιαζει την θερμοκρασια.

Η σχετικη υγρασια(και το σημειο δροσου κατ'αντιστοιχια) επισης μπορει να χρησιμοποιηθει για να ερμηνευτει ποιοτικα η συμπεριφορα της ατμοσφαιρας ως προς τους υδρατμους της ατμοσφαιρας.
Πχ τι θα πει ακριβως οτι η ατμοσφαιρα εχει 40% σχετικη υγρασια σε υδρατμους?
• Εκτός βεβαια απο τον ορισμο που μας λεει οτι 40% σχετικη υγρασια, σημαινει οτι η πιεση των υδρατμων προς την πιεση κορεσμου που μπορει να υπαρξει(την πιεση εαν η αμτοσφαιρα ηταν κορεσμενη με υδρατμους-δηλαδη εαν ειχαμε 100% σχετικη υγρασια-δηλαδη εαν δεν μπορουσε η αμτοσφαιρα να κρατησει παραπανω υδρατμους) ειναι 40%.
• Δηλαδη η παρουσα πιεση ειναι το 40% σε σχεση με την μεγιστη πιεση υδρατμων που μπορει να υπαρξει(και ειναι οταν εχουμε κορεσμενη με ατμους την ατμοσφαιρα-100% υγρασια).
• Μια αλλη ερμηνεια ειναι λοιπον η συσχετιση της με την θερμοκρασια. Οπως πχ ειδαμε η αυξηση της θερμοκρασιας(υπο σταθερη πιεση) μειωνει την σχετικη υγρασια. Και ετσι εχουμε οτι 40% σχετικη υγρασια σημαινει οτι χρησιμοποιηθηκε το 40% της ενεργειας που ειναι διαθεσιμη απο την ατμοσφαιρα(μεσω της θερμοκρασιας-της θερμικης ενεργειας ακριβεστερα) για να εξατμιστει νερο και να μετατραπει σε υδρατμους.
• Δηλαδη υψηλη υγρασια πχ 80% σημαινει οτι εχει χρησιμοποιηθει ενα μεγαλο μερος(80%) της θερμικης ενεργειας του περιβαλλοντος(αερα) για την ατμοποιηση του νερου και την μετατροπη του σε υδρατμους. Και εαν πχ αυξηθει και αλλο η θερμοκρασια και αρα και η θερμικη ενεργεια των μοριων του αερα, τοτε προφανως η διαθεσιμη ενεργεια για ατμοποιηση του νερου αυξανεται αρα και το ποσοστο της ενεργειας του περιβαλλοντος που εχει χρησιμοποιηθει για την ατμοποιηση του νερου μειωνεται(αφου εγινε περισσοτερη ενεργεια διαθεσιμη), αρα μειωνεται και η σχετικη υγρασια.
• Ενω χαμηλη υγρασια πχ 15% σημαινει οτι εχει χρησιμοποιηθει ενα μικρο μερος(15%) της θερμικης ενεργειας του περιβαλλοντος(αερα) για την ατμοποιηση του νερου και την μετατροπη του σε υδρατμους νερου, αρα απομενει ενα μεγαλο ποσοστο(85%) της διαθεσιμης ενεργειας για ατμοποιηση του νερου.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου