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如何理解空氣濕度對幹球溫度和濕球溫度的影響?

2020-08-03科學

要理解這個,首先得明確幹球溫度和濕球溫度的概念,其學術定義通常如下:

幹球溫度: 在不受放射線(通常來自太陽)及水分影響的場景下,溫度計直接暴露在空氣中所測得的溫度。
濕球溫度: 在絕熱條件下,大量的水與有限濕空氣接觸,當系統中空氣達到飽和濕度(相對濕度100%),且系統達到熱平衡時,溫度計測量得到的系統溫度。

嚴謹的定義聽起來多少有些晦澀,可以直接用下面的圖幫助理解。簡單說, 幹球溫度 就是我們常說的 氣溫 或者 熱力學溫度 ,與空氣濕度無關;而 濕球溫度是由實際空氣溫度(幹球溫度)和濕度共同決定的

幹球溫度&濕球溫度的測量方法(網圖,侵刪)

所以, 題主的第一個問題 回答如下:在空氣溫度不變的前提下,空氣濕度的變化不會對幹球溫度造成影響,但會影響濕球溫度。

那為什麽會存在這樣的現象呢,還是從濕球溫度的測量方法說起。

在工程中測試濕球溫度時,通常使用的一個簡便方法,是用一塊 浸滿水的棉球將溫度計探頭充分包裹 後,等待一段時間 達到熱平衡後 ,讀取溫度計的讀數作為 濕球溫度 。嚴格來說,這裏讀取的溫度與真實的熱力學濕球溫度有一定差別,但在數值上是非常接近的。

在測量濕球溫度的過程中,只要空氣濕度不飽和,棉球中的水,必然會不斷蒸發,而水的蒸發會吸收熱量,導致附近的溫度降低。也就是說, 在空氣濕度不飽和時,濕球溫度會低於幹球溫度。

到這裏就可以回答 題主的第二個問題 了,為什麽空氣濕度的增大會使幹球溫度和濕球溫度的差值變小?

濕度表征的是空氣中水蒸氣的含量。如果我們將幹空氣看作溶劑,將水蒸汽看作溶質,棉球就可以認為是一個可以無限提供溶質的「大礦山」。當空氣相對濕度達到100%時,我們認為空氣已經是飽和溶液了,無法再容納更多的水蒸氣溶質了。

那麽,當空氣相對濕度越低,說明「溶劑」的濃度越低,棉球中的水就會更快地蒸發成水蒸氣「溶質」,溶解到空氣中。水分蒸發越快,吸收熱量越快,相應的濕球溫度也會更低點。

而當空氣相對濕度本身就是100%時,棉球中水的凈蒸發量為0,那濕球溫度就會和幹球溫度相等了。