Vanddamp og luftfugtighed – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Vanddamp og luftfugtighed

02. oktober 2016

Vanddamp og luftfugtighed

Hej Malte
Jeg vil gerne vide noget om vanddamp i atmosfærisk luft.

Den atmosfæriske luft tillægges en form for 'bæreevne' af vanddamp, som er afhængig af luftens temperatur. Når luften er varm kan den indeholde mere vand, end hvis den er kold. Dette forklarer så sky-, tåge- og dugdannelse.

Men så har jeg jo hørt, at denne forklaring ikke er helt korrekt, idet det snarere er vandmolekylernes evne til at frigøre sig fra hverandre, som forbedres med stigning i vandtemperaturen. Hvilket jo lyder som ret sandsynligt. Den omkringliggende nitrogen, ilt osv. har ikke andet med det at gøre end, at disse gasarter påvirker hinanden hvad angår temperatur. Man kunne så argumentere, at det alligevel er luftens temperatur, der afgør det, men altså mere korrekt, at fx nitrogentemperaturen er en indirekte faktor for vanddampens evne til at 'brække' et par molekyler af hist og her.

Mit spørgsmål er så: hvad er den helt korrekte forklaring her? Og hvordan beregnes dugpunktet og relativ fugtighedsprocent?

Desuden vil jeg gerne høre om, at når man taler om atmosfærens sammensætning af 78 % nitrogen, 21% ilt osv. så er vandprocenten ikke med. Den er selvfølgelig variabel, men når den er variabel, så er de andre vel tilsvarende variable, hvis vi skal ende på 100 % eller hvad?

Med venlig hilsen
P B

Hvis "luftens bæreevne" findes som en egenskab ved atmosfærisk luft, hvad sker der så hvis man fylder en beholder helt op til kanten så der kun er vand og derefter varmer op over kogepunktet?

Rent praktisk kunne beholderen godt være fleksibel, som i en stempelmotors/ dampmaskine cylinder. Betingelsen er, at den kun indeholder vandmolekyler.

Vanddamp og luftfugtighed

Har man vand i en beholder uden luft vil noget af vandet fordampe. Vand har en overfladespænding, som holder sammen på vandet. Kræfterne imellem vandmolekylerne søger at trække dem sammen, men ved overfladen er der kun kræfter fra den ene side, og derfor får overfladen karakter af en hinde. De fleste har faktisk set insekter løbe på denne hinde, enkelte større dyr f.eks., jesusøglen kan faktisk også gøre det (med energisk fodarbejde og store fødder), men i modsætning til de lette insekter kan den ikke stå stille.

Grafen viser mættet vanddamps tryk. Bemærk at der er et vist damptryk også ved 0 grader

Vandmolekylerne bevæger sig rundt og støder sammen, enkelte vandmolekyler vil tilfældigt kunne få fart nok på til at frigøre sig fra vandoverfladen. I rummet i vores beholder ovenover vandet vil der altså være vandmolekyler. Nogen af disse vil ramme vandoverfladen og opfanges igen. Der kommer altså en ligevægt med en vis mængde vandmolekyler i beholderen, hvor der er en vis strøm af molekyler op igennem overfalden og en ned, i ligevægt er de lige store. Når vi varmer det hele vil molekylbevægelserne blive kraftigere og flere vandmolekyler vil være over vandoverfladen. Det viser sig, at de giver anledning til et tryk, man kan måle, og når der er ligevægt kan man får dette tryk som funktion af temperaturen, som en egenskab der kaldes damptrykket.

Graferne viser vandmængden i luft (gram pr. kobikmeter)

Hvis beholderen er f.eks. 35 °C er det i ligevægt et tryk på 5,6 kPa (kilopascal), det kalder man partialtrykket af vanddampen, (det normale tryk i luften, 1 atmosfære, er 101,3 kPa). Ud fra luftarternes tilstandsligning kan man beregne mængden af vand i luften i den situation. Det viser sig at give vanddamp med en densitet på ρ = 39,6 g/m3.  Luft i samme rumfang vejer omkring 1,2 kg så vanddampens indvirkning er lidt over 3 % af massen af luften i dette tilfælde. Det er derfor, man som regel ikke direkte opgiver indholdet af vanddamp i procentoversigt over luftens sammensætning, det er så lidt. Der er faktisk også en del andre gasser f.eks. CO2, Helium, Neon, Argon, Krypton og Xenon samt fra biler kvælstofilter osv., som man ikke nævner, fordi det er ganske små mængder.

Luftfugtigheden ved forskellige temperaturer

Når man har en blanding af vanddamp og luft skal man lægge trykket af luften sammen med partialtrykket af vanddamp for at få det totale tryk, dvs. det tryk man måler med et barometer. Densiteten af vanddamp er mindre end densiteten af tør luft, så luft bliver lettere, hvis det indeholder meget vanddamp (Det blev opdaget af Newton og beskrevet i hans Optics). Vanddamp er naturligvis vigtig for en række biologiske forhold, og fordi det er en vældig god drivhusgas.

Den absolutte luftfugtighed afhænger ikke af temperaturen og er antal g vand i et given volumen vanddamp-luftblanding. Den kan altså variere fra 0 til 39,6 g pr. kubikmeter, hvis luften er mættet ved 35 graders celsius (det maksimale antal gram afhænger altså af temperaturen). Den relative luftfugtighed er partialtrykket af vand i en luft-vandampblanding i forhold til ligevægtstrykket ved samme temperatur over en vandoverflade og afhænger altså af temperaturen. Den specifikke luftfugtighed er vanddampens masse i et bestemt rumfang i forhold til den totale masse af dette rumfang og afhænger altså også af temperaturen. Alle begreberne kan anvendes også langt under 0 °C.

Psykometer (vådt og tørt termometer)

Man har flere metoder til måling af luftfugtigheden. Den billige og almindelige er et hårhygrometer, et hår der er forbundet til en viser. Håret kan optage og afgive vanddamp i ligevægt med luften omkring. Det ændre længde ved den proces, så man kan inddele skalaen i luftfugtighed, det kræver dog andre metoder at måle den på. Mange andre naturstoffer har lignende forhold f.eks. træ. En anden metode er et vådt og et tørt termometer. Man har to termometre anbragt nær hinanden, det ene er et normalt termometer, det andet er om-trukket med en væge, der går ned i vand. Er luften ikke mættet, fordamper der vand fra vægen, og dermed afkøles termometeret, og ud fra temperaturforskellen kan man gå ind i en tabel og finde luftfugtigheden.

Der er en række elektroniske metoder hvor specielle modstande eller andre komponenter kan optage og afgive vanddamp, og man kan så ved at måle på dem finde luftfugtigheden ud fra en kalibrering af den pågældende enhed.

En ret præcis metode er at afkøle en blank flade (f.eks. med elektrisk køling, i dag ofte peltierkøling) indtil der dannes dug, ved den temperatur duggen dannes kender man så ud fra vands damptrykstabeller den tilsvarende mængde vanddamp pr. rumfangsenhed i luften, og kan så finde luftfugtigheden.

Eksempel på elektronisk fugtighedsmåler

Mennesket har ikke direkte noget føleorgan for luftfugtighed. Vores temperaturregulering er bl.a. ved fordampning af vand fra huden. Det betyder, at høj luftfugtighed giver en følelse af, at det er varmt. I et meget stort område kan de fleste imidlertid ikke mærke ændringer i luftfugtigheden.

Ændres temperaturen til lavere temperatur af en luftmasse med vanddamp, kan der ske det, at den relative luftfugtighed når 100%. Sker der yderligere afkøling vil vandet kondensere dvs. der dannes små dråber i luften så luftfugtigheden ender på 100 % i ligevægt.

Moderne dugpunktsinstrument, spejlet der kan køles sidder i den løse enhed med elektronisk måling af dug

Det kan så i temperaturen ende som tåge eller regn. Det, at danne en dråbe er ikke nemt, på grund af vands store overfladespænding, gasprøven kan derfor blive overmættet dvs. vandet burde kondensere ud, men har svært ved det. Støv og ioniserende stråling at lette denne dråbedannelse.

Luftfugtigheden bestemmes altså af vands damptryk, som afhænger af vandets temperatur (og det er 1 atm. ved 100 °C). Den måles i forhold til luftmængden i det rumfang man måler på enten ved partialtrykket (vanddamps tryk i den pågældende luftprøve), ved den masse vanddamp der er i den luftmængde man måler på, eller som den brøkdel af den mulige vanddamp, der er i luften.

Klassisk hjemmeinstrument ofte enten med et hår eller en "bimetalfjeder med træ eller specialpapir på den ene side

I din opvarmede elastiske beholder med vand vil trykket blive det tryk, du kan aflæse på vandets damptrykskurve, og rumfanget kan beregnes med luftarternes tilstandsligning ud fra den oprindelige vandmængde.

Har man et viserhygrometer hjemme, kan det normalt justeres på en lille skrue, som ses igennem et hul på bagsiden. For at gøre det lægger men det under en ”osteklokke” (gryde, marmeladeglas eller tilsvarende) sammen med en meget våd klud i en halv times tid, hvorefter visningen hurtigt justeres til 100 % ved hjælp af skruen.

Med venlig hilsen
Malte Olsen