Температура по влажному термометру

Температура измеряется термометром, обернутым в ткань, смоченную водой.

Психрометр-праща. Носок смачивают дистиллированной водой и вращают в течение минуты или более перед снятием показаний.

Температура влажного термометра ( ТВТ ) — это температура, измеренная термометром , покрытым тканью, смоченной в воде при температуре окружающей среды ( термометр с влажным термометром ), через который пропускается воздух. ^[1] При относительной влажности 100% температура влажного термометра равна температуре воздуха ( температура сухого термометра ); при более низкой влажности температура влажного термометра ниже температуры сухого термометра из-за испарительного охлаждения .

Температура влажного термометра определяется как температура порции воздуха, охлажденной до насыщения (100% относительной влажности) путем испарения в нее воды, при этом скрытое тепло поступает из порции. ^[2] Термометр с влажным термометром показывает температуру, близкую к истинной (термодинамической) температуре влажного термометра. Температура влажного термометра — это самая низкая температура, которая может быть достигнута при текущих условиях окружающей среды только путем испарения воды.

Даже адаптированные к теплу люди не могут заниматься обычной деятельностью на открытом воздухе при температуре смоченного термометра выше 32 °C (90 °F), что эквивалентно индексу тепла 55 °C (131 °F). Показание 35 °C (95 °F) – эквивалентно индексу тепла 71 °C (160 °F) – считается теоретическим пределом выживаемости человека при воздействии до шести часов. ^{[3] [4]}

Интуиция

Если термометр обернуть тканью, смоченной водой, он будет вести себя по-другому. Чем суше и менее влажный воздух, тем быстрее испаряется вода. Чем быстрее испаряется вода, тем ниже будет температура термометра относительно температуры воздуха.

Вода может испаряться только в том случае, если окружающий воздух может впитать больше воды. Это измеряется путем сравнения количества воды в воздухе с максимальным значением, которое может быть в воздухе — относительной влажностью . 0% означает, что воздух полностью сухой, а 100% означает, что воздух содержит всю воду, которую он может удержать в текущих обстоятельствах, и он не может впитать больше воды (из любого источника).

Это часть причины кажущейся температуры у людей. Чем суше воздух, тем больше влаги он может впитать сверх того, что уже в нем есть, и тем легче испаряется излишняя вода. В результате пот испаряется быстрее в более сухом воздухе, быстрее охлаждая кожу. Если относительная влажность составляет 100%, вода не может испаряться, и охлаждение посредством потоотделения или испарения невозможно.

При относительной влажности 100% влажный термометр также больше не может охлаждаться за счет испарения, поэтому его показания будут такими же, как и у неупакованного термометра.

Общий

Температура по влажному термометру — это самая низкая температура, которая может быть достигнута путем испарительного охлаждения смоченной водой вентилируемой поверхности.

Напротив, точка росы — это температура, до которой должен быть охлажден окружающий воздух, чтобы достичь 100% относительной влажности, при условии отсутствия дальнейшего испарения в воздух; это температура, при которой образуется конденсат (роса) и облака.

Для порции воздуха, которая менее насыщена (т. е. воздуха с относительной влажностью менее 100 процентов), температура влажного термометра ниже температуры сухого термометра , но выше температуры точки росы. Чем ниже относительная влажность (чем суше воздух), тем больше разрывы между каждой парой этих трех температур. И наоборот, когда относительная влажность повышается до 100%, три цифры совпадают.

Для воздуха при известном давлении и температуре сухого термометра термодинамическая температура влажного термометра соответствует уникальным значениям относительной влажности и температуры точки росы. Поэтому ее можно использовать для практического определения этих значений. Соотношения между этими значениями проиллюстрированы на психрометрической диаграмме .

Более низкие температуры по влажному термометру, соответствующие более сухому воздуху летом, могут привести к экономии энергии в кондиционируемых зданиях за счет:

1. Снижение нагрузки на осушение вентиляционного воздуха
2. Повышение эффективности градирен
3. Повышение эффективности испарительных охладителей

Термодинамическая температура по влажному термометру

Термодинамическая температура по влажному термометру — это температура, которую имел бы объем воздуха, если бы он был охлажден адиабатически до насыщения путем испарения в него воды, при этом вся скрытая теплота обеспечивалась бы объемом воздуха.

Температура образца воздуха, прошедшего над большой поверхностью жидкой воды в изолированном канале, является термодинамической температурой смоченного термометра — воздух стал насыщенным, пройдя через идеальную адиабатическую камеру насыщения с постоянным давлением.

Метеорологи и другие могут использовать термин «изобарическая температура влажного термометра» для обозначения «термодинамической температуры влажного термометра». Ее также называют «адиабатической температурой насыщения», хотя метеорологи также используют «адиабатическая температура насыщения» для обозначения «температуры на уровне насыщения», т. е. температуры, которой достигнет посылка, если она расширится адиабатически до насыщения. ^[5]

Термодинамическая температура смоченного шарика — это термодинамическое свойство смеси воздуха и водяного пара. Значение, показываемое простым смоченным шариком, часто дает адекватное приближение термодинамической температуры смоченного шарика.

Для точного смоченного термометра «температура смоченного термометра и адиабатическая температура насыщения приблизительно равны для смесей воздуха и водяного пара при атмосферной температуре и давлении. Это не обязательно верно при температурах и давлениях, которые значительно отклоняются от обычных атмосферных условий, или для других смесей газа и пара». ^[6]

Показания температуры смоченного термометра

Влажно-сухой гигрометр с влажным термометром

Температура по влажному термометру измеряется с помощью термометра , шарик которого обернут в ткань, называемую носком , которая остается влажной от дистиллированной воды с помощью капиллярного эффекта. Такой прибор называется термометром с влажным термометром. Широко используемым устройством для измерения температуры по влажному и сухому термометру является пращевой психрометр , который состоит из пары ртутных термометров, один с влажным «носком» для измерения температуры по влажному термометру, а другой с открытым и сухим шариком для температуры по сухому термометру. Термометры прикреплены к поворотной ручке, которая позволяет вращать их так, чтобы вода испарялась из носка и охлаждала влажный термометр, пока он не достигнет теплового равновесия .

Фактический смоченный термометр показывает температуру, которая немного отличается от термодинамической температуры смоченного термометра, но они очень близки по значению. Это происходит из-за совпадения: для системы вода-воздух психрометрическое отношение (см. ниже) оказывается близким к 1, хотя для систем, отличных от воздуха и воды, они могут быть не близки.

Чтобы понять, почему это так, сначала рассмотрим расчет термодинамической температуры по влажному термометру.

Эксперимент 1

В этом случае поток ненасыщенного воздуха охлаждается. Тепло от охлаждения этого воздуха используется для испарения некоторого количества воды, что увеличивает влажность воздуха. В какой-то момент воздух становится насыщенным водяным паром (и охлаждается до термодинамической температуры влажного термометра). В этом случае мы можем записать следующий баланс энергии на массу сухого воздуха:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$насыщенность воздуха водой (кг _{H 2 O} /кг _{сухого воздуха} )
• ${\displaystyle H_{0}}$начальное содержание воды в воздухе (те же единицы, что и выше)
• ${\displaystyle \lambda }$скрытая теплота воды (Дж/кг _{H 2 O} )
• ${\displaystyle T_{0}}$начальная температура воздуха (К)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {sat} }}$температура насыщенного воздуха (К)
• ${\displaystyle c_{s}}$удельная теплоёмкость воздуха (Дж/кг·К)

Эксперимент 2

В случае с влажным термометром представьте себе каплю воды с ненасыщенным воздухом, обдуваемым ею. Пока давление паров воды в капле (функция ее температуры) больше парциального давления паров воды в воздушном потоке, испарение будет происходить. Первоначально тепло, необходимое для испарения, будет поступать от самой капли.

Вместо этого, когда капля начинает остывать, она становится холоднее воздуха, поэтому конвективный перенос тепла начинает происходить от воздуха к капле. Кроме того, скорость испарения зависит от разницы концентрации водяного пара между интерфейсом капли и струи и удаленным потоком (т. е. «исходным» потоком, не затронутым каплей), а также от коэффициента конвективного массопереноса, который является функцией компонентов смеси (т. е. воды и воздуха).

Через определенный период достигается равновесие: капля охлаждается до точки, где скорость отвода тепла при испарении равна скорости притока тепла за счет конвекции. В этой точке справедлив следующий баланс энергии на площадь интерфейса:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda \cdot k'=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot h_{\mathrm {c} }}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$Содержание воды на границе раздела при равновесии (кг _{H 2 O} /кг _{сухого воздуха} ) (обратите внимание, что воздух в этой области является и всегда был насыщенным)
• ${\displaystyle H_{0}}$содержание воды в отдалённом воздухе (единица измерения та же, что и выше)
• ${\displaystyle k'}$ Коэффициент массопередачи (кг/м ² ⋅с)
• ${\displaystyle T_{0}}$температура воздуха на расстоянии (К)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$температура капли воды в равновесии (К)
• ${\displaystyle h_{\mathrm {c} }}$Коэффициент конвективной теплопередачи (Вт/м ² ·К)

Обратите внимание, что:

• ${\displaystyle (H-H_{0})}$движущая сила массопереноса (постоянно равная на протяжении всего эксперимента) ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }-H_{0}}$
• ${\displaystyle (T_{0}-T)}$является движущей силой теплопередачи (при достижении достигается равновесие) ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$

Давайте перепишем это уравнение так:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}$$

Теперь вернемся к нашему первоначальному эксперименту с «термодинамическим смоченным термометром», эксперименту 1. Если поток воздуха одинаков в обоих экспериментах (т.е. и одинаковы), то мы можем приравнять правые части обоих уравнений: ${\displaystyle H_{0}}$ ${\displaystyle T_{0}}$

$${\displaystyle (T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}$$

Перестановка:

$${\displaystyle T_{0}-T_{\mathrm {sat} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'\cdot c_{\mathrm {s} }}}}$$

Если тогда температура капли в эксперименте 2 такая же, как температура смоченного термометра в эксперименте 1. По совпадению, для смеси воздуха и водяного пара это так, причем отношение (называемое психрометрическим отношением ) близко к 1. ^[7] ${\displaystyle {\dfrac {h_{\mathrm {c} }}{k'c_{\mathrm {s} }}}=1}$

Эксперимент 2 — это то, что происходит в обычном влажном термометре, а это значит, что его показания довольно близки к термодинамической («реальной») температуре влажного термометра.

Экспериментально показано, что показания смоченного термометра наиболее близки к термодинамической температуре смоченного термометра, если:

• Носок защищен от лучистого теплообмена с окружающей средой.
• Воздух проходит через носок достаточно быстро, чтобы не допустить влияния испаряющейся влаги на испарение из носка.
• Вода, подаваемая в носок, имеет ту же температуру, что и термодинамическая температура влажного термометра воздуха.

На практике значение, полученное с помощью смоченного термометра, несколько отличается от термодинамической температуры смоченного термометра, поскольку:

• Носок не полностью защищен от лучистого теплообмена.
• Скорость воздушного потока через носок может быть ниже оптимальной.
• Температура воды, подаваемой в носок, не контролируется.

При относительной влажности ниже 100 процентов вода испаряется из шарика, охлаждая его ниже температуры окружающей среды. Для определения относительной влажности температура окружающей среды измеряется с помощью обычного термометра, более известного в этом контексте как термометр с сухим шариком . При любой заданной температуре окружающей среды меньшая относительная влажность приводит к большей разнице между температурами сухого и смоченного шариков; смоченный шарик холоднее. Точная относительная влажность определяется путем считывания с психрометрической диаграммы температур смоченного и сухого шариков или путем расчета.

Психрометры — это приборы, оснащенные как смоченным, так и сухим термометром.

Влажный термометр можно также использовать на открытом воздухе при солнечном свете в сочетании с шаровым термометром (который измеряет температуру падающего излучения ) для расчета температуры влажного шарика (WBGT).

Адиабатическая температура по влажному термометру

Адиабатическая температура по влажному термометру — это температура, которую имел бы объем воздуха, если бы он был адиабатически охлажден до насыщения, а затем адиабатически сжат до исходного давления в процессе влажной адиабатики ^{[ необходимо разъяснение ]} . ^[8] Такое охлаждение может происходить, когда давление воздуха уменьшается с высотой, ^{[ необходимо разъяснение ],} как отмечено в статье о повышенном уровне конденсации .

Этот термин, как он определен в этой статье, может быть ^{[ неопределенно ]} наиболее распространенным в метеорологии.

Поскольку значение, называемое «термодинамической температурой смоченного шарика», также достигается посредством адиабатического процесса, некоторые инженеры и другие могут использовать ^{[ неопределенно ]} термин «адиабатическая температура смоченного шарика» для обозначения «термодинамической температуры смоченного шарика». Как упоминалось выше, метеорологи и другие могут использовать ^{[ неопределенно ]} термин «изобарическая температура смоченного шарика» для обозначения «термодинамической температуры смоченного шарика».

«Отношение между изобарическим и адиабатическим процессами довольно неясно. Однако сравнения показывают, что две температуры редко отличаются более чем на несколько десятых градуса Цельсия, а адиабатический вариант всегда меньше из двух для ненасыщенного воздуха. Поскольку разница настолько мала, на практике ею обычно пренебрегают». ^[9]

Депрессия по влажному термометру

Депрессия по влажному термометру — это разница между температурой сухого и влажного термометров. Если влажность воздуха 100%, температуры сухого и влажного термометров идентичны, что делает депрессию по влажному термометру равной нулю в таких условиях. ^[10]

Температура влажного термометра и здоровье

Живые организмы могут выживать только в определенном диапазоне температур. Когда температура окружающей среды слишком высокая, многие животные охлаждаются до температуры ниже температуры окружающей среды путем испарительного охлаждения (пот у людей и лошадей, слюна и вода у собак и других млекопитающих); это помогает предотвратить потенциально смертельную гипертермию из-за теплового стресса. Эффективность испарительного охлаждения зависит от влажности; температуры влажного термометра или более сложных расчетных величин, таких как температура влажного термометра (WBGT), которая также учитывает солнечное излучение , дает полезное представление о степени теплового стресса и используется несколькими агентствами в качестве основы для руководств по профилактике теплового стресса.

Считалось, что постоянная температура влажного термометра, превышающая 35 °C (95 °F), — учитывая потребность организма поддерживать внутреннюю температуру около 37 °C — вероятно, будет фатальной даже для здоровых людей в хорошей физической форме, находящихся без одежды в тени рядом с вентилятором; при этой температуре организм человека переключается с отдачи тепла в окружающую среду на получение тепла от нее. ^{[11] [12]} На практике такие идеальные условия для охлаждения человека не всегда будут существовать — отсюда и высокие уровни смертности во время волн тепла в Европе в 2003 году и в России в 2010 году , когда температура влажного термометра не превышала 28 °C (82 °F). ^[13] Исследование 2022 года по изучению влияния тепла на молодых людей показало, что критическая температура влажного термометра, при которой тепловой стресс больше не может быть компенсирован, T _wb,crit , у молодых здоровых взрослых, выполняющих задачи с умеренной скоростью метаболизма, имитирующие основные действия повседневной жизни, составляла около 30,55 °C во влажной среде с температурой 36–40 °C, но постепенно снижалась в более жаркой и сухой окружающей среде. ^{[14] [15]}

Исследование 2015 года пришло к выводу, что в зависимости от степени будущего глобального потепления , некоторые части мира могут стать непригодными для проживания из-за смертельно опасных температур по влажному термометру. ^[16] Исследование 2020 года сообщило о случаях, когда температура по влажному термометру достигала 35 °C (95 °F), хотя и слишком недолго и в слишком маленькой местности, чтобы вызвать смертельные случаи. ^[13]

В 2018 году Южная Каролина ввела новые правила для защиты учащихся старших классов от чрезвычайных ситуаций, связанных с жарой, во время мероприятий на открытом воздухе. Для температур влажного шарика от 82,0 °F (27,8 °C) до 92,0 °F (33,3 °C) действуют особые правила и ограничения; при температурах влажного шарика от 92,1 °F (33,4 °C) и выше все мероприятия на открытом воздухе должны быть отменены. ^{[17] [18]}

Волны тепла с высокой влажностью

• 8 июля 2003 года в Дахране, Саудовская Аравия, был зафиксирован самый высокий индекс жары за всю историю: 81 °C (178 °F) при температуре 42 °C (108 °F) и точке росы 35 °C (95 °F). ^{[19] [20]}
• В индийскую жару 2015 года температура влажного термометра в Андхра-Прадеш достигла 30 °C (86 °F). Похожая температура влажного термометра была достигнута во время жары в Чикаго в 1995 году . ^[21]
• Волна тепла в августе 2015 года привела к температуре 48,6 °C (119,5 °F) и точке росы 29,5 °C (85,1 °F) в Эс-Самаве , Ирак , и 46 °C (115 °F) с точкой росы 32 °C (90 °F) в Бандар-э-Махшехре , Иран . ^[22] Это означало температуру влажного термометра около 33,5 °C (92,3 °F) и 34,7 °C (94,5 °F) соответственно. ^[23] Правительство настоятельно рекомендовало жителям держаться подальше от солнца и пить много воды.

Самая высокая зарегистрированная температура по влажному термометру

В следующих местах зафиксирована температура влажного термометра 34 °C (93 °F) и выше. ^[24] ( Метеостанции обычно находятся в аэропортах, поэтому в других местах города могли быть зафиксированы более высокие значения.)

Изменение климата

Результаты исследования показывают, что ограничение глобального потепления до 1,5 °C не позволит большинству тропиков достичь температуры влажного термометра, соответствующей физиологическому пределу человека в 35 °C. ^{[25] [26]}

Смотрите также

• Термодинамика атмосферы
• Точка росы
• Индекс жары
• Потенциальная температура смоченного термометра

Ссылки

1. Гай В. Гуптон (2002). Управление HVAC: Эксплуатация и техническое обслуживание. The Fairmont Press, Inc. стр. 288–. ISBN 978-0-88173-394-5.
2. Словарь погоды . Оксфордский справочник. 2008. ISBN 978-0-19-954144-7.
3. «По всему миру возникают потенциально смертельные сочетания влажности и жары».
4. Буис, Алан. «Слишком жарко, чтобы справиться: как изменение климата может сделать некоторые места слишком жаркими для жизни». Изменение климата: основные показатели состояния планеты .
5. "Адиабатическая температура насыщения - Глоссарий метеорологии". glossary.ametsoc.org .
6. ВанВилен, Гордон Дж; Зоннтаг, Ричард Э. (1973). Основы классической термодинамики (2-е изд.). Уайли. п. 448. ИСБН 978-0471902270.
7. "дата обращения 20080408".
8. "Температура смоченного термометра - Глоссарий метеорологии". glossary.ametsoc.org .
9. Модуль дистанционного обучения NWSTC; ДИАГРАММА SKEW T LOG P И АНАЛИЗ ЗОНДИРОВАНИЯ; RTM - 230; Национальный учебный центр метеорологической службы; Канзас-Сити, шт. Миссури 64153; 31 июля 2000 г.
10. «Температура сухого термометра, температура влажного термометра и точка росы». www.engineeringtoolbox.com .
11. Шервуд, SC; Хубер, M. (25 мая 2010 г.). «Ограничение адаптивности к изменению климата из-за теплового стресса». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 107 (21): 9552–5. Bibcode : 2010PNAS..107.9552S. doi : 10.1073/pnas.0913352107 . PMC 2906879. PMID  20439769 . 
12. Замбрун, Джош (11 августа 2023 г.). «Насколько жарко на самом деле? Температурные индексы расходятся во мнениях». Wall Street Journal – через www.wsj.com.
13. Raymond, Colin; Matthews, Tom; Horton, Radley M. (2020). «Появление жары и влажности, слишком суровых для человеческой переносимости». Science Advances . 6 (19): eaaw1838. Bibcode : 2020SciA....6.1838R. doi : 10.1126/sciadv.aaw1838 . PMC 7209987. PMID  32494693 . 
14. Vecellio, Daniel J.; Wolf, S. Tony; Cottle, Rachel M.; Kenney, W. Larry (2022-02-01). «Оценка порога адаптивности к температуре влажного термометра 35°C для молодых здоровых субъектов (проект PSU HEAT)». Журнал прикладной физиологии . 132 (2): 340–345. doi : 10.1152/japplphysiol.00738.2021 . ISSN  8750-7587. PMC 8799385. PMID 34913738  . 
15. Тимперли, Джоселин (31 июля 2022 г.). «Почему нужно беспокоиться о «температуре смоченного термометра»». The Guardian .
16. Пал, Джереми С.; Элтахир, Элфатих АБ (2015). «Будущая температура в юго-западной Азии, по прогнозам, превысит пороговое значение для человеческой адаптивности». Nature . 6 (2): 197–200. Bibcode :2016NatCC...6..197P. doi :10.1038/nclimate2833.
17. Шелтон, Дэвид (26 июля 2018 г.). «Вступают в силу новые правила для защиты спортсменов средней школы Южной Каролины в экстремальную жару». Post and Courier . Получено 16 августа 2018 г.
18. "Мониторинг температуры по влажному термометру (WBGT)" (PDF) . South Carolina High School League . Получено 16 августа 2018 г. .
19. Джейсон Саменов (31 июля 2015 г.). «В иранском городе зафиксирован индекс удушающей жары в 165 градусов, близкий к мировому рекорду». Washington Post . Архивировано из оригинала 26 апреля 2016 г. Получено 4 июня 2018 г.
20. Хенсон, Боб (9 мая 2020 г.). «Жара и влажность вблизи порога выживаемости: это уже происходит». Weather Underground . Получено 10 мая 2020 г.
21. «Смертельное сочетание жары и влажности». The New York Times . 6 июня 2015 г. Получено 16 марта 2016 г.
22. "По ощущениям, температура в Иране достигла 164 градусов, в Ираке — 159; объявлены выходные, так как на Ближнем Востоке бушует экстремальная жара". Weather.com . 5 августа 2015 г. Получено 16 марта 2016 г.
23. "Относительная влажность и смоченный термометр от точки росы". Национальная метеорологическая служба США . Получено 4 февраля 2019 г.Расчет предполагал давление воздуха 760 мм рт. ст. (101 кПа).
24. «Интерактивная карта: максимальная дневная температура по влажному термометру (°C)».
25. «Глобальное потепление подталкивает тропические регионы к пределам пригодности для жизни человека». The Guardian . 8 марта 2021 г. Получено 19 апреля 2021 г.
26. Чжан, И; Хелд, Айзек; Фуеглисталер, Стефан (март 2021 г.). «Проекции тропического теплового стресса, ограниченные атмосферной динамикой». Nature Geoscience . 14 (3): 133–137. Bibcode :2021NatGe..14..133Z. doi :10.1038/s41561-021-00695-3. ISSN  1752-0908. S2CID  232146008 . Получено 19 апреля 2021 г. .

Внешние ссылки

• 3 способа получения температуры по влажному термометру для инженеров
• Диаграмма влажного термометра для производства снега (градусы Фаренгейта)
• Косвенно-испарительный охладитель охлаждает ниже влажного термометра
• Калькулятор смоченного термометра и точки росы от NOAA
• Быстрый способ расчета температуры по влажному термометру
• Расчет индекса теплового стресса