TYÖ 36b. ILMANKOSTEUS Tehtävä Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste. Välineet Taustatietoja Mittanauha tai metrimitta, ilmankosteus- ja lämpötilamittari. Ilmankosteus tarkoittaa ilmassa höyrynä olevaa vettä. Veden määrä voidaan ilmoittaa höyryn tiheyden avulla. Veden osatiheys tarkoittaa ilmassa olevan vesihöyryn massaa tilavuusyksikköä kohti. Vesihöyryä voi olla ilmassa vain tietty enimmäismäärä, jonka suuruus riippuu ilman lämpötilasta. Vesihöyryn sanotaan tällöin olevan kylläistä. Kylläinen höyry on dynaamisessa tasapainotilassa, jossa höyrystyminen ja tiivistyminen ovat yhtä runsasta. Tällaisessa tilassa olevaa höyryä sanotaan siis kylläiseksi höyryksi ja vallitsevaa höyryn painetta kylläisen höyryn paineeksi. Kylläisen vesihöyryn paine eri lämpötiloissa on esitetty taulukossa (ks. MAOL s. 80 (80)). Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella: missä (1). Ilman suhteellinen kosteus voidaan laskea myös toisella tavalla; ilman absoluuttisen kosteuden X ja kyseistä lämpötilaa vastaavan maksimikosteuden Xmax osamääränä, joka ilmoitetaan usein prosentteina; (2) Ilman absoluuttinen kosteus X tarkoittaa ilman todellista vesihöyryn tiheyttä. Se siis ilmoittaa ilmassa olevan vesihöyryn massan tilavuusyksikköä kohti. Tiettyä lämpötilaa vastaava maksimikosteus Xmax kertoo vesihöyryn suurimman mahdollisen massan tilavuusyksikköä kohden. Maksimikosteus Xmax on siis vesihöyryn suurin mahdollinen tiheys ilmassa. Maksimikosteus Xmax riippuu lämpötilasta.
Jos ilman kosteus on 100 %, niin ilma on vesihöyryn kyllästämä. Ilma sisältää maksimimäärän vettä ja esimerkiksi avoimesta astiasta ei haihdu vettä ilmaan. Saunassa ilmankosteus voi olla 100 %. Löylyä heitettäessä vettä tiivistyy iholle ja ikkunoihin. Asunnoissa suhteellisen kosteuden tulisi olla noin 40 % - 55 %. (Lehto-Luoma: Fysiikka 3: Lämpö ja energia, Tammi, 5-9. uudistettu painos 2002, s. 65-67, 71). Jos ilman lämpötila laskee, ilman suurin mahdollinen kosteus pienenee. Jos ilman lämpötila laskee niin paljon, että tätä lämpötilaa vastaava kylläisen vesihöyryn paine (ks. MAOL s. 80) on yhtä suuri kuin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine, vesihöyry alkaa tiivistyä vedeksi. Tätä lämpötilaa kutsutaan kastepisteeksi. Kun lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle, (näkymättömän) vesihöyryn tiivistyminen vedeksi jatkuu. Silloin maan pinnalla näkyy usein sumua, ja kastepisaroita tiivistyy ruohoon. Jos huoneen lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle, kosteus tiivistyy ikkunoihin ja tekstiileihin, ja huonekalut tuntuvat kosteilta. Mikäli kastepiste on sulamispistettä alempi, esimerkiksi ruohoon muodostuu jäähileitä. Auton ikkunoihin voi muodostua silloin jäätä. Ilmiötä, jossa vesihöyry muuttuu kiinteäksi (jääksi), kutsutaan härmistymiseksi. Kosteustaulukko. Suhteellinen kosteus (%) -liian kostea-... 100 - puu mätänee 90 - vilun tunne 80 - maalit lohkeilevat 70 - soittimet epävireessä -sopiva kosteus-... 60 50 40 35 -liian kuiva-... 30 - kurkku aamuisin kipeä 20 10 - huonekalut rapistuvat 0 Astmaattisten ja allergisten ihmisten ja varsinkin pienten lasten terveydelle ilman suhteellisella kosteudella on suuri merkitys. Huoneilman suhteellinen kosteus vaikuttaa myös kotieläinten terveyteen ja kasvien sekä soittimien kuntoon.
Suoritusohjeita Mitataan luokkahuoneen pituus, leveys ja korkeus sekä lasketaan huoneen tilavuus. Luetaan lämpötila ja kosteusmittarista ilman lämpötila ja suhteellinen kosteus. Taulukosta (MAOL s. 80) saadaan kutakin lämpötilaa vastaava kylläisen vesihöyryn paine. 1) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSAPAINE Huoneilman vesihöyryn osapaine saadaan lausekkeesta (1) suhteellisen kosteuden ja kylläisen vesihöyryn paineen tulona: (3) missä φ = suhteellinen kosteus (mittarista luettu %), = kylläisen vesihöyryn paine (mbar), (taulukosta sivulta 80). = huoneilman vesihöyryn osapaine (mbar). Esim. Jos huoneen lämpötila on 21 o C, niin tätä vastaava kylläisen vesihöyryn paine taulukon mukaan on 24,86 mbar. 2) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSATIHEYS Vesihöyryn osatiheys ilmassa on. Ilmassa olevan vesihöyryn massa (g) on (MAOL s. 138-139 (130-131); n = m/m), missä Huoneen tilavuus lasketaan suorakulmaisen särmiön tilavuutena; V = abc (tilavuus on pituuden, korkeuden ja leveyden tulo). Veden H2O moolimassa on Mv = (2 1,008 + 16,00) g/mol 18,0 g/mol. (ks. hapen ja vedyn suhteelliset atomimassat; MAOL s. 169, 171 (161, 163)). Oletetaan, että kaasujen yleinen tilanyhtälö voimassa. Kaasujen yleisestä tilanyhtälöstä vesihöyryn ainemäärä, missä vesihöyryn osapaine. on saadaan Vesihöyryn massa. Vesihöyryn osatiheys on
(4) missä vesihöyryn osapaine (bar),, R = moolinen kaasuvakio (MAOL s. 70 (71)); T = lämpötila kelvinasteina (K), ρ = vesihöyryn osatiheys (kg/m 3 ). 3) HUONEILMASSA OLEVAN VESIHÖYRYN MASSA Tiheyden määritelmästä ρ = m/v saadaan huoneilmassa olevan vesihöyryn massa (5) missä ρ = ilmassa olevan vesihöyryn osatiheys (g/m 3 ), (ks. lauseke (4)). V = huoneen tilavuus (m 3 ). Ilmassa olevan vesihöyryn massa voidaan laskea myös toisin: Sijoitetaan ainemäärän lauseke kaasujen yleiseen tilanyhtälöön, josta ratkaistaan vesihöyryn massa (6) Yksikkötarkastelu antaa tulokseksi gramman, kuten pitääkin.. Oikein. Kolmas tapa laskea ilmassa olevan vesihöyryn massa on laskea se kertomalla absoluuttinen kosteus X huoneen tilavuudella V (vrt. m = ρv); = X V (7) missä = ilmassa olevan vesihöyryn massa (g), X = absoluuttinen kosteus (g/m 3 ), V = huoneen tilavuus (m 3 ). Vrt. lauseke (2) ja (8).
4) HUONEILMAN ABSOLUUTTINEN KOSTEUS Ilman absoluuttinen kosteus X tarkoittaa ilman todellista vesihöyryn tiheyttä. Ilman absoluuttinen kosteus X saadaan laskettua lausekkeesta (2): missä X = absoluuttinen kosteus (g/m 3 ), φ = suhteellinen kosteus (mittarista luettu %), Xmax = maksimikosteus (g/m 3 ), joka saadaan taulukon (MAOL s. 80) vastaavan lämpötilan kylläisen vesihöyryn tiheytenä (g/m 3 ). Esim. lämpötilassa 21 o C maksimikosteus on 18,33 g/m 3. 5) HUONEILMAN KASTEPISTE Kastepisteessä ilman vesihöyry alkaa tiivistyä vedeksi, kun ilman lämpötila on laskenut siten, että tätä lämpötilaa vastaava kylläisen vesihöyryn paine (ks. MAOL s. 80) on yhtä suuri kuin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine. Katsotaan taulukosta ilmassa olevan vesihöyryn osapainetta vastaava lämpötila, joka on kastepiste. Esim. Jos paine on 12,3 mbar, niin kastepiste on noin 10 o C. (8) Mittauspöytäkirja Mittaustulokset Huoneen tilavuus V = abc, V = V = m 3 Huoneen lämpötila t = o C, T = K. Ilman suhteellinen kosteus φ = %. 1) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSAPAINE φ Vastaus: vesihöyryn osapaine = mbar.
2) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSATIHEYS ρ Vastaus: Vesihöyryn osatiheys ρ = kg/m 3. 3) HUONEILMASSA OLEVAN VESIHÖYRYN MASSA Lasketaan massa yhdellä tavalla näistä kolmesta seuraavasta tavasta: Tapa 1: Tapa 2: Tapa 3: = X V Vastaus: Ilmassa olevan vesihöyryn massa = g.
4) HUONEILMAN ABSOLUUTTINEN KOSTEUS Vastaus: Absoluuttinen kosteus = g/m 3. 5) HUONEILMAN KASTEPISTE t Vastaus: Kastepiste t = o C. TYÖN JA TULOSTEN TARKASTELUA 1) Mitkä seikat aiheuttivat virhettä tuloksiin? 2) Miten mittaustarkkuutta voitaisiin parantaa?
RATKAISUT: Mittauspöytäkirja Mittaustulokset Huoneen tilavuus V = abc, V = V = m 3 Huoneen lämpötila t = o C, T = K. Ilman suhteellinen kosteus φ = %. 1) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSAPAINE φ Vastaus: vesihöyryn osapaine = mbar. 2) HUONEILMAN VESIHÖYRYN OSATIHEYS ρ Vastaus: Vesihöyryn osatiheys ρ = kg/m 3.
3) HUONEILMASSA OLEVAN VESIHÖYRYN MASSA Lasketaan massa yhdellä tavalla näistä kolmesta seuraavasta tavasta: Tapa 1: Tapa 2: Tapa 3: = X V Vastaus: Ilmassa olevan vesihöyryn massa = g. 4)HUONEILMAN ABSOLUUTTINEN KOSTEUS Vastaus: Absoluuttinen kosteus = g/m 3.
5) HUONEILMAN KASTEPISTE t Vastaus: Kastepiste t = o C. TYÖN JA TULOSTEN TARKASTELUA 1) Mitkä seikat aiheuttivat virhettä tuloksiin? 2) Miten mittaustarkkuutta voitaisiin parantaa?