Понятие влажного термометра

Оценить климатическую обстановку нам поможет простейший прибор – обычный стеклянный капиллярный термометр. Поместим термометр в баню с температурой 40 °C. Показание термометра составит, естественно, 40 °C. Примем, что этот термометр имитирует тело человека.

Теперь смочим резервуар термометра водой с температурой 40 °C. Казалось бы, ничего не должно случиться. Но к нашему удивлению показания термометра начнут снижаться. Значит и мокрое тело человека должно охлаждаться. Действительно, если вы разденетесь в натопленной жилой комнате, то холода вы не почувствуете. Но стоит только смочить кожу водой (даже тёплой), вы наверняка тотчас отчётливо почувствуете охлаждение смоченного участка тела. Этот факт является определяющим для правильного понимания климатических особенностей бань – в банях должно быть тепло не только с сухой, но и с мокрой кожей.

Таким образом, смачивая резервуар капиллярного термометра водой и снимая его показания, мы можем получить сведения о характере ощущений при смачивании кожи человека водой. Показания же сухого термометра характеризуют ощущения сухого человека.

Термометр со смоченным резервуаром уже давно с успехом используется в метеорологии и называется влажным (смоченным) термометром. Он конструктивно представляет собой обычный термометр, резервуар которого обмотан ватным тампоном (хлопчатобумажным фитилём), смоченным водой (рис. 18). Влажный термометр показывает, к какой температуре будет стремиться мокрое (влажное, смоченное, вспотевшее) тело человека в бане. Сухой термометр показывает истинную температуру воздуха в бане.

Рис. 18. Принцип устройства психрометра. 1 – капиллярный термометр (сухой), 2 – капиллярный термометр (влажный), 3 – резервуар термометра, 4 – фитиль из батиста, 5 – сосуд с водой, 6 – экраны для защиты от лучистого нагрева.

На рисунке 19 приведена широко известная в метеорологии так называемая психрометрическая кривая, рассчитанная для температуры воздуха 40 °C по сухому термометру. Видно, что чем ниже относительная влажность воздуха (измеряемая гигрометром), тем ниже показания влажного термометра, тем более прохладно чувствует себя человек при одной и той же температуре воздуха.

Причина этого давно известна. Если на поверхности любого (живого или неживого) тела имеется вода (влага), то она, испаряясь, приводит к охлаждению предмета. Это охлаждение вызвано тем, что испарение воды требует больших затрат тепла 539 кал/г (2250 кДж/кг), называемых скрытой теплотой испарения. Но если испарение воды с поверхности предмета невозможно (например, если воды на предмете вообще нет или эта вода находится под слоем жира (масла, сала) или если относительная влажность изотермического с предметом воздуха равна 100 %, и воздух просто физически не может больше принять в себя воду), то и охлаждение предмета не происходит. То есть человек своими органами чувств (кожными терморецепторами) способен правильно оценить температуру воздуха лишь тогда, когда его кожа сухая и/или засалена и/или когда воздух не способен принять испаряющийся пот (влагу), и в силу этого испарение невозможно. Так и термометр показывает истинную температуру воздуха лишь в двух случаях: либо если он сухой, либо если воздух до предела насыщен водой и имеет поэтому относительную влажность 100 % (рис. 19).

Рис. 19. Зависимость показаний влажного (смоченного) термометра от относительной влажности воздуха (психрометрическая кривая) при температуре Тс – 4 °C

О чём говорит любителю бани психрометрическая кривая? Предположим, вы входите сухим в турецкую баню, нагретую до температуры 40 °C. При этом под турецкой баней будем понимать замкнутый сосуд (каменный, деревянный, металлический, пластиковый), дно, стенки и крышка которого всюду нагреты до одной и той же температуры, в данном случае до 40 °C. Воздух, естественно, тоже нагрет до 40 °C. Поскольку у вас кожа сухая, вы начинаете нагреваться до 40 °C (как и сухой термометр). Становится жарко. Протираете себя мокрой, нагретой до 40 °C тряпкой и неожиданно отчётливо чувствуете, что баня, только что бывшая тёплой, становится неимоверно холодной. Смотрите на гигрометр – он показывает относительную влажность 50 %. Ну что ж, ясно, ведь согласно психрометрической кривой ваше мокрое (смоченное, влажное) тело стремится к температуре 30 °C. Значит надо повышать температуру, чтобы не закоченеть. Но есть и другой путь. Плеснём воду на пол турецкой бани. Вода начинает испаряться, влажность воздуха повышается и при достижении относительной влажности воздуха 94 % ваше влажное тело нагревается до 39 °C, а при достижении относительной влажности воздуха 100 % – до 40 °C. Вновь становится жарко, хотя температура по показаниям сухого термометра как была равна 40 °C, так и осталась.

Так что же, достаточна ли температура 40 °C для бани? Почему то жарко, то холодно? Ответ ясен – говорить о температуре бани без указания влажности воздуха бессмысленно точно так же, как в обычной метеорологии. Если вы приземляетесь в Гаване, и вам говорят, что температура воздуха за бортом 40 °C при влажности 90 %, то значит вам придётся выходить в душное пекло. Но если вы приземляетесь в Ашхабаде, и вам говорят, что за бортом 40 °C при влажности 10 %, то вы можете даже не снимать пиджак, а на ветерке в тени даже почувствовать «прохладу». Важным фактором является состояние кожи – с сухой кожей вам в сухом горячем воздухе может стать жарко, а вот с мокрой кожей может стать даже холодно. Отметим, что в дальнейшем, говоря о мокрой коже, мы будем иметь в виду специально (искусственно) намоченную водой кожу. Так что для правильных заключений о банной метеообстановке человек должен быть обязательно в неразгорячённом состоянии и должен сопоставить свои ощущения как при сухой, так и при специально намоченной водой (а не просто потной) коже. Это объясняется тем, что пот обычно хуже испаряется (чем обычная вода на коже), поскольку при малых содержаниях пот находится в порах кожи, а при больших содержаниях (в виде капель на коже) пот может быть покрыт маслянистой плёнкой, и, кроме того, содержать много солей, повышающих температуру кипения воды. К тому же потный человек неминуемо находится в разгорячённом состоянии, при котором субъективные оценки тепла и холода условны.

Рис. 20. термодинамическая I – d ‑ диаграмма влажного воздуха, рассчитанная для нормального барометрического давления р=1 атм. По вертикальной оси температура воздуха Тс (в градусах Цельсия по сухому термометру). По горизональной оси – абсолютная влажность воздуха d (количество водяных паров в килограммах на один кубический метр воздуха). Кривые – зависимости d от Тс для разных значений относительной влажности воздуха ф в процентах. Прямые – линии постоянства энтальпии (теплосодержания) влажного воздуха I = const для значений 40, 80 и 120кДж/кг. Порядок определения показания влажного термометра Тв: из точки с определёнными Тс и d проводим наклонную стрелу вдоль линии I = const до пересечения с кривой, соответствующей ф = 100 %; считываем показание Тв, соответствующее точке пересечения. Порядок определения точки росы Тр: из точки с определёнными Тс и d проводим вертикальную стрелу вдоль линии d = const до пересечения с кривой, соответствующей ф =100 %; считываем показание Тр, соответствующее точке пересечения.

В метеорологии понятие влажного термометра считается основополагающим. Совокупность показаний сухого и влажного термометров, составляющих психрометр (рис. 18), однозначно определяет относительную влажность. Относительная влажность может быть измерена независимо прибором гигрометром, а затем по показаниям сухого термометра и гигрометра может быть рассчитано значение показания влажного термометра. Для специалистов напомним для справки универсальную диаграмму влажного воздуха (рис. 20), детальный вид которой можно найти в любой книге по климатологии. Из этой диаграммы, зная любые два значения из шести показателей (температура сухого термометра Тс, температура влажного термометра Тв, температура точки росы Тр, относительная влажность ф, абсолютная влажность с1, энтальпия воздуха I), можно определить и остальные.

Совершенно ясно, что не только относительная влажность воздуха влияет на показания влажного термометра. Например, если обдувать сухим воздухом влажный термометр, то скорость испарения увеличится, и показания термометра ещё более снизятся. Поэтому в климатологии (являющейся теоретической базой физиотерапии в медицине и кондиционирования воздуха в строительстве) учитываются факторы движения воздуха. На рис. 21 приведены зависимости кажущейся («эквивалентно‑эффективной») температуры воздуха от влажности и скорости движения воздуха (A.B. Яковенко, Вопросы курортологии, № 4, 1969 г., стр. 356–363). Отметим, что эти зависимости объясняют инверсию ощущений человека при низких температурах в зоне А, когда сухой воздух ощущается как более «тёплый». Нас же интересует высокотемпературная зона В, отвечающая банным условиям, и также имеющая инверсию, о которой и пойдёт речь в следующих разделах.

Рис. 21. Диаграммы для определения эквивалентно‑эффективной (кажущейся) температуры воздуха Тэ по показаниям сухого Тс и влажного Тв термометров при различных скоростях движения воздуха V: а – для одетого человека, б – для раздетого человека. Для определения Тэ находим на осях значения показаний сухого и влажного термометров, соединяем их прямой, на пересечении прямой с кривой, соответствующей действующему значению скорости ветра, считываем значение Тэ. Зона комфорта Тэ = 17–22 °C. А – внедомовая зона, Б – бытовая зона, В – банная зона.

Также ясно, что если термометр находится в зоне лучистых потоков, то его показания увеличиваются. Всем известно, что показания термометра «на солнце» выше, чем в «тени». В быту поэтому говорят, что температура воздуха «на солнце» больше, чем в «тени». Это, конечно, не правильно. Температура воздуха «на солнце» не может заметно отличаться от температуры воздуха в «тени» вследствие наличия движения воздушных масс (под действием конвекции, ветра). За счёт лучистых потоков нагревается не воздух, а корпус термометра, в том числе и резервуар расширяющейся жидкости. Так что, как и прежде, термометр измеряет не температуру воздуха, а температуру самого себя. При этом, чем «черней» корпус термометра, тем выше его показания, поскольку чёрные предметы сильней поглощают тепловое излучение (то есть меньше отражают), а потому и сильней нагреваются. Тепловое излучение исходит от окружающих нагретых поверхностей, интенсивность этого излучения быстро увеличивается с ростом температуры излучающих поверхностей (см. раздел 4.6). На рис. 22 приведена характерная качественная зависимость показаний сухого термометра (так называемой «радиационно‑эффективной» температуры), используемая во многих книгах по климатологии (см., например, В.И. Полушкин и др., Отопление, вентиляция и кондиционирование, СПб.: Профессия, 2001 г.). Таким образом, банные климатические условия в принципе могут быть получены при низких температурах воздуха, но высоких температурах стен. Однако и в этом случае ощущения человека с мокрой кожей характеризуются показаниями влажного термометра, которые формируются сложным образом, то есть и нагревом термометра лучистым потоком, и охлаждением его за счёт испарения воды с поверхности резервуара, в том числе и с учётом движения воздуха.

Рис. 22. Значения радиационно‑эффективной температуры ТRЭ при различных температурах неподвижного воздуха Тс и различных средних значениях температуры поверхности стен (потолка, пола).

Отметим, что в популярной литературе встречаются ошибочные мнения, что увлажнение воздуха в банях приводит к существенному повышению теплоёмкости и теплопроводности воздуха, и именно поэтому тепловой поток на тело человека при поддачах в бане возрастает. На самом деле теплоёмкости и теплопроводности воздуха и водяных паров (как газов без учёта явлений конденсации пара) близки:

Ясно, что при удельном массовом содержании водяных паров в воздухе на уровне 5 % (эта цифра отвечает хомотермальной влажности воздуха 0,05 кг/м³), свойства влажного воздуха будут практически неотличимы от свойств сухого. Так что, главным фактором в тепловом балансе человека в бане являются потери на испарение воды с кожи. В то же время неверны и «медицинские» заключения, что на испарение воды с кожи человек тратит так много тепла, что «теряет калории» и худеет, «сжигая» жировые запасы. В действительности же, мокрый человек, как и мокрый термометр, вовсе не «сжигает» жир и не тратит калорий. Это вода на коже испаряется и вследствие чего охлаждается, а охлаждённая вода охлаждает и кожу. Так что человек может терять вес лишь за счёт выделения пота, причём сам процесс выделения пота практически не требует затрат калорий. Действительно, сколько ни смачивай кожу водой, жировые запасы в организме не снизятся (разве что человеку станет холодно и он ознобом начнёт тратить калории на судорожные сокращения мышц).