Процессы испарения и конденсации

В специальной банной литературе (в том числе и финской) обычно ограничиваются сведениями о плотности насыщенного пара и определением понятия относительной влажности воздуха. При этом делают вывод о том, что чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше влаги способен принять воздух и тем более интенсивны процессы испарения пота с тела человека.

При всей очевидности этого тезиса, сам подход методически неточен, поскольку низкая относительная влажность воздуха отнюдь не гарантирует возможность испарения влаги с кожи человека именно в банных условиях, когда температура воздуха превышает температуру кожи человека. Кроме того, если воздух и тело человека имеют разные температуры, то понятие относительной влажности воздуха вообще теряет физический смысл применительно к телу человека.

Поясним это простейшим примером. Предположим, термометр (сухой) в бане показывает 90 °C, а гигрометр относительную влажность 25 %. Казалось бы, баня сухая, и тело человека должно быть сухим. Но если вы смочите кожу водой, сохнуть она не будет. В то же время полок в бане, листья на венике и волосы на голове сохнут. Объясняется это тем, что полок, листья и волосы имеют ту же температуру, что и воздух, а ваше тело нагреться выше 40 °C не может, вы просто выскочите из бани, если перегреетесь. Значит, ваше тело неминуемо представляет собой холодный элемент бани, около которого воздух охлаждается, а относительная влажность воздуха около тела человека повышается.

В цифрах это выглядит следующим образом. Плотность насыщенного пара при 90 °C составляет 0,40 кг/м³ (по рис. 23). Поскольку относительная влажность воздуха равна 25 %, то абсолютная влажность воздуха 0,10 кг/м³. Плотность насыщенного пара при 40 °C составляет 0,05 кг/м³. Это означает, что воздух с реальной абсолютной влажностью 0,10 кг/м³, соприкасаясь с телом человека, охлаждается до 40 °C и уже не может иметь абсолютную влажность выше 0,05 кг/м³, то есть водяные пары должны частично (наполовину) сконденсироваться на коже человека в виде росы. Воздух при этом осушается на коже человека точно также, как на теплообменных охлаждающих пластинах кондиционера. Если вы махнёте рукой, направив поток воздуха к телу, количество осаждающейся росы увеличится, а так как осаждение росы сопровождается выделением теплоты конденсации пара, то одновременно с росой вы почувствуете нагрев кожи. Это именно то, что происходит в русской бане при парении веником. То есть, казалось бы, при относительной влажности 25 % ваше тело в бане должно быть сухим, как и ваши волосы. Но на самом деле, мокрая кожа вовсе не сохнет, более того, «пот» течёт «ручьём». Да и не пот это вовсе, а конденсат водяных паров из воздуха, жгучий, пощипывающий кожу. То есть баня с сухим воздухом может быть не сухой, а паровой.

Процесс осаждения росы (конденсата) может приостановиться лишь при осушении воздуха до абсолютной влажности 0,05 кг/м³, после чего абсолютная влажность изменяться не будет. С другой стороны, если вы входите в баню (с любой температурой, например, 90 °C), воздух которой имеет абсолютную влажность ниже 0,05 кг/м³, то за счёт испарения пота и выделения влаги дыханием абсолютная влажность воздуха в бане будет увеличиваться до того же значения 0,05 кг/м³, соответствующего плотности насыщенного пара при 40 °C. Иными словами, при абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м³ (или, что то же самое, при точке росы воздуха, равной 40 °C) ни процессы испарения воды с кожи человека (в том числе и пота), ни процессы осаждения росы (конденсата) на кожу человека становятся невозможными.

Рис. 29. Теоретическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры Тс при фиксированной абсолютной влажности воздуха 0,050 кг/м³ (при точке росы 40 °C). Представляет собой хомотермальную кривую для 40 °C, разделяющую режимы испарения пота и осаждения конденсата из воздуха.

На рис. 29 представлена зависимость относительной влажности воздуха от температуры при фиксированной абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м³ (при точке росы 40 °C). Эта зависимость (кривая росы, конденсационная кривая) имеет фундаментальный (объективный) характер и описывает условия перехода от режимов испарения пота к режимам конденсации паров воды на кожу человека. Режимы ниже кривой соответствуют сухим баням, то есть таким, в которых пот может испаряться. Режим на кривой соответствует влажным баням, в которых пот перестаёт испаряться вовсе (режимы «чистого» потения). Режимы выше кривой соответствуют паровым баням, в которых пот не испаряется и, более того, на кожу выделяется горячая роса. Таким образом, воздушносухие бани с сухим воздухом (с относительной влажностью воздуха меньше 50 %) могут быть и сухими, и влажными, и даже паровыми. Аналогично, воздуховлажные бани с влажным воздухом (с относительной влажностью воздуха более 50 %) также могут быть и сухими, и влажными, и паровыми, что полностью снимает все терминологические трудности.

Кривую на рис. 29 назовём хомотермальной[1](от латинских слов «homo» – человек и «thermae» – тёплое купание). Хомотермалъная кривая отвечает реальным климатическим условиям бань всех типов – турецких, русских, финских… Для всех бань характерна одна и та же абсолютная влажность воздуха порядка 0,05 кг/м³, что с первого взгляда может показаться крайне удивительным. Но всё становится очевидным, если учесть, что хомотермальная кривая соответствует климатическим условиям, когда человек теряет способность к саморегулированию температуры своего тела, поскольку теряет возможность испарять воду со своей кожи. При этом мокрое тело человека начинает непрерывно перегреваться. Это означает, что человеку даже с мокрой кожей не может быть холодно в режимах на хомотермальной кривой и выше (при отсутствии лучистых теплопотерь).

Многие люди, в том числе и врачи, по наивности полагают, что климатические режимы различных традиционных бань специально разработаны «многовековым опытом многочисленных поколений предков». Это глубочайшее заблуждение. Других режимов просто не существует в природе. Эти режимы реализуются «сами собой» при подборе условий, когда человеку становится тепло.

Неуклонное повышение температуры тела означает, что рано или поздно человек даже с мокрой кожей перегреется и будет вынужден выйти из бани. Иными словами, длительное непрерывное нахождение в условиях, описываемых хомотермальной кривой, несовместимо с жизнью. Поэтому для конструирования бань важно понять не только то, что при определённой температуре воздуха человек способен длительно выдержать лишь некоторую максимальную относительную влажность воздуха, о чём так много пишут в литературе. Ещё более важно понять, что вне зависимости от температуры человек способен непрерывно выдерживать лишь некоторую максимальную абсолютную влажность воздуха (не выше 0,05 кг/м³). Конечно, люди охладившись, способны кратковременно вынести и значительно более высокие влажности, но только кратковременно (времена переносимости будут установлены в разделе 5.3).

Таким образом, измерив температуру и относительную влажность воздуха, мы, вопреки заявлениям финских методистов, ничего не можем сказать о бане, не сопоставив полученные данные с хомотермальной кривой. Измерение же точки росы воздуха сразу же однозначно укажет на характер климатических условий. Поскольку приборы по определению точки росы весьма сложны для бань, то любителям бани для изучения особенностей своей бани можно порекомендовать крайне упрощённые «приборы» не по измерению, а по контролю точки росы: вёдра, наполненные водой с температурой 40 °C или блестящие пластинки, прикреплённые к телу человека (металлические никелированные браслеты или даже обычные металлизированные липкие плёнки‑ленты типа скотча). При достижении точки росы 40 °C (хомотермальный режим) на вёдрах, браслетах или липких плёнках, протираемых сухим полотенцем, появятся капли росы (запотевание).

Банный воздух, соответствующий хомотермальному режиму, можно моделировать воздухом, выдыхаемым из лёгких, поскольку он тоже имеет абсолютную влажность, близкую к 0,05 кг/м³. Поэтому в быту иногда говорят о душных помещениях – «надышали как в бане». В нормальной бане если дыхнуть на зеркало, роса (в виде запотевания) не должна образовываться никогда. Для ориентировки отметим, что в холодное время года образование тумана в выдыхаемом воздухе («пара» изо рта) происходит при температуре атмосферного воздуха ниже плюс 8‑10 °C. При более высоких температурах туман при дыхании уже не виден, но роса при дыхании на зеркало выделяется вплоть до температур зеркала 30–35 °C. Температуры появления росы и тумана в этих условиях существенно ниже точки росы воздуха 40 °C по причине затруднённости зарождения первичных мельчайших капель конденсата с выпуклой поверхностью, а также ввиду подогрева поверхности зеркала и внешнего воздуха тёплым выдыхаемым воздухом. Аналогичное явление наблюдается и при истечении влажного тёплого воздуха из бани наружу.