湿空气的物理性质与组成和状态有关

湿空气的物理性质除和它的组成成分有关外，还决定于它所处的状态。湿空气的状态通常可以用压力、温度、相对湿度、含湿量及焓等参数来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。

所谓理想气体，就是假设气体分子是一些有弹性的、不占有空间的质点，分子相互之间没有作用力。通风空调工程中所涉及湿空气的压力和温度都可以看作属于这个范畴。因为在热力学中，常温常压下的干空气可视为理想气体；同时，湿空气中水蒸气含量一般很少，只有几克到几十克，在通风空调中应用的湿空气，其中水蒸气的质量份额最大不超过5%，而且湿空气中的水蒸气大多处于过热状态，水蒸气的分压力很小，比容很大。这样干空气可以为理想气体，水蒸气也可视为理想气体，所以湿空气可视为理想气体。因此，湿空气可以应用道尔顿分压力定律，并且也可用理想气体状态方程来表示，即：

式中：p——气体的绝对压力，Pa；

　　　v——气体的比容，m3/ kg；

　　　V——气体的总体积，m3；

　　　m——气体的总质量，kg；

　　　T——气体的热力学温标，K；

　　　R——气体常数，J/（kg·K），取决于气体的性质。

其中干空气和水蒸气的气体常数分别为：Ra =287J/（kg·K），Rv = 46lJ/（kg·K）。

2.1　压力

2.1.1　大气压力

大气压力是指大气层在地球表面单位面积上形成的压力称为大气压力。大气压力不是一个定值，它随着各个地区的海拔高度的增加而减小，同时还随着季节、天气的变化而稍有高低的。大气压力的产生是地球引力作用的结果，由于地球引力，大气被“吸”向地球，因而产生了压力，靠近地面处大气压力最大。由于地心引力作用，距地球表面近的地方，地球吸引力大，空气分子的密集程度高，撞击到物体表面的频率高，由此产生的大气压力就大。距地球表面远的地方，地球吸引力小，空气分子的密集程度低，撞击到物体表面的频率也低，由此产生的大气压力就小。因此在地球上不同高度的大气压力是不同的，位置越高大气压力越小。此外，空气的温度和湿度对大气压力也有影响。在国际单位制（SI）里，压力的单位是Pa（帕），1 Pa = 1 N/m2。在北纬45°处的海平面上，空气温度为0 ℃，所测得的平均大气压力为101 325 Pa，称为一个标准大气压（atm）或物理大气压。其数值可表示为：

大气压力不同，空气的状态参数也要发生变化。如图7.1所示。

图7.1　大气压力与海拔高度的关系

在空调系统中，空气的压力常用仪表测定，但仪表指示的压力不是空气压力的绝对值，而是与当地大气压力的差值，称为工作压力（也叫表压力）。它不能代表空气压力的真正大小，只有空气的绝对压力才是空气的一个基本状态参数。工作压力与绝对压力的关系为：

绝对压力 = 当地大气压力 + 工作压力（表压力）

需要说明的是，凡是没有特别指明是工作压力的，均应理解为绝对压力。由于大气压力不是定值，因地而异。因此，在设计和运行中应当考虑由于当地大气压的不同所引起的误差修正。由于工作压力是空气压力与当地大气压力的差值，它并不代表空气压力的真正大小，只有绝对压力才是空气的一个基本状态参数。

2.1.2　水蒸气分压力

水蒸气分压力是指湿空气中水蒸气的分压力，是指湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积，并具有与湿空气相同温度时所具有的压力。根据气体动理学理论的学说，气体分子越多，撞击容器壁面的机会越多，表现出的压力也就越大。因而，水蒸气分压力的大小也就反映了水蒸气含量的多少。

根据道尔顿分压力定律：混合气体总压力等于各组成气体分压力之和。湿空气的总压力就等于干空气分压力和水蒸气分压力之和，即：

式中：B——湿空气的总压力，即当地大气压，Pa；

　　　Pa——干空气分压力，Pa；

　　　Pv——水蒸气分压力，Pa。

必须指出，湿空气容纳水蒸气的数量或反映水蒸气含量的分压力是有一定限度的。在一定温度下，空气中的水蒸气含量越多，空气就越潮湿，水蒸气分压力也越大，如果空气中水蒸气的数目超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出。因此，湿空气中含水蒸气的分压力大小，是衡量湿空气干燥与潮湿程度的基本指标。由干空气和过热蒸汽组成的湿空气称为未饱和空气；由干空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气，相应的水蒸气分压力称之为饱和水蒸气分压力。各种温度下的饱和水蒸气分压力值，可以从湿空气性质表中查出，见附录表3。

2.2　温度

温度是分子动能的宏观结果，是表示湿空气冷热程度的物理量。湿空气中的干空气和水蒸气总是均匀混合的，故湿空气温度与干空气温度均相等。目前国际上常用的有绝对温标（又称开氏温标），符号为T，单位为K；摄氏温标，符号为t，单位为℃；有的国家也采有华氏温标，符号为t，单位为℉。

热力学温度是以气体分子热运动平均动能趋于零的温度为起点，定为0 K，以水的三相点温度为定点，定义为273.16 K，1 K即为水三相点热力学温度。

实用的摄氏温度1℃和绝对温标的分度是相等的，两者的关系为：

温度是空气调节中的一个重要参数。当空气受热后其内部分子动能增大，则表现为温度的升高。

2.3　含湿量

含湿量是指在湿空气中每kg干空气所含有得水蒸气量称为含湿量。根据定义则有：

式中：d——含湿量，kg/ kg（a）；

　　　mv——水蒸气的质量，kg；

　　　ma——干空气的质量，kg。

由状态方程可得：

代入含湿量定义式有：

绝对湿度使用起来很不方便，因为在水分蒸发和凝结时，湿空气中的水蒸气质量是变化的，而且湿空气的容积还随着温度的变化而变化。因此，即使水蒸气质量不变，由于湿空气容积的改变，绝对湿度亦将相应地变化，因而绝对湿度能确切地反映湿空气中水蒸气量的多少，或者说绝对湿度只能说明湿空气含水蒸气的多少，不能说明空气的干燥和潮湿程度，也不能说明空气吸收水蒸气的能力。(www.xing528.com)

2.4　相对湿度

相对湿度为空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比，也称为饱和度。相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。根据定义则有：

式中：φ——相对湿度；

　　　pv——湿空气中的水蒸气分压力；

　　　pv£¬b——相同温度下湿空气的饱和水蒸气分压力。

图7.2　水蒸气的压力—容积图

从上式可知，相对湿度表征空气接近饱和的程度，如果温度发生变化，它们也将相应地随着发生变化。ψ值小，说明空气饱和程度小，即空气越干燥，吸收水蒸气的能力强；ψ值大，说明空气饱和程度大，即空气越潮湿，吸收水蒸气的能力弱。当ψ为100%，说明湿空气饱和；当ψ为0，指的是干空气。

2.5　焓

在空气调节工程中，湿空气的状态经常发生变化，常需要确定状态变化过程内热量的交换量。从热工基础可知，在压力不变化的情况下，焓差值等于热交换量。而在空气调节过程里，湿空气的状态变化过程可以看成是在定压下进行的，所以能够用湿空气状态变化前后的焓差值来计算空气得到或失去的热量。

1 kg干空气焓和d kg水蒸气的焓两者的总和，称为（1+d）kg湿空气的焓。如果取0 ℃的干空气和0 ℃的水的焓值为零，则湿空气的焓表达式如下：

式中

　　　h——含有1 kg干空气的湿空气的焓，kJ/[kg·（a）]；

　　　ha——干空气的焓，kJ/[kg·（a）]，按式（7-9）计算

式中：hv——水蒸气的焓 kJ/[kg·（a）]，按式hv =2 500 kJ/kg+cp，vt 计算；

　　　cp，a——干空气的定压比热，为1.01 kJ/（kg·℃）；

　　　cp，v——水蒸气的定压比热，为1.84 kJ/（kg·℃）；

　　　2 500kJ/kg——0 ℃时水的汽化潜热，kJ/kg。

将ha与ha代入式（7.8），得到湿空气焓的计算式如下：

在式中2 500d 是0 ℃时d kg水的汽化热，它仅随含湿量的变化，而与温度无关，故称为“潜热”。由此可见，湿空气的焓将随着温度和含湿量的升高而加大，随其降低而减小。在使用焓这个参数时，必须注意2 500较（1.01+1.84d）大得多，因而在空气温度升高的同时，若含湿量有所下降，其结果是湿空气的焓不一定会增加。

2.6　干、湿球温度和露点温度

根据空气温度形成的过程和用途不同可将空气的温度区分为干球温度、湿球温度和露点温度。干球温度是指干球温度表所指示的温度。一般情况下指干球温度，用t表示。湿球温度是指湿球温度表所指示的温度。用ts表示。湿球温度的形成过程在实际工程中可看成等焓过程。

对于一定状态的空气，干、湿球温度的差值就反映了空气的干湿程度，关系如下：

式中：——湿球温度下饱和水蒸气分压力，Pa；

　　　v——空气流过湿球的速度，m/s，v≥2.5 ～ 4 m/s；

　　　B——大气压力，Pa。

露点温度是指在大气压力一定、某含湿量下的未饱和空气因冷却达到饱和状态时的温度。用 tL 表示。在冬天的玻璃窗上或夏季的自来水管上常常可以看到有凝结水或露水存在。这一现象可以用露点温度形成来解释。在空调工程中的很多除湿过程，就是利用结露规律进行的。

2.7　密度和比体积

密度是指单位容积空气所具有的质量。根据定义则有：

而单位质量的空气所占有的容积称为空气的比容。比容和密度互为倒数，则有：

因此，密度和比体积只能作为一个状态参数。

由前述已知，湿空气为干空气与水蒸气的混合物，两者混合均匀并占有相同的容积。因此，湿空气的密度为干空气密度和水蒸气密度之和，即：

由于湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合物，两者具有相同的温度并占有相同的体积，即

将理想气体状态方程代入上式，经过整理得到：

由上式说明，干空气比湿空气重，含湿量越大，湿空气就越轻。