建築物的科學(二十·冷凝·蒸發·飽和·濕度)

文摘   2024-08-19 19:01   中国澳门  

建築物材料為何失效?


本小節分為三個部分:

1 力 

2 熱

3 水

  3.1 水:水是什麼?

  3.2 蒸氣形式的水

  3.3 冷凝、蒸發、飽和及相對濕度

  3.4 什麼是透氣性材料?

  3.5 液態水

  3.6 毛細管現象

  3.7 吸濕與乾燥


3.3 冷凝、蒸發、飽和及相對濕度


冷凝與蒸發


任何一個氣態的水分子在運動的時候,無論它是碰撞到了另一個水分子,還是另一種氣體分子,還是其他表面,都會損失一點點的能量。最終他的能量不足以讓他繼續活躍,這時候它就「冷凝」了。


空氣中的水分子越密集,他們就越容易互相碰撞,損失的能量就越多,越容易冷凝。如果一個表面有非常高壓的水蒸氣,那麼將會有許多分子最後失去動力落在這個表面上,變成一個充滿液態水的膜。水從表面匯聚成液滴流下,這也就是我們看到的「冷凝水」。


如果一個表面很冷,那麼水分子損失熱量也快,就會更加傾向於在這個表面冷凝。這個表面要多冷,才能導致氣態水在上面變成液態呢?這個和現場絕對濕度以及溫度有關。這個也可以計算出蒸氣壓。如果是給定的蒸氣壓下,可以計算出「露點溫度」。也就是降到這個溫度以下,露水就出現了。


冷凝水的出現,不是一個靜止的狀態。讓凝成液態的水不斷地吸收身邊的熱量,到一定程度就會「蒸發」為氣態。如果這個範圍不斷地吸收熱量,最終水珠就會都消失。熱量可能來自於表面的加熱,或者空氣流通。


飽和與相對濕度


如果有一個密封的瓶子,裡面有乾燥的空氣,我們不斷地往裡面加入水分子。這些水會不斷地進入空氣,變成氣態。直到空氣裡容納不下更多的水分子,一部分的氣態水重新回到液態,他們空出來的位置,又迅速使其他液態水變成氣態。這樣的時候瓶子內部達到了一個平衡。在這個狀態下,冷凝和蒸發並沒有停止,但是水分子的數目相等。這個狀態叫做「飽和」:在這溫度下,這個空氣裡達到了能容納的最多的水分子。


如果還是這個密封的環境下,空氣被加熱了,那麼每一個分子在冷凝之前都有更多的能量可供排出。這時候,空氣還能容納更多的水分子。所以,空氣溫度越高,飽和狀態能容納的水就越多。


如果那個密封的瓶子裡有液態的水存在,那麼上方的空氣會不斷地容納水分子,直到飽和。這時候瓶子裡包含了飽和的水蒸氣以及液態的水。


自然的空氣極少達到水蒸氣飽和(除非你在梅雨季節),但是一般也不會完全乾燥。空氣中實際存在的水分,我們一般用「相對濕度」(RH)描述。相對濕度的意思是:在一個氣溫下,空氣中能容納的飽和水分,作為100%,那麼實際容納的水分與它的比例就是相對濕度。因為空氣越熱能容納的水分越多,所以,舉個例子,25 ℃的相對濕度50%,要比15℃的相對濕度50%含有的水分子(絕對濕度)更多。


水從液態變成氣態,體積增長非常多,也就是說,一點點水就足以讓一個瓶子空氣裡水分飽和。如果一個瓶子已經久置到平衡,只要我們看到有一滴液態水,就能斷定內部已經是飽和蒸氣。同樣地,如果密閉建築內出現冷凝水,說明附近空間已經達到水氣飽和。



講到這裡,我們能用以上的理論理解兩個實際問題:


問:對於很珍貴的文物,我們放進展櫃裡面抽真空不就可以了?


答:不能。文物本身是有濕度的,比如書畫文物適宜濕度在50%到60%。如果抽真空,他們的水分將會迅速被抽走,最終分子被破壞,變成完全乾燥的一堆粉末。


問:給文物保濕,能不能在展櫃裡面放一杯水?


答:不能。展櫃密封以後,一杯水就會讓展櫃的空氣達到飽和濕度。飽和濕度下會產生很多病害,不僅傷害文物,也傷害展櫃。應該採取實時檢測調控的恆溫恆濕系統。


參考標準


中國:

GB/T 18204.13-2000公共场所空气湿度测定方法

WW/T 0066-2015 馆藏文物预防性保护方案编写规范


美國:

American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE:

Handbook: Fundamentals.


英國:

BS 1339-1: Humidity. Terms, definitions and formulae.







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