测湿学

测湿学（Psychrometrics）是研究气体-蒸气混合物的物理性质及热力学性质的工程学。

## 常见应用

测湿学的原理可以应用在任何由气体和蒸气组成的混合气体中，不过最常见的应用是在空气-水蒸气混合物上，例如暖通空调（HVAC）及气象学都与此有关。生活中的热舒适性不但和周围空气的温度有关，也和空气中水蒸气的比例有关（像流汗排热就是用水的蒸发来散热）。

许多物质会吸收湿气，在周围湿度大于临界相对湿度时，会吸引水分。这种物质包括有棉花、纸、纤维素、木材、糖、氧化钙等。使用这些物质的产业会管控这些物质制造及储存时的相对湿度，避免相对湿度太高。若是使用到易燃物质，也会控制相对湿度，维持在较高的数值，避免因为空气干燥产生静电，造成火灾。

在工业干燥（例如纸的烘干）时，制造商会设法在较低的相对湿度（加快干燥速度）以及较少的能量使用（若相对湿度较高，能量使用会比较少）之间平衡。许多应用中会避免水汽的凝结，这会损坏产品，或是造成锈蚀。

若相对湿度较低，可以避免霉菌和真菌的繁殖。若相对湿度在75%以下，会破坏木头的真菌就不会繁殖。

## 测湿学参数

### 干球温度（DBT）

干球温度是指温度计暴露在未受太阳直接照射的空气中，所量测到的温度。此名词刻意的加入“干球”一词，以和湿球温度和露点温度区分。在气象学和测湿学中，若使用“温度”一词，就表示是干球温度。技术上，此温度是指用湿度计中的干球温度计所量到的温度。名字表示温度计的感测部位或是元件是干的。世界气象组织（WMO）的文件中，有一章是针对温度量测，共有23页。

### 湿球温度（WBT）

热力学上的湿球温度是空气和水蒸气混合物的热力学性质。湿球温度计量测到的温度可以近似热力学上的湿球温度。

单一湿球温度计的准确度和流过温度计的风速，是否有隔绝周围对温度计的热辐射有关。若风速到5,000 ft/min（60 mph，25.4 m/s）是最理想的，可是此速度下移动温度计非常危险。若空气流动太慢，或是有热辐射（例如阳光），误差最大会到15%。

若在风速1–2 m/s时量测的湿球温度，称为百叶箱温度（screen temperature），在风速3.5 m/s以上时量测的湿球温度，称为悬吊温度（sling temperature）。

干湿球湿度计（psychrometer）是同时量测干球温度和湿球温度的设备。悬吊式干湿球湿度计（sling psychrometer）需要人工操作来产生湿度计周围的气流。供电干湿球湿度计（powered psychrometer）会利用风扇来产生风速。若知道干球温度（DBT）和湿球温度（WBT），可以用近似空气压力下的湿度线图来计算相对湿度（RH）。

### 露点温度

露点温度是空气中湿气的饱和温度，也可以定义为水蒸气变成液态（凝结）的温度。有一个简化版的定义，是水蒸气变成露的温度（Chamunoda Zambuko 2012）。

### 湿度

#### 比湿度

比湿度（Specific humidity）是水蒸气的质量，相对整体空气（包括干空气以及水蒸气）的比例，此数值和humidity ratio紧密相关，数值会比较低。

#### 绝对湿度

绝对湿度是一定体积湿空气中含有水蒸气的质量，也称为水蒸气密度（water vapor density）。

#### 相对湿度

相对湿度是湿空气中水蒸气的蒸气压，相对相同温度下饱和蒸气压的比例。

### 比焓

湿空气的比焓是指干空气和水蒸气总热量的和，除以干空气的质量。

### 比容

湿空气的比容是指干空气和水蒸气总体积的和，除以干空气的质量。

### 干湿比例

干湿比例（psychrometric ratio）是湿表面上热传系数除以热传系数和湿比热乘积后的比例。可以用以下的公式计算：

$$r = \frac {h_c} {k_y c_s}\,$$

其中:

- $r$ = 干湿比例，无量纲
- $h_c$ = 对流热传系数，单位W m−2 K−1
- $k_y$ = 对流质传系数，单位kg m−2 s−1
- $c_s$ = 湿比热，单位J kg−1 K−1

干湿比例是测湿学中重要的特性，可以将绝对湿度、饱和湿度以及干球湿度和绝热饱和温度之间温度差之间建立关系。

### 湿比热

湿比热（Humid heat）是湿空气的定压比热，是以单位质量的干空气为准。湿比热是使单位体积水蒸气—空气混合物温度变化1度所需要的热。

### 压力

许多测湿学的参数和压力有关：

- 水的蒸气压
- 特定位置的大气压力

## 湿度线图

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湿度线图（psychrometric chart）也称为空气线图、湿空气线图或焓湿图，是描述定压下湿空气热力学性质的图，一般是以海平面的高度为准。ASHRAE型式的湿度线图是由威利斯·开利在1904年提出，其中说明了状态方程中的相关参数。其中的横轴是干球温度，纵轴是湿度比（humidity ratio，ω），其中再用曲线说明比焓、相对湿度、湿球温度、比容等参数。有关各参数的说明如下：

- 干球温度（DBT）是一般温度计量测到的温度，会在湿度线图的X轴。
- 湿球温度（WBT）是空气样本经过定压理想绝热饱和过程（也就是空气在隔热的条件下流过大量液态水表面之后）下，温度计量测到的温度。实务上，湿球温度会将温度计球体包裹在被称为袜子（sock）的布，在快速流动的空气中下蒸发（参考湿度计）。若空气样本中的水已经饱和，湿球温度（WBT）和露点温度（DBT）会相同。定湿球温度线的斜率是水的蒸发热和干空气的比热之间的比值，大约是0.4。
- 露点温度（DPT）是湿空气中的水蒸气已经饱和时的温度。若再将热从空气中抽出，水蒸气会凝结成雾，若低于冰点，则会形成霜。露点温度很容易量测，也提供了有用的资讯，但和其他湿度性质以及饱和曲线中得到的资讯重复，因此不算是空气样本中的热力学性质。
- 相对湿度（RH）是水蒸气的莫耳分率，和同温度压力下饱和空气莫耳分率的比例。RH是无因次量，一般会用百分比表示。图中定RH的线可以看出空气和水的物理特性，需要用实验量测来确定。有些概念认为空气中“含有”湿气，或是湿气溶在干空气中，形成某一比率的饱和溶液，此概念是错误的，但已广为流传。
- 湿度比（Humidity ratio，ω）是特定条件（DBT, WBT, DPT, RH）下水蒸气质量相对单位质量干空气的比例。一般会是湿度线图（psychrometric chart）的Y轴。在特定的DBT下，会有一个特定的湿度比，其中的空气是100%的相对湿度。这反映了水和空气的物理特性，需要用实验量测来确定。无因次的湿度比常表示为每公斤的干空气中，有多少克的水。
- 比焓，其符号为h，是潮湿空气中热能的和，包括空气和水蒸气的热能，也称为单位质量下的热含量。在理想气体的近似中，等焓线会和定WBT线平行。焓的单位在SI制下，是焦耳０每公斤空气。
- 潮湿空气的比容和一般比容定义不同，是当潮湿空气中干空气的质量为单位质量时，潮湿空气的体积。SI单位是立方米每公斤干空气。湿空气比容的倒数常和湿空气的密度混淆。可以用下式，用潮湿空气的比容来计算密度：

$$\rho = \frac {M_{da} + M_w} {V}\, = \left ( \frac {1}{v} \right ) (1+W)$$

其中：

- $M_{da}$ 是干空气质量
- $M_w$ 是水蒸气质量
- $V$ 是总体积
- $v$ 是湿空气的比容，单位m3 kg−1
- $W = \frac {M_w} {M_{da}}\,$ 是湿度比

利用湿度线图，可以在已知三个独立参数（其中之一要是压力）的情形下，知道待测湿空气的所有特性。状态的改变（例如二个湿空气的混合），可以用正确压力或是海拔高度的湿度线图来建模，有时也可以用绘图的方式求得。若海拔不到2000 ft（600 m），多半会使用海平面的湿度线图。

湿度线图也可以称为ω-t图，干球温度（t）为X轴，湿度比（ω）为Y轴。若已知特定压力下的湿度线图，再知道湿球温度、干球温度、相对湿度、湿度比、比焓和比容中六个物理量中的二个，就可以确定其他的物理量。共有15种组合。

### 在湿度线图中找相关的参数

- 干球温度：图中的干球温度线是接近垂直线，但不互相平行，是略有倾斜的垂直线。这是t轴。每一条线都是一个固定的干球温度。
- 露点温度：从待测点沿着定湿度比的水平线，到100%RH线（也称为饱和曲线）的交点。露点温度等于完全饱和的干球温度或湿球温度。
- 湿球温度：湿球温度线是左上到右下方倾斜的斜线，但和等焓线略有不同。湿球温度都是直线，但彼此不平行。湿球温度和饱和曲线的交点即为露点。
- 相对湿度（RH）：在图中是双曲线，不同线之间的相对湿度相差10%。饱和曲线是100% RH的线，干空气则是0% RH的线。
- 湿度比：是图中的水平线，湿度比会表示为单位质量干空气下，水汽的质量（表示为公斤水汽单位公斤干空气）。其范围从0（干空气）到0.03，其数值在右边的ω轴上。
- 比焓：是从左上到右下的斜线，彼此垂直，不和湿球温度线平行。
- 比容：是另一组平均分布的斜线，几乎互相平行。

饱和曲线上面的区域是二相区，是饱和湿空气和液态水热平衡的混合物。

### 莫利尔图

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莫利尔图（Mollier diagram）也称为莫利尔i-x图（Mollier i-x diagram），i和x分别是对应焓和湿度比，是由理查德·穆勒 (德国物理学家)在1923年建立，是另一种的湿度线图，许多德国、奥地利、瑞士、荷兰、比利时、北欧、东欧以及俄罗斯的科学家使用此一图表。

传统湿度线图和莫利尔图中的湿度相关参数概念是一样的。二个图看起来很不相近，但若莫利尔图逆时针转90度，再作垂直镜射，就和传统湿度线图一样了。莫利尔图的坐标轴是焓和湿度比。焓的座标是倾斜的，等焓线等距，彼此平行。自从 1961年起，ASHARE的湿度线图使用类似的坐标轴，不过还是有一些湿度线图使用干球温度和湿度比的坐标轴。

## 外部链接

- Western Cooling Efficiency Center Psych: An Open Source Psychrometric Plug-in for Microsoft Excel by Kevin Brown.
- Xchanger Inc, webpage Calculator for humidity, dew point, mass flows & heat flux for variable pressure systems with compressors, blowers, vacuum pumps and heat exchangers.
- Corwin's Calculators Calculator for humidity, dew point.
- How to read and use a psychrometric chart
- 在线焓湿图
- Psychrometric Chart Calculator and Sketcher