基本原理編 「いまさら聞けない」をここで解決!温度・湿度・電気などの基本知識集

温度・湿度の基本原理

温度変化と湿度・乾燥について

乾燥スピードを速めたり乾燥状態を保つには
大気の湿度管理が不可欠

水分を含む物体は、その水分量(含水量)によって特性が変化します。
「ものづくり」において、物体の含水量の変化による特性の変化は、製品の品質に大きく影響します。
湿った物体から水分が蒸発し、乾いた状態になることを乾燥といいますが、空気中の飽和水蒸気量(大気中に存在できる水蒸気量)が多ければ多いほど、そして含水量が少なければ少ないほど、水分は蒸発しやすく、物体は乾燥しやすくなります。

本編では、温度と飽和水蒸気量の関係についてまとめ、一般空調下と精密空調下での大気中に含まれる水分量をシュミレーションし、比較します。

※物体の含水率によっても乾燥スピードは異なりますが、本編では含水率については触れません。


同じ水分量を含む空気も、温度を下げれば(相対)湿度は高まる

湿度とは、大気中に含まれる水蒸気量とその割合のことです。
湿度は、大きく絶対湿度と相対湿度があり、一般的に天気予報などで使用されているのは相対湿度です。

相対湿度とは

緩和水蒸気量:単位体積あたりに含むことができる水蒸気量で、温度によって変化する

相対湿度(RH)とは、ある温度の大気中に含まれる水蒸気量mwを、その湿度の飽和水蒸気量mmaxで割った割合です。

RH(%)=mw/mmax×100

この相対湿度が100%の場合、大気中に含まれる水蒸気量が飽和し、結露が発生します。
その時の温度を露点温度といいます。


絶対湿度とは

乾き空気の質量:温度によって質量は変化しない

絶対湿度には容積絶対湿度と重量絶対湿度がありますが、空調分野では重量絶対湿度を使用するのが一般的です。
水蒸気を含む空気を湿り空気といい、湿り空気から水蒸気を除いた空気を乾き空気といいます。
その乾き空気の重量mDA(kg)に対して、湿り空気中に含まれる水蒸気の重量mw(kg)の割合を、重量絶対湿度(SH)(kg/kg)といいます。

SH(kg/kg)=mw/mDA


温度と湿度について

気温によって大きく変化する「飽和水蒸気量」

飽和水蒸気量とは

飽和水蒸気量

飽和水蒸気量a(T)(g/㎥)とは、1㎥の大気中に存在できる水蒸気量のことで、質量(g)であらわしたものです。
この飽和水蒸気量は気温に大きく関係し、気温が高くなると多くなり、気温が低くなると少なくなります。

a(T)=(217×e(T))/(T+273.15)
e(T)は近似的に、
e(T)=6.1078×10^(7.5T/(T+237.3))

で求めることができます。

※今回、臨界圧(=22.12MPa)付近の計算は省きます。
臨界圧(力)とは、臨界温度付近の気体を液化するのに必要な圧力のこと。


飽和水蒸気量シミュレーション

温度とともに湿度・飽和水蒸気量も通年ほぼ一定に保つ精密空調

気温に1年を通して5℃から35℃まで変動があり、精密空調下では、25℃±0.1℃の温度制御をすると仮定し、前記の式に温度を代入すると、下記の結果になります。

一般空調下での緩和水蒸気量の差は約6倍、精密空調下での緩和水蒸気量の差はほぼなし、緩和水蒸気量の差の比較、差は約164倍

  • 気温差5℃から35℃まで変動がある場合は、約6倍の差があることが分かります。
  • それに対し、精密空調機で設定25℃±0.1℃で管理した場合、ほとんど飽和水蒸気量の変動がありません。
  • 気温差5℃から35℃と、24.9℃から25.1℃の精密空調下では、飽和水蒸気量の差は、約164倍の違いがあることがわかります。

このように、1年を通して温度を一定にすると、環境の飽和水蒸気量を安定させることができます。

※一般空調の場合、空調の能力が不足するなどの理由により空調の場所によっては通年で上記のような(5℃~35℃)気温差が生じる場合があります。

水分の乾燥量は、物体の周囲環境の飽和水蒸気量によって変化します。
温度を一定にし、飽和水蒸気量を安定させることは、水分の乾燥量を安定させることにつながります。

風について

「乾燥」の要素として、もう1つ上げることができるのが「風」です。
物体の表面にムラなく「乾燥している風」を吹き付けることで乾燥を促進させることができます。
物体の表面付近に、水蒸気が飽和した空気が滞留していると、乾燥を防げることになります。
この原理を利用して、水分の乾燥量をコントロールすることも可能といえます。

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