解讀恒溫恒濕箱 0 度與 100 度時濕度調(diào)節(jié)失靈的物理原理

一、引言

二、濕度調(diào)節(jié)的基本原理與相關(guān)物理概念

（一）濕度的定義與表示方法

1. 絕對濕度

• 絕對濕度是指單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，通常用克 / 立方米（g/m3）來表示。它反映了空氣中實際所含水蒸氣的量。例如，在一定溫度和壓力下，某一立方米空氣中含有 10 克水蒸氣，那么此時的絕對濕度就是 10g/m3。絕對濕度與空氣中水蒸氣的含量直接相關(guān)，是衡量濕度的一個基本物理量。

2. 相對濕度

• 相對濕度則是指空氣中實際所含水蒸氣的分壓與同溫度下飽和水蒸氣分壓的比值，用百分?jǐn)?shù)（%）表示。它描述了空氣接近飽和狀態(tài)的程度。例如，在 25℃時，如果空氣中水蒸氣分壓是該溫度下飽和水蒸氣分壓的 50%，那么相對濕度就是 50%。相對濕度更能直觀地反映空氣的潮濕程度，也是恒溫恒濕箱中常用的濕度控制指標(biāo)。

（二）水的相變與飽和蒸氣壓

1. 水的三相點

• 水存在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種相態(tài)，其三相點的溫度為 0.01℃，壓力為 611.73Pa。在三相點時，水的固、液、氣三相能夠平衡共存。這是水相態(tài)變化的一個關(guān)鍵平衡點，對于理解在 0 度附近濕度變化的原理具有重要意義。當(dāng)溫度和壓力偏離三相點時，水會發(fā)生相態(tài)的轉(zhuǎn)變，如從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（蒸發(fā)）或從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（凝結(jié)）。

2. 飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系

• 飽和蒸氣壓是指在一定溫度下，密閉容器中與液體（或固體）處于相平衡的蒸氣所具有的壓力。對于水而言，飽和蒸氣壓隨溫度的升高而增大。例如，在 0℃時，水的飽和蒸氣壓約為 611.2Pa；在 20℃時，約為 2338.8Pa；在 100℃時，則達(dá)到 101325Pa（即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。這意味著在不同溫度下，空氣中能夠容納的最大水蒸氣量是不同的，溫度越高，飽和蒸氣壓越大，空氣能夠容納的水蒸氣就越多。

三、恒溫恒濕箱在 0 度時濕度調(diào)節(jié)失靈的原理

（一）水的結(jié)冰與飽和蒸氣壓急劇下降

1. 水在 0 度時的相態(tài)變化

• 當(dāng)恒溫恒濕箱內(nèi)溫度接近 0 度時，水處于液態(tài)與固態(tài)的臨界狀態(tài)。隨著溫度進(jìn)一步降低到 0 度，水會開始結(jié)冰。在這個過程中，水的飽和蒸氣壓會發(fā)生急劇變化。根據(jù)水的相圖和物理特性，0 度時冰的飽和蒸氣壓約為 611.2Pa，相比液態(tài)水在稍高于 0 度時的飽和蒸氣壓大幅降低。例如，在 0.01℃時，液態(tài)水的飽和蒸氣壓約為 611.73Pa，而一旦結(jié)冰，飽和蒸氣壓顯著減小。

2. 對濕度測量與控制的影響

• 這種飽和蒸氣壓的急劇下降會導(dǎo)致濕度測量出現(xiàn)偏差。濕度傳感器通常是基于測量空氣中水蒸氣分壓來計算濕度的。在 0 度時，由于冰的飽和蒸氣壓很低，即使空氣中實際水蒸氣含量沒有明顯變化，但相對于冰的飽和狀態(tài)，相對濕度可能會顯示異常升高。例如，原本在接近 0 度的液態(tài)水狀態(tài)下，相對濕度可能為 50%，但當(dāng)水結(jié)冰后，按照冰的飽和蒸氣壓計算，相對濕度可能會突然顯示為接近 100%，從而使?jié)穸瓤刂剖?zhǔn)確性。同時，在加濕過程中，由于冰的升華速率相對液態(tài)水的蒸發(fā)速率要慢得多，且受到箱內(nèi)溫度、氣流等多種因素的影響，很難精確控制升華的水量來調(diào)節(jié)濕度，導(dǎo)致加濕功能難以正常實現(xiàn)。在除濕方面，由于 0 度時空氣容納水蒸氣的能力極低，常規(guī)的除濕方法如冷凝除濕，可能會因為結(jié)霜等問題而無法有效運行，進(jìn)一步影響濕度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。

四、恒溫恒濕箱在 100 度時濕度調(diào)節(jié)失靈的原理

（一）水的沸騰與飽和蒸氣壓達(dá)到大氣壓

1. 水在 100 度時的相態(tài)變化

• 當(dāng)恒溫恒濕箱內(nèi)溫度達(dá)到 100 度時，水會發(fā)生沸騰現(xiàn)象。此時，水的飽和蒸氣壓等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa）。在這種狀態(tài)下，水會大量地從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，形成水蒸氣。而且，在 100 度時，水的蒸發(fā)速率極快，幾乎不受外界因素如濕度、氣流等的限制，只要有液態(tài)水存在，就會持續(xù)快速地蒸發(fā)。

2. 對濕度測量與控制的影響

• 對于濕度測量而言，由于水在 100 度時的飽和蒸氣壓固定為大氣壓，濕度傳感器難以準(zhǔn)確區(qū)分空氣中水蒸氣含量的微小變化。因為此時空氣中水蒸氣含量已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，相對濕度基本維持在較高水平（接近 100%），即使有少量水蒸氣的增減，相對濕度的變化也非常小，導(dǎo)致濕度測量的精度大大降低。在加濕方面，由于水本身就在大量蒸發(fā)，箱內(nèi)濕度已經(jīng)接近飽和，再進(jìn)行加濕操作幾乎無法改變濕度狀態(tài)，加濕系統(tǒng)失去了調(diào)節(jié)濕度的作用。在除濕方面，要降低 100 度時的濕度，需要將水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水排出，但由于此時水蒸氣的飽和蒸氣壓很高，常規(guī)的除濕方法如通過制冷使水蒸氣凝結(jié)的效率極低，而且在高溫環(huán)境下，制冷系統(tǒng)的性能也會受到限制，難以有效地降低濕度，使得除濕功能無法正常發(fā)揮，從而導(dǎo)致濕度調(diào)節(jié)失靈。

五、結(jié)論