Испарение воды является механизмом охлаждения и в неживой природе. Проведем следующий эксперимент. Нагреем баню до 40 °C, поместим в нее два обычных стеклянных спиртовых капиллярных термометра и обмотаем нижние резервуары термометров ватой. Один из термометров назовем сухим, а другой, смочив на нем вату водой, влажным. Снимем показания обоих термометров при разных относительных влажностях воздуха в бане и получим следующую таблицу, которая известна каждому метеорологу и называется психрометрической (таблица 1).
Что же дает нам эта таблица применительно к бане? Предположим, мы вошли сухими в баню, нагретую до температуры 40 °C. Так же, как и сухой термометр, мы начинаем нагреваться до 40 °C, нам становится тепло. Протрем себя мокрой, пусть даже нагретой до 40 °C горячей тряпкой (или просто подождем, пока на коже появится пот). Казалось бы, ничего не должно случиться. Но — чудо! Если баня сухая с относительной влажностью до 48 процентов, наше тело (так же, как и влажный термометр) начинает охлаждаться! Теоретически — вплоть до 30 °C. Становится очень холодно. Значит, надо повышать температуру воздуха, чтобы не замерзнуть.
Но есть и другой путь. Повысим относительную влажность воздуха до 94 процентов, например, поддав воды на раскаленные камни. Тотчас наше влажное тело в соответствии с таблицей начинает нагреваться до 39 °C, нам вновь становится тепло, хотя судя по сухому термометру, температура воздуха в бане от поддачи воды практически не повысилась и осталась на уровне 40 °C.
Так что же, достаточна ли температура в 40 °C для бани? Почему нам то жарко, то холодно? Что все это означает? А это означает только одно: говорить просто о температуре бани нет смысла, надо говорить минимум о двух климатических параметрах — температуре и влажности воздуха.
Что такое сухой или влажный воздух, мы сразу интуитивно понимаем кожей. Но что такое влажность воздуха, как ее измерить?
Первичным объективным показателем является абсолютная влажность воздуха — массовая концентрация молекул воды в воздухе, что есть массовое содержание газообразной воды (водяного пара) в воздухе (например, количество килограммов или литров жидкой воды, испаренной в одном кубическом метре воздуха). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много — влажный. Но что значит много? Например, 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха — это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли — 100 г газообразной воды в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определенно сказать, что очень много, так много, как никогда не бывает.
Снова вспомним школьный курс физики и проведем простейший эксперимент. Нальем в кастрюлю воду и, закрыв крышкой, поставим в термостат-духовку, нагретую до 40 °C. По мере нагрева воды до 40 °C замеряем абсолютную влажность воздуха под крышкой, которая, повышаясь, наконец достигает некоторого предельного максимального значения 0,05 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 40 °C. Затем поднимаем температуру термостата до 50 °C, абсолютная влажность воздуха под крышкой также повышается и достигает уже другого максимального значения 0,08 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 50 °C. В результате продолжения эксперимента получаем следующую таблицу (таблица 2).
При 100 °C давление насыщенного пара достигает атмосферного значения, весь объем кастрюли заполняется парами воды, воздуха под крышкой не остается.
Теперь начнем охлаждать термостат. Абсолютная влажность воздуха (содержание водяных паров в воздухе над водой под крышкой) начинает сокращаться в полном соответствии с таблицей. Куда же пропадает вода из воздуха? Так же, как и при нагревании, вода в воздух попадала путем испарения, так и сейчас — излишний пар конденсируется, то есть сжижается, превращается обратно в воду. Конденсироваться пар может на охлаждающихся стенках кастрюли в виде капель воды (то есть в виде росы), а также в объеме охлаждающегося воздуха в виде тумана (капелек воды в воздухе). При этом температура, например, 40 °C называется точкой росы для абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3, так как при этой температуре начинает выделяться роса. Из таблицы 2 следует, что содержание воды в воздухе в виде водяного пара не может быть сколь угодно большим и ограничено при каждой температуре неким максимальным значением, которое быстро растет с температурой. Наиболее естественно определить степень влажности (сухости) воздуха отношением реальной абсолютной влажности воздуха в данный момент к той максимально достижимой абсолютной влажности воздуха, которая рано или поздно установится при этой температуре. Называется это расчетное отношение относительной влажностью. Оно имеет смысл лишь при указании температуры, на которую рассчитано, и измеряется в процентах. Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность равна 100 %, то воздух максимально влажен в том смысле, что при этой температуре процессы испарения более невозможны (но вновь становятся возможными при повышении температуры).
Таким образом, процесс повышения абсолютной влажности воздуха под крышкой кастрюли, если в ней есть вода, характеризуется повышением относительной влажности воздуха от нуля до ста процентов. При этом длительное нахождение человека в воздухе с температурой, например, 40 °C и влажностью 100 % эквивалентно нахождению в воде, нагретой до 40 °C. Относительная влажность указывает, может ли увеличиться влажность воздуха, если воздух привести в контакт с водой той же температуры, и на сколько она может увеличиться, то есть фактически характеризует потенциальную влагоемкость воздуха.
Конкретизируем эти абстрактные рассуждения и рассмотрим в качестве примера турецкую баню, представляющую собой каменное помещение, нагреваемое горячим полом — гипокаустом. По существу, турецкая баня является той же каменной «кастрюлей», которую мы для анализа использовали выше. Проветрим сухую баню наружным атмосферным воздухом с температурой, например, 30 °C и абсолютной влажностью 0,024 кг/м3 (что соответствует значению относительной влажности воздуха 80 %), затем, сохраняя полы сухими, закроем двери и нагреем баню до 40 °C. Воздух в бане тоже нагреется до 40 °C и сохранит ту же абсолютную влажность 0,024 кг/м3, так как в бане нет воды, которая могла бы испаряться. При температуре 40 °C абсолютная влажность 0,024 кг/м3 соответствует значению относительной влажности 48 %. Как мы видели при обсуждении психрометрической таблицы, при такой относительной влажности баня при увлажнении тела представляется очень холодной.
