W sumie zjawisko dotyczące punktu rosy jest proste do zrozumienia, ale owiane jest różnymi mitami. Na przykład, mówi się, że wyjęta z lodówki szklana butelka piwa bezalkoholowego w upalny dzień „poci się”. Rzeczywiście w takiej sytuacji pojawia się na szkle cienka warstwa wody, może nawet kilka kropel. Ale nie pochodzi ta „woda” ze środka. Butelka nic nie „wypaca”. Aby to sprawdzić, wystarczy… spróbować.
Tekst i ilustracje Przemysław Spych, Anatomia dachu
Zacznijmy od tego, że pewien człowiek sto lat temu z okładem zastanawiał się nad tym, jak się zachowuje para wodna w różnych warunkach. Był to Richard Mollier, niemiecki fizyk zajmujący się eksperymentalnymi badaniami termodynamicznymi. Szczególnie interesowała go woda, para wodna i wilgotność powietrza. Jego praca stała się podstawą wielu dziedzin nauki i techniki. Gdy zajmujesz się dachami, też warto usystematyzować podstawowe informacje z tej dziedziny. W przegrodzie dachowej mają bowiem miejsce ciekawe zjawiska wilgotnościowe. Ale po kolei.
Wilgoć a wilgotność
Każdy z nas doskonale zna określenie wilgoć. Coś jest wilgotne zanim wyschnie. Ale dla jednej osoby coś będzie jeszcze wilgotne (na przykład spodnie robocze i bluza robocza znanej firmy kojarzącej się z pewnym batonikiem), a dla innej już suche i można zdjąć ze sznurka. Wilgoć jest więc określeniem nieprecyzyjnym, może nawet nietechnicznym. To popularne określenie na wodę zawartą w powietrzu lub w porach materiałów porowatych.
Precyzyjnym terminem jest wilgotność, która oznacza pewną konkretną ilość pary wodnej w powietrzu. Teraz musimy się chwilkę zatrzymać przy tej wilgotności, bo to jest bardzo ważny parametr. Jeśli wiemy, ile jest pary wodnej w metrze sześciennym powietrza, jeśli możemy ją zważyć i podać konkret, to mówimy wtedy o wilgotności bezwzględnej. Czyli jeśli – na przykład w 1 m3 powietrza jest 5 g pary wodnej, to mówimy, że wilgotność bezwzględna powietrza wynosi właśnie 5 gramów na metr sześcienny. Zawartość pary wodnej w powietrzu może się jednak zmieniać, może wzrastać, ale nie może przekroczyć pewnej maksymalnej wartości. Ta maksymalna ilość pary wodnej, jaka się zmieści w 1 m3 powietrza, to wilgotność bezwzględna maksymalna. I teraz będzie najciekawsze. Ta wilgotność bezwzględna maksymalna, czyli maksymalna ilość pary wodnej, jaka się może zmieścić w 1 m3 powietrza, zależy od temperatury powietrza. Inaczej rzecz ujmując wilgotność bezwzględna maksymalna osiągana jest wtedy, gdy w powietrzu o danej temperaturze nie zmieści się już więcej pary wodnej, gdy powietrze w tej temperaturze maksymalnie nasyci się parą wodną. Inną nazwą wilgotności bezwzględnej maksymalnej jest właśnie wilgotność nasycenia. To po prostu granica. Więcej się nie zmieści. No, ale przecież pary wodnej w powietrzu o danej temperaturze może być mniej niż ta „graniczna wartość”, może jej być mniej niż wilgotność bezwzględna maksymalna, mniej niż wilgotność nasycenia. Tak. Wtedy mówimy po prostu o wilgotności bezwzględnej, która jest mniejsza od wilgotności bezwzględnej maksymalnej. I tutaj pojawia się kolejny bardzo ważny parametr.
Wilgotność bezwzględna i wilgotność względna
Stosunek wilgotności bezwzględnej (tej konkretnej zmierzonej/zważonej) do wilgotności bezwzględnej maksymalnej (czyli tej granicznej) w danej temperaturze to wilgotność względna. Wilgotność względna mówi nam zatem, jaki jest poziom wilgotności w danej temperaturze WZGLĘDEM tej maksymalnej, tej wilgotności nasycenia. Wilgotność względna najczęściej jest wyrażana w procentach. Sprawdzamy prognozę pogody i tam jest podane, że w dniu takim i takim temperatura jest taka a taka oraz, że wilgotność względna powietrza wynosi powiedzmy około 60%. Czyli w tym dniu w konkretnej temperaturze stopień nasycenia powietrza parą wodną wynosi 60%. 60% z tej wilgotności maksymalnej, z wilgotności nasycenia. A czy możemy osiągnąć wilgotność względną większą niż 100%? Czy w powietrzu zmieści się więcej cząsteczek pary wodnej niż ta ilość graniczna? Otóż nie. Co się wtedy dzieje za tą granicą?
Proste doświadczenie
Wyobraź sobie bardzo prostą i często mającą miejsce sytuację. Gotujesz wodę w czajniku. To teraz założenie zróbmy takie, że kuchnię masz odizolowaną od reszty świata. I gotujesz wodę w wielkim czajniku. W kuchni jest pewna stała temperatura, która też załóżmy, że się nie zmienia. No więc gotujesz tę wodę w tym czajniku i widzisz jak u wylotu z dzióbka (tak to się chyba nazywa) parę, która w pewnej odległości, powiedzmy kilkunastu centymetrów od dzióbka, zanika. Ta para rozprasza się w kubaturze pomieszczenia, w Twojej kuchni. Rozprasza się, bo w powietrze w kuchni o pewnej stałej temperaturze wchłania tę parę. Ale gotujesz dalej. Para wylatuje i rozprasza się. Jest wchłaniana przez powietrze w odizolowanej kuchni. Gotujesz dalej i dochodzisz do takiej sytuacji, że ta para z dzióbka utrzymuje się już nie kilkanaście centymetrów od czajnika, tylko półtora metra. Co się dzieje? Powietrze powoli nasyca się parą i nie ma już takiej łatwości jej wchłaniania. Rośnie wilgotność bezwzględna, ale także względna. Zbliżasz się do nasycenia parą wodną powietrza w Twojej odizolowanej kuchni, ale gotujesz dalej. No i przychodzi taki moment, że w pomieszczeniu powietrze przestaje być przejrzyste. Jest pełno pary i ona staje się coraz gęstsza. Gotujesz dalej aż w końcu pary jest tak dużo, że nie widzisz ścian. Dawno przekroczyłeś punkt graniczny nasycenia powietrza parą i teraz to, co widzisz, to mgła. Mgła to woda w postaci mikrokropelek. Woda nie gaz. Czujesz, że masz wilgotne ubranie i włosy. Kończysz gotowanie. Nie dostarczasz już pary wodnej do Twojej odizolowanej kuchni, w której masz mlecznobiałą gęstą mgłę jak z horroru. Jak się tej mgły pozbyć? Wiadomo, otworzyć okno, włączyć wentylację itp. Tak, ale zróbmy coś innego. Włączmy ogrzewanie podłogowe. Umówmy się tylko, że to ogrzewanie bardzo nowoczesne i działa stosunkowo szybko. Więc masz mgłę w kuchni i zaczynasz podnosić temperaturę. Temperatura powoli rośnie. Powoli rośnie. Powoli rośnie. Powoli biała mgła zanika i robi się bardziej przejrzyście. Widzisz już detale kuchni. Temperatura rośnie dalej i w pewnym momencie powietrze stało się całkowicie przejrzyste. Mgła zniknęła. Co się z nią stało? Z tą mgłą, czyli z wodą w postaci mikrokropelek? Ponieważ temperatura wzrosła, to wzrosła też pojemność powietrza, zdolność wchłaniania pary wodnej przez powietrze. Ta woda, ta mgła, odparowała i nadal jest w Twojej kuchni tylko w postaci gazu. Jak to sprawdzić? Jeśli jeszcze nie udusiłeś się z powodu zużycia tlenu w Twojej kuchni, to teraz włączmy magiczne ochładzanie podłogowe albo ścienne. Obniżajmy temperaturę w kuchni. Obniżamy, obniżamy, obniżamy. Co się dzieje? Pojawia się najpierw drobna mgiełka, a potem ona stopniowo gęstnieje aż w końcu z powrotem masz mgłę gęstą jak w horrorze. BIGO. masz to.
Punkt rosy, a dokładniej temperatura punktu rosy to temperatura, przy której schładzane powietrze staje się powietrzem nasyconym. Dalsze schładzanie powoduje to, że powietrze zaczyna pozbywać się pary wodnej. Im mocniej je schłodzimy poniżej temperatury punktu rosy, tym więcej pary wodnej wykropli się w postaci rosy, wody. Zatem zjawisko to ma miejsce przy ochładzaniu, wychładzaniu powietrza, w którym jest jakaś mniejsza lub większa ilość pary wodnej. Spróbuję to wytłumaczyć jeszcze inaczej.
Piłka nożna to sport powszechnie znany. Zasady są dość proste, a cel gry jest taki, że piłka musi się znaleźć w bramce przeciwnika. Wtedy drużyna zdobywa punkt. Teraz zadam pytanie: ile piłek zmieści się w bramce? Bramka to dwa słupki i poprzeczka z przymocowaną od tyłu siatką. Ile piłek zmieści się w takiej bramce z w pełni naciągniętą siatką. Myślę, że dużo. No to wbijamy gol za golem i piłki zostają w bramce. Jest ich coraz więcej, ale bramka wciąż nie jest pełna. To bezwzględna liczba piłek w bramce. Ta wartość – ich liczba – rośnie do momentu, gdy już ani jednej nie zmieścimy w bramce, aż do momentu, gdy bramka w pełni „nasyci się” piłkami. Mamy więc sytuację nasycenia, mamy maksymalną liczbę piłek w bramce. I teraz sobie tylko wyobraź, że w zależności od temperatury bramka (no, powiedzmy, siatka w bramce) może się rozciągać i kurczyć. Jeśli temperaturę podniesiemy, to siatka się rozciągnie i zmieścimy jeszcze kilka czy kilkanaście piłek. Jak temperatura wzrośnie bardzo, to i kilkadziesiąt piłek w nią jeszcze zmieścimy. Ale gdy temperatura zacznie spadać, to bramka (a dokładniej siatka) zacznie się kurczyć. Jej zdolność magazynowania piłek spada. Piłki zaczynają z niej „wyskakiwać”. Im temperatura bardziej się obniża, tym więcej piłek „wyskakuje” z bramki. To teraz wyobraź sobie, że wbiłeś do bramki kolejną piłkę (tak Ty wbiłeś je z tej kropki umieszczonej 11 m przed bramką, tak – przy pełnych trybunach, tak – były okrzyki uznania) i wypełniłeś bramkę powiedzmy w 80% objętości w danej temperaturze. Te wszystkie piłki tam w tej bramce są. I nagle przychodzi zmiana pogody i nagle temperatura zaczyna gwałtownie spadać. Wraz ze spadkiem temperatury bramka zaczyna się kurczyć, a dokładniej kurczy się siatka w bramce. Temperatura spada, a siatka się kurczy aż do momentu, gdy piłkom zrobiło się ciasno. Osiągnięta została przy spadku temperatury granica nasycenia bramki piłkami. Osiągnięta została temperatura punku granicznego. Jeśli jeszcze ciut spadnie temperatura, to z bramki wyskoczy pierwsza piłka. Potem kolejna. Tak właśnie wygląda obrazowo ten tajemniczy punkt rosy. Punkt, w którym schładzane powietrze zaczyna pozbywać się pary wodnej i pojawiają się kropelki wody. Najpierw jedna, potem więcej. I wtedy właśnie zaczyna robić się niebezpiecznie w dachu. Wtedy, gdy para wodna (obecna w powietrzu zawsze i wszędzie) zaczyna się skraplać i pojawia się woda.
W przegrodzie dachowej występuje właśnie taka sytuacja. Po wewnętrznej stronie przegrody jest około 200°C, a po zewnętrznej – powiedzmy 100°C. I na grubości warstwy izolacji następuje spadek temperatury. W tej izolacji (na przykład w wełnie mineralnej) izolatorem jest powietrze, które zawiera w sobie – jak już wiesz – pewną ilość pary wodnej. W tej izolacji wraz z oddalaniem się od wnętrza spada temperatura aż w końcu może się okazać, że przechodzimy przez punkt rosy, bo została osiągnięta maksymalna wartość nasycenia powietrza parą wodną, która w tym powietrzu się znajdowała (zobacz rysunek). Dlatego właśnie tak ważne jest, aby izolacja (wełna lub inna izolacja zawierająca powietrze) była sucha, aby zawierała jak najmniej pary wodnej. Dlatego tak ważna jest dobrej jakości i precyzyjnie wykonana paroizolacja po wewnętrznej stronie przegrody dachowej. Dlatego właśnie tak ważna jest membrana otwarta dyfuzyjnie i sprawna wentylacja po zewnętrznej stronie przegrody dachowej. A ile jest tej pary wodnej w powietrzu?
Sięgnijmy teraz do literatury tematu. Pogoda i klimat to książka, którą napisał Gunter D. Roth. To przyjemne kompendium wiedzy na temat pogody i między innymi wilgotności powietrza. I jest tam tabelka, która przedstawia maksymalną ilość pary wodnej w 1 m3 powietrza w zależności od temperatury (patrz tabela).
| Maksymalna ilość pary wodnej w 1 m3 powietrza [gramy] | Temperatura [0°C] |
| 30,3 | +30 |
| 17,3 | +20 |
| 9,4 | +10 |
| 4,8 | 0 |
| 2,4 | -10 |
| 1,1 | -20 |
Przykład
Powiedzmy, że według prognozy pogody jest +300°C oraz wilgotność względna 80%. I załóżmy, że temperatura bardzo gwałtownie spadnie do +100°C. Co się stanie? Skoro mamy 80% wilgotności względnej przy 300°C, to ilość pary wodnej w 1 m3 wynosi 80% z 30,3 g czyli 24,24 g.
I teraz nagle ochładzamy to powietrze do +100°C. Wiemy, że w tej temperaturze maksymalna ilość pary wodnej to 9,4 g/m3, a startowaliśmy od 24,24 g/m3. Co się stanie z nadwyżką pary ponad te 9,4 g? Wykropli się. Z każdego 1 m3 wykropli się 14,84 g pary wodnej (24,24 – 9,4 = 14,84). To oczywiście pewien przypadek teoretyczny, ale jego zadaniem było zobrazowanie jak działa zjawisko. Pogoda to przecież zjawiska dynamiczne i nie polega ona na zmianie tylko jednego parametru.
Ta tabela jest skromnym wycinkiem, nie-wielkim fragmentem precyzyjnych wykresów, jakie stworzył Richard Mollier. Pierwszy wykres opublikował w 1904 roku. W 1932 roku na konferencji w Los Angeles uhonorowano jego wkład w naukę, nazywając jego wykresy opisujące termodynamiczny stan pary wodnej wykresami Molliera. Przyjrzymy się tym wykresom następnym razem. Naprawdę warto.
