Помоги проекту - поделись книгой:
Отметим, что в популярной литературе встречаются ошибочные мнения, что увлажнение воздуха в банях приводит к существенному повышению теплоёмкости и теплопроводности воздуха, и именно поэтому тепловой поток на тело человека при поддачах в бане возрастает. На самом деле теплоёмкости и теплопроводности воздуха и водяных паров (как газов без учёта явлений конденсации пара) близки:
Ясно, что при удельном массовом содержании водяных паров в воздухе на уровне 5 % (эта цифра отвечает хомотермальной влажности воздуха 0,05 кг/м3), свойства влажного воздуха будут практически неотличимы от свойств сухого. Так что, главным фактором в тепловом балансе человека в бане являются потери на испарение воды с кожи. В то же время неверны и «медицинские» заключения, что на испарение воды с кожи человек тратит так много тепла, что «теряет калории» и худеет, «сжигая» жировые запасы. В действительности же, мокрый человек, как и мокрый термометр, вовсе не «сжигает» жир и не тратит калорий. Это вода на коже испаряется и вследствие чего охлаждается, а охлаждённая вода охлаждает и кожу. Так что человек может терять вес лишь за счёт выделения пота, причём сам процесс выделения пота практически не требует затрат калорий. Действительно, сколько ни смачивай кожу водой, жировые запасы в организме не снизятся (разве что человеку станет холодно и он ознобом начнёт тратить калории на судорожные сокращения мышц).
4.2. Абсолютная и относительная влажность
В предыдущем разделе мы использовали ряд физических терминов. Ввиду их большой важности вспомним школьный курс физики и поясним, что же такое влажность воздуха, точка росы и как их измерить.
Первичным объективным физическим параметром является абсолютная (фактическая) влажность воздуха — массовая концентрация (содержание) газообразной воды (испарённой воды, водяных паров) в воздухе, например, количество килограммов воды, испарённом в одном кубическом метре воздуха (точнее, в одном кубическом метре пространства). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много — влажный. Но что значит много? Например, 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха — это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли — 0,1 кг водяного пара в одном кубическом метре воздуха при температуре 40 °C, то можно определённо сказать, что очень много, так много, что никогда не бывает.
Дело в том, что сколь угодно много испарить воды не удаётся, поскольку в обычных банных условиях вода всё же является жидкостью, и лишь очень незначительная часть её молекул вылетает из жидкой фазы через поверхность раздела в газовую фазу. Поясним это на примере того же условного макета турецкой бани — модельного сосуда («кастрюли»), дно (пол), стенки и крышка (потолок) которого имеют одну и ту же температуру. В технике такой изотермический сосуд называется термостатом (духовкой).
Нальём на дно модельного сосуда (на пол бани) воду и, изменяя температуру, измерим абсолютную влажность воздуха при различных температурах. Окажется, что при подъёме температуры абсолютная влажность воздуха быстро повышается, а при снижении температуры — быстро снижается (рис. 23). Это является результатом того, что с ростом температуры быстро (экспоненциально) растёт число молекул воды с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера фазового перехода. Рост числа газифицирующихся («испаряющихся») молекул приводит к увеличению количества (накоплению) молекул воды в воздухе (к росту количества водяных паров), что приводит в свою очередь к увеличению числа молекул воды, вновь «влетающих» в воду (ожижающихся). Когда скорость газификации воды сравнивается со скоростью ожижения водяных паров, наступает равновесие, которое и описывается кривой на рис. 23. Важно при этом иметь в виду, что в состоянии равновесия, когда кажется, что в бане ничего не происходит, ничего не испаряется и ничего не конденсируется, на самом деле в действительности газифицируются (и тут же ожижаются) тонны воды (и водяного пара соответственно). Однако в дальнейшем мы будем считать испарением именно результирующий эффект — превышение скорости газификации над скоростью ожижения, когда количество воды реально уменьшается, а количество водяных паров реально увеличивается. Если же скорость ожижения превышает скорость газификации, то такой процесс будем называть конденсацией.
Значения равновесной абсолютной влажности воздуха называются плотностью насыщенного пара воды и являются максимально возможными абсолютными влажностями воздуха при заданной температуре. При повышении температуры вода начинает испаряться (превращаться в газ), стремясь к повышенному значению плотности насыщенного пара. При снижении температуры происходит конденсация водяных паров либо на охлаждающихся стенках в виде мелких капель росы (затем сливающихся в крупные капли и стекающих в виде ручейков), либо в объеме охлаждающегося воздуха в виде мелких капель тумана размером менее 1 мкм (в том числе и в форме «клубов пара»).
Так, при температуре 40 °C равновесная абсолютная влажность воздуха над водой в изотермических условиях (плотность насыщенного пара) составляет 0,05 кг/м3. И наоборот, для абсолютной влажности 0,05 кг/м3температура 40 °C называется точкой росы, поскольку при этой абсолютной влажности и при этой температуре начинает появляться роса (при снижении температуры). С росой знакомы все по запотевшим стёклам и зеркалам в ванных комнатах. Абсолютная влажность воздуха однозначно определяет (по графику на рис. 23) точку росы воздуха и наоборот. Отметим, что точке росы 37 °C, равной нормальной температуре тела человека, соответствует абсолютная влажность воздуха 0,04 кг/м3.
Теперь рассмотрим случай, когда условие термодинамического равновесия нарушено. Например, вначале модельный сосуд вместе с находящейся в нём водой и воздухом был нагрет до 40 °C, а затем предположим чисто гипотетически, что температура стен, воды и воздуха вдруг резко поднялась до 70 °C. Вначале имеем абсолютную влажность воздуха 0,05 кг/м3, соответствующую плотности насыщенного пара при 40 °C. После подъёма температуры воздуха до 70 °C абсолютная влажность воздуха должна постепенно подняться до нового значения плотности насыщенного пара 0,20 кг/м3за счёт испарения добавочного количества воды. И на всём протяжении испарения абсолютная влажность воздуха будет ниже 0,20 кг/м3, но будет повышаться и стремиться к значению 0,20 кг/м3, которое рано или поздно установится при 70 °C.
Подобные неравновесные режимы перехода воздуха из одного состояния в другое описываются с помощью понятия относительной влажности, значение которой является расчётным и равно отношению текущей абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при текущей температуре воздуха. Таким образом, вначале мы имеет относительную влажность 100 % при 40 °C. Затем, при резком подъеме температуры воздуха до 70 °C, относительная влажность воздуха резко скачком снизилась до 25 %, после чего за счёт испарения вновь стала подниматься до 100 %. Поскольку понятие плотности насыщенного пара бессмысленно без указания температуры, то и понятие относительной влажности тоже бессмысленно без указания температуры. Так, абсолютная влажность воздуха 0,05 кг/м3 соответствует относительной влажности воздуха 100 % при температуре воздуха 40 °C и 25 % при температуре воздуха 70 °C. Абсолютная же влажность воздуха является величиной чисто массовой и не требует привязки к какой-либо температуре.
Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность воздуха равна 100 %, то воздух максимально влажен, абсолютная влажность воздуха равна плотности насыщенного пара. Если относительная влажность воздуха равна, например, 30 %, то это означает, что в воздухе испарено лишь 30 % того количества воды, которое в принципе можно испарить в воздухе при этой температуре, но пока не испарено (или пока не может быть испарено по причине отсутствия жидкой воды). Иными словами, численное значение относительной влажности воздуха указывает, может ли ещё испаряться вода и сколько её может испариться, то есть относительная влажность воздуха фактически характеризует потенциальную влагоёмкость воздуха. Подчеркнём, что термин «относительная» соотносит массу воды в воздухе не к массе воздуха, а к максимально возможному массовому содержанию водяных паров в воздухе.
Но что будет, если в сосуде не будет единой температуры? Например, дно (пол) будет иметь температуру 70 °C, а крышка (потолок) — всего 40 °C. Тогда единое понятие плотности насыщенного пара и относительной влажности ввести не удаётся. У дна сосуда абсолютная влажность воздуха стремится подняться до 0,20 кг/м3, а у потолка снизиться до 0,05 кг/м3. При этом вода на дне будет испаряться, а на потолке будут конденсироваться водяные пары и стекать затем в виде конденсата вниз, в частности на дно сосуда. Такой неравновесный процесс (но, может быть, вполне устойчивый во времени, то есть стационарный) называется в промышленности перегонкой. Этот процесс характерен для реальных турецких бань, в которых постоянно конденсируется роса на холодном потолке. Поэтому в турецких банях в обязательном порядке делают сводчатые потолки с желобами (канавками) для стока конденсата.
Неравновесность может иметь место и во многих иных (а практически во всех реальных) случаях, в частности, при равенстве всех температур, но при нехватке воды. Так, если в процессе испарения вода на дне сосуда исчезает (испаряется), то далее испаряться будет нечему, и абсолютная влажность зафиксируется на одном уровне. Ясно, что достичь относительной влажности воздуха 100 % в этом случае при повышенных температурах не удаётся, что является полезным фактором, в частности для получения сухой сауны или лёгкого пара в русской бане. Но если мы начнём снижать температуру, то при определённой пониженной температуре, называемой точкой росы, на стенках сосуда вновь появится вода в виде конденсата. В точке росы относительная влажность воздуха всегда равна 100 % (по самому определению точки росы).
На принципе появления конденсата при снижении температуры воздуха создан широко известный в промышленности прибор для определения точки росы в газах. В стеклянной камере, через которую пропускают с низкой скоростью исследуемый газ, монтируют полированную металлическую поверхность, которую медленно охлаждают (рис. 24). В момент появления росы (запотевания) измеряют температуру поверхности. Эта температура и принимается за точку росы. Точное определение момента появления росы возможно только при помощи микроскопа, поскольку капли росы в первичный момент очень малы. Охлаждение поверхности производят отбором тепла жидким теплоносителем или любым иным способом. Температуру поверхности, на которую выпадает роса, измеряют любым термометром, предпочтительно термопарным. Принцип действия прибора становится ясным, если «дыхнуть» на холодное зеркало, особенно принесённое с холода в тёплое помещение — по мере нагрева зеркала запотевание неуклонно снижается, а потом прекращается вовсе.
Всё это означает, что при температурах выше точки росы поверхность всегда сухая, а если воду всё же специально налить, то она непременно испарится, поверхность высохнет. А при температуре ниже точки росы поверхность всегда мокрая, а если поверхность всё же искусственно высушить (вытереть), то вода на ней тотчас возникнет «сама собой» в том смысле, что высадится из воздуха в виде росы (конденсата).
Совершенно иная ситуация возникает в том случае, если поверхность является пористой (деревянной, керамической, цементно-песчаной, волокнистой и т. п.). Пористые материалы характерны тем, что имеют пустоты, причём пустоты имеют вид каналов с малым поперечным размером (диаметром) вплоть до 1 мкм и даже меньше. Жидкость в таких каналах (капиллярах, порах) ведёт себя иначе, чем на непористой поверхности или в каналах с большим поперечным размером. В случае, если поверхность каналов смачивается водой, то вода с поверхности впитывается вглубь материала и испарить её потом, как все знают, будет трудно. А если поверхность каналов водой не смачивается, то вода вглубь материала не впитывается, а если её даже специально «впрыснуть» вглубь материала (например, шприцем), то она всё равно вытеснится (выпарится) наружу. Это происходит потому что в смачивающихся капиллярах образуется вогнутый мениск поверхности жидкости, и силы поверхностного натяжения втягивают жидкость в капилляр (рис. 25). Чем тоньше капилляры, тем сильней впитывается жидкость, причём высота подъёма столба жидкости в капилляре за счёт сил поверхностного натяжения может составлять десятки метров. Поэтому впитывающаяся жидкость постепенно распределяется по всему объёму пористого материала, что и используется деревьями для доставки питающих растворов из корней в листья кроны.
Пористые материалы имеют ещё одну важную особенность, обусловленную тем, что плотность насыщенного пара над вогнутой поверхностью воды меньше, чем над ровной плоской поверхностью воды, то есть меньше значений, указанных на рис. 23. Это вызвано тем, что молекулы воды из паровой фазы чаще влетают в компактную (жидкую) воду при вогнутом мениске (поскольку в большей степени «окружены» поверхностью компактной воды), и воздух обедняется водяным паром. Всё это приводит к тому, что вода с плоской поверхности испаряется и конденсируется внутри пористого материала в капиллярах со смачивающимися стенками. Такое свойство пористого материала увлажняться за счёт влажного воздуха называется гигроскопичностью. Ясно, что рано или поздно вся вода с непористых поверхностей «переконденсируется» в капилляры пористого материала. Это значит, что если непористые материалы сухие, то это вовсе не означает, что и пористые материалы в этих условиях тоже сухие.
Таким образом, даже при низкой влажности воздуха (например, при относительной влажности 20 %) пористые материалы могут быть увлажнены (даже при температуре 100 °C). Так, древесина является пористой, поэтому при хранении на складе никак не может стать абсолютно сухой, сколько бы времени её не сушили, а может быть только «воздушно-сухой». Для получения абсолютно сухой древесины её необходимо нагреть до как можно более высоких температур (120–150 °C и выше) при относительной влажности воздуха как можно более низкой (0,1 % и ниже).
Воздушно-сухая влажность древесины определяется не абсолютной влажностью воздуха, а относительной влажностью воздуха при заданной температуре. Подобная зависимость характерна не только для древесины, но и для кирпича, штукатурки, волокон (асбест, шерсть и т. п.). Способность пористых материалов поглощать воду из воздуха называется способностью «дышать». Способность «дышать» эквивалентна гигроскопичности. Это явление будет рассмотрено более подробно в разделе 7.8.
Некоторые органические пористые материалы (волокона) способны удлиняться в зависимости от собственной влажности. Например, можно подвесить на обычной шерстяной нитке грузик и, увлажняя нить, убедиться, что нитка удлинилась, а потом по мере высушивания вновь будет укорачиваться. Это даёт возможность, измеряя длину нити, определить влажность нити. А так как влажность нити определяется относительной влажностью воздуха, то по длине нити можно определить и относительную влажность воздуха (правда, ориентировочно, с некоторой погрешностью, увеличивающейся с повышением влажности воздуха). На этом принципе работают бытовые гигрометры (приборы для определения относительной влажности воздуха), в том числе и банные (рис. 26).
При высыхании укорачиваются и волокна древесины. Этим объясняются эффекты изменения формы веток растений и коробление пиломатериалов при сушке. На гигроскопичности древесины основаны многочисленные конструкции самодельных деревенских гигрометров (рис. 27 и 28).
Таким образом, вогнутые поверхности воды в смачивающихся капиллярах определяют специфические свойства пористых материалов (в частности, гигроскопичность и изменение механических свойств). Не меньшую роль играют и выпуклые поверхности воды (на несмачи-вающихся плоских поверхностях подложек и в несмачивающихся капиллярах), над которыми давление насыщенных паров воды больше, чем над плоскими и вогнутыми поверхностями воды. Это означает, что несмачивающиеся материалы являются более «сухими», чем смачивающиеся: вода испаряется с несмачивающихся материалов и затем образовавшиеся пары конденсируются на смачивающихся. На этом основано действие водоотталкивающих пропиток древесины, не допускающих не только проникновения жидкой воды в поры, но и конденсацию паров воды внутри древесины. Выпуклостью капель воды в воздухе объясняется лёгкое испарение тумана, а также затруднительность (по сравнению с росой) его образования при переохлаждении влажных газов (в частности, в банях, в облаках, в тучах и т. п.).
В заключение отметим особенности бытовых понятий и профессиональных терминов, связанных с влажными газами. Очень многие любители бань до сих пор уверены, что каменки русских бань «выдают» при «взрывных» поддачах отнюдь не какие-то там пары воды, а газовзвесь (пыль) мелких частиц горячей воды, причём самые микроскопические частицы горячей воды и есть тот самый «лёгкий пар». Поэтому сторонникам этой красивой бытовой теории приходится мучительно метаться между явной целесообразностью «турецкой» поддачи на большие, но умеренно горячие поверхности пола (дающей по этой теории, вроде бы самый «лёгкий» пар) и «полезностью» русской поддачи на относительно малые поверхности раскалённых камней. В соответствии с этой теорией и клубы «белого» пара из чайника представляются первичным актом «испарения» воды в чайнике. Затем эти крупные частицы «белого» пара «испаряются» (якобы диссоциируют) вновь уже с образованием микроскопических невидимых глазом частиц воды. Ясно, что все эти соображения являются следствием незнания молекулярной теории веществ, а отсюда и неспособности представить себе конденсированную воду в виде совокупности взаимопритягивающихся молекул, из которой, преодолевая барьер, могут вылетать в воздух отдельные наиболее энергичные молекулы воды (способные разорвать «узы» взаимного притяжения), как раз и образующие пар в виде газа.
В этой книге мы не имеем возможности обсуждать многочисленные бытовые (зачастую очень хитроумные, но дремучие) представления, столь характерные именно для бань. Эта книга предусматривает знакомство с физикой хотя бы на уровне школьной программы. Мы чётко отличаем компактную, жидкую воду, налитую в сосуд, от диспергированной (раздробленной) жидкой воды в виде крупных капель и брызг и/или в виде мелких капель — аэрозолей (медленно опускающихся в воздухе) и/или в виде ультрамелких капель-тумана и дымки (практически не опускающихся в воздухе). Водяной же пар (водяные пары) — это не вода и не жидкость (пусть даже мелко раздробленная), а газ, это отдельные молекулы воды в пространстве, причём эти молекулы воды настолько далеки друг от друга, что практически не притягиваются друг другу (но иногда взаимодействуют в результате соударений и из-за этого способны постоянно объединяться — конденсироваться при низких скоростях столкновений молекул). Молекулы воды (в виде водяного пара в бане) всегда находятся в среде молекул воздуха, образуя особый газ — влажный воздух, то есть смесь воздуха с водяным паром (смесь молекул воды, азота, кислорода, аргона и других компонентов, составляющих воздух). И если этот влажный воздух является горячим, то его в банях называют «паром». Диссоциированными же парами воды называются диссоциированные молекулы воды Н2О
Пары воды, как и любой газ (или любой пар, например, испаряющегося бензина), невидимы, а туман, являясь не газом, а мелкими капельками воды, рассеивает свет и видим в виде белого «дыма». Каждый день мы можем наблюдать, как из чайника или из-под крышки кастрюли выходит пар воды, охлаждающийся в воздухе. При выходе из чайника он, сначала невидимый (в виде газа), постепенно охлаждаясь в носике чайника, начинает конденсироваться и превращаться в струи тумана («клубы пара»). Затем капельки тумана смешиваются с воздухом и, если он достаточно сухой (то есть способен принять влагу), вновь испаряются и «пропадают». В банном быту под паром обычно правильно понимают именно невидимые пары воды в воздухе, в том числе паром называют сам горячий влажный воздух в бане: «в бане горячий пар» или «в бане холодный пар». Туман в бане в виде «клубов пара» является нежелательным явлением. Туман образуется при залповом проникновении холодного воздуха через раскрывающиеся двери во влажную баню, а также при поддачах на недостаточно прогретые камни при низких температурах воздуха в бане (точно так же, как туман образуется при выходе пара из чайника). В любом случае образование тумана можно предотвратить повышением температуры пара, а также повышением температуры и снижением влажности воздуха, в который поступает пар (см. раздел 7.5). Если в бане виден туман, то говорят, что пар в бане «сырой» (см. раздел 7.6). Если при входе в баню лицо чувствует влагу (потеет) и очки запотевают, то говорят, что пар «влажный», а если лицо не ощущает влагу — пар «сухой». Конечно же сам водяной пар (как газ) сухим, сырым или влажным быть не может, правильней было бы говорить сухой, сырой или влажный воздух. В профессиональном жаргоне сантехников зачастую применяют технические термины «мокрый» или «влажный» пар, когда хотят пояснить, что в магистральном паропроводе (например, подающем пар непосредственно в парилку городской бани) имеется конденсированная вода (в том числе в виде тумана). Термины «сухой», «перегретый» или «острый» пар используются тогда, когда труба магистрального паропровода внутри сухая, а пар внутри трубы не содержит тумана. Таким образом, терминология бывает совершенно разной, так что порой требуются дополнительные разъяснения. Научная, профессиональная и бытовая терминологии, как правило, не совпадают.
4.3. Процессы испарения и конденсации
В специальной банной литературе (в том числе и финской) обычно ограничиваются сведениями о плотности насыщенного пара и определением понятия относительной влажности воздуха. При этом делают вывод о том, что чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше влаги способен принять воздух и тем более интенсивны процессы испарения пота с тела человека.
При всей очевидности этого тезиса, сам подход методически неточен, поскольку низкая относительная влажность воздуха отнюдь не гарантирует возможность испарения влаги с кожи человека именно в банных условиях, когда температура воздуха превышает температуру кожи человека. Кроме того, если воздух и тело человека имеют разные температуры, то понятие относительной влажности воздуха вообще теряет физический смысл применительно к телу человека.
Поясним это простейшим примером. Предположим, термометр (сухой) в бане показывает 90 °C, а гигрометр относительную влажность 25 %. Казалось бы, баня сухая, и тело человека должно быть сухим. Но если вы смочите кожу водой, сохнуть она не будет. В то же время полок в бане, листья на венике и волосы на голове сохнут. Объясняется это тем, что полок, листья и волосы имеют ту же температуру, что и воздух, а ваше тело нагреться выше 40 °C не может, вы просто выскочите из бани, если перегреетесь. Значит, ваше тело неминуемо представляет собой холодный элемент бани, около которого воздух охлаждается, а относительная влажность воздуха около тела человека повышается.
В цифрах это выглядит следующим образом. Плотность насыщенного пара при 90 °C составляет 0,40 кг/м3 (по рис. 23). Поскольку относительная влажность воздуха равна 25 %, то абсолютная влажность воздуха 0,10 кг/м3. Плотность насыщенного пара при 40 °C составляет 0,05 кг/м3. Это означает, что воздух с реальной абсолютной влажностью 0,10 кг/м3, соприкасаясь с телом человека, охлаждается до 40 °C и уже не может иметь абсолютную влажность выше 0,05 кг/м3, то есть водяные пары должны частично (наполовину) сконденсироваться на коже человека в виде росы. Воздух при этом осушается на коже человека точно также, как на теплообменных охлаждающих пластинах кондиционера. Если вы махнёте рукой, направив поток воздуха к телу, количество осаждающейся росы увеличится, а так как осаждение росы сопровождается выделением теплоты конденсации пара, то одновременно с росой вы почувствуете нагрев кожи. Это именно то, что происходит в русской бане при парении веником. То есть, казалось бы, при относительной влажности 25 % ваше тело в бане должно быть сухим, как и ваши волосы. Но на самом деле, мокрая кожа вовсе не сохнет, более того, «пот» течёт «ручьём». Да и не пот это вовсе, а конденсат водяных паров из воздуха, жгучий, пощипывающий кожу. То есть баня с сухим воздухом может быть не сухой, а паровой.
Процесс осаждения росы (конденсата) может приостановиться лишь при осушении воздуха до абсолютной влажности 0,05 кг/м3, после чего абсолютная влажность изменяться не будет. С другой стороны, если вы входите в баню (с любой температурой, например, 90 °C), воздух которой имеет абсолютную влажность ниже 0,05 кг/м3, то за счёт испарения пота и выделения влаги дыханием абсолютная влажность воздуха в бане будет увеличиваться до того же значения 0,05 кг/м3, соответствующего плотности насыщенного пара при 40 °C. Иными словами, при абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3 (или, что то же самое, при точке росы воздуха, равной 40 °C) ни процессы испарения воды с кожи человека (в том числе и пота), ни процессы осаждения росы (конденсата) на кожу человека становятся невозможными.
На рис. 29 представлена зависимость относительной влажности воздуха от температуры при фиксированной абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3 (при точке росы 40 °C). Эта зависимость (кривая росы, конденсационная кривая) имеет фундаментальный (объективный) характер и описывает условия перехода от режимов испарения пота к режимам конденсации паров воды на кожу человека. Режимы ниже кривой соответствуют сухим баням, то есть таким, в которых пот может испаряться. Режим на кривой соответствует влажным баням, в которых пот перестаёт испаряться вовсе (режимы «чистого» потения). Режимы выше кривой соответствуют паровым баням, в которых пот не испаряется и, более того, на кожу выделяется горячая роса. Таким образом, воздушносухие бани с сухим воздухом (с относительной влажностью воздуха меньше 50 %) могут быть и сухими, и влажными, и даже паровыми. Аналогично, воздуховлажные бани с влажным воздухом (с относительной влажностью воздуха более 50 %) также могут быть и сухими, и влажными, и паровыми, что полностью снимает все терминологические трудности.
Кривую на рис. 29 назовём хомотермальной[1] (от латинских слов «homo» — человек и «thermae» — тёплое купание).
Многие люди, в том числе и врачи, по наивности полагают, что климатические режимы различных традиционных бань специально разработаны «многовековым опытом многочисленных поколений предков». Это глубочайшее заблуждение. Других режимов просто не существует в природе. Эти режимы реализуются «сами собой» при подборе условий, когда человеку становится тепло.
Неуклонное повышение температуры тела означает, что рано или поздно человек даже с мокрой кожей перегреется и будет вынужден выйти из бани. Иными словами, длительное непрерывное нахождение в условиях, описываемых хомотермальной кривой, несовместимо с жизнью. Поэтому для конструирования бань важно понять не только то, что при определённой температуре воздуха человек способен длительно выдержать лишь некоторую максимальную относительную влажность воздуха, о чём так много пишут в литературе. Ещё более важно понять, что вне зависимости от температуры человек способен непрерывно выдерживать лишь некоторую максимальную абсолютную влажность воздуха (не выше 0,05 кг/м3). Конечно, люди охладившись, способны кратковременно вынести и значительно более высокие влажности, но только кратковременно (времена переносимости будут установлены в разделе 5.3).
Таким образом, измерив температуру и относительную влажность воздуха, мы, вопреки заявлениям финских методистов, ничего не можем сказать о бане, не сопоставив полученные данные с хомотермальной кривой. Измерение же точки росы воздуха сразу же однозначно укажет на характер климатических условий. Поскольку приборы по определению точки росы весьма сложны для бань, то любителям бани для изучения особенностей своей бани можно порекомендовать крайне упрощённые «приборы» не по измерению, а по контролю точки росы: вёдра, наполненные водой с температурой 40 °C или блестящие пластинки, прикреплённые к телу человека (металлические никелированные браслеты или даже обычные металлизированные липкие плёнки-ленты типа скотча). При достижении точки росы 40 °C (хомотермальный режим) на вёдрах, браслетах или липких плёнках, протираемых сухим полотенцем, появятся капли росы (запотевание).
Банный воздух, соответствующий хомотермальному режиму, можно моделировать воздухом, выдыхаемым из лёгких, поскольку он тоже имеет абсолютную влажность, близкую к 0,05 кг/м3. Поэтому в быту иногда говорят о душных помещениях — «надышали как в бане». В нормальной бане если дыхнуть на зеркало, роса (в виде запотевания) не должна образовываться никогда. Для ориентировки отметим, что в холодное время года образование тумана в выдыхаемом воздухе («пара» изо рта) происходит при температуре атмосферного воздуха ниже плюс 8-10 °C. При более высоких температурах туман при дыхании уже не виден, но роса при дыхании на зеркало выделяется вплоть до температур зеркала 30–35 °C. Температуры появления росы и тумана в этих условиях существенно ниже точки росы воздуха 40 °C по причине затруднённости зарождения первичных мельчайших капель конденсата с выпуклой поверхностью, а также ввиду подогрева поверхности зеркала и внешнего воздуха тёплым выдыхаемым воздухом. Аналогичное явление наблюдается и при истечении влажного тёплого воздуха из бани наружу.
4.4. Бани сухие, влажные и паровые
Продолжим рассмотрение случая, когда температуры всех элементов бани равны, и только человек имеет иную, более низкую температуру Возможный лучистый нагрев или лучистое охлаждение тела человека как и прежде пока не учитываем.
Мы уже установили, что перенос обычных атмосферных метеорологических представлений в банные условия не корректен и приводит к неправильным заключениям именно потому, что тело человека в бане холодней воздуха, а в обычной жизни наоборот. Такие же недоразумения могут возникнуть и при попытках бездумного использования понятия относительной влажности в неживой природе. Так, например, прогноз погоды (метеосводка) о предстоящем снижении относительной влажности воздуха воспринимается в народе как однозначное свидетельство того, что на улице будет сухо, лужи начнут быстро высыхать. Действительно, всё, что имеет температуру воздуха (то есть всё, что успевает охладиться или нагреться строго вслед за изменяющим свою температуру воздухом), будет безусловно сохнуть: листья на деревьях, бельё на верёвке, скамейки. Но массивные дома и крупные водоёмы изменяют свою температуру крайне медленно. Кроме того, их температура практически всегда ниже температуры воздуха (как и человека в бане). Поэтому они будут быстрей сохнуть лишь при снижении абсолютной влажности воздуха, а не относительной (которая, к тому же попросту теряет физический смысл в этих условиях). На самом деле, если снижение относительной влажности воздуха сопровождалось повышением температуры (установилась жара) так, что абсолютная влажность воздуха реально увеличилась (а на практике это наблюдается, как правило, всегда), то крупные лужи и стены массивных домов станут сохнуть в жару не быстрей, а медленней (и даже, может быть, наоборот, будут не сохнуть, а увлажняться за счёт выпадения конденсата из воздуха). Всем известно, что вода в бассейнах испаряется преимущественно ночью в прохладном воздухе, а вовсе не днём в жарком воздухе. Так что прогноз погоды сам по себе требует дополнительного анализа. Но если бы в метеосводках сообщали не относительную влажность воздуха, а абсолютную, а ещё лучше точку росы воздуха, то никаких недоразумений такого плана не было бы. То же самое можно сказать о бане.
Показания влажного термометра указывают, к какой температуре будет стремиться тело со смоченной поверхностью в бане при заданных метеоусловиях. На рисунках 30 и 31 приведены расчётные зависимости показаний влажного термометра от температуры воздуха (по сухому термометру) и от точки росы. Ясно, что климатические режимы с температурой по влажному термометру ниже 40 °C банными, строго говоря, не считаются, поскольку неразгорячённый человек в этих условиях при смачивании кожи водой может испытывать охлаждение тела. Но поскольку точка росы Тр всегда ниже температуры по влажному термометру Тв и температуры по сухому термометру Тс (Тр<=Тв<=Тс), то возможны банные режимы с точкой росы ниже 40 °C, то есть ниже хомотермальной кривой.
На рис. 32 представлены метеорологические условия, соответствующие показаниям влажного термометра 40 °C и 50 °C. Забегая вперёд, укажем, что кривая 2 соответствует ощущению комфортного тепла у человека с мокрой кожей, причём время прогрева тела до температуры 39 °C (время переносимости банной температуры и влажности по данным раздела 5.3) достигает нескольких часов (без учёта влияния инфракрасного излучения). В этих условиях, отвечающих режимам «привыкания», человек в бане начинает незаметно для себя всё сильней потеть, но часть пота всё же ещё испаряется, не позволяя человеку сильно перегреться. Этот режим, характерный для сухих турецких бань, мало знаком русским и финским любителям бань. В частности, этот режим реализуется и в инфракрасных кабинах, имеющих дополнительный лёгкий нагрев лучистым теплом (см. раздел 4.6). Кривая 3 соответствует временам переносимости порядка 10 минут (без учёта влияния инфракрасного излучения). Область между кривыми 2 и 3 соответствует типичным банным метеорежимам. Хомотермальная кривая 1, естественно, находится в этой области.
По сути, рис. 32 констатирует очевидный факт: банные режимы находятся не только на хомотермальной кривой, но и в некоторой области около неё. Причём каждый человек выбирает себе банный метеорежим в соответствии со своими предпочтениями и техническими возможностями своей бани. Некоторые любят погорячее — метеорежимы выше кривой 3 с временем непереносимости менее 10 минут относятся к экстремальным. Прогревшись (или перегревшись), можно с комфортом принять мытную процедуру в климатической области ниже кривой 2, которую с неразогретым организмом воспринимают как прохладную для тела и свежую для лёгких. На рис. 32 видно, что в финских саунах при температурах выше 100 °C все режимы (сухие, паровые) находятся в узкой области относительных влажностей 2-10 % по гигрометру (Ю.М. Хошев. БАНБАС, 2/26, 2003 г., стр. 38). На рис. 33 представлены те же климатические кривые, что и на рис. 32, но в координатах «абсолютная влажность — температура». При этом хомотермальная кривая преобразуется в горизонтальную прямую 1, соответствующую фиксированной абсолютной влажности 0,05 кг/м3 (точке росы 40 °C). Банные метеоусловия располагаются, как и прежде, между кривыми 2 и 3 и разделяются условно на паровую баню (выше хомотермальной кривой), влажную и сухую баню (на хомотермальной кривой и ниже). Выше кривой 3 располагается климатическая зона экстремальных бань (с температурой по влажному термометру выше 50 °C). Ниже кривой 2 располагаются метеорежимы, при которых холодно с мокрой кожей (но тепло с сухой кожей), но если тело человека нагреть при этом лучистым теплом (инфракрасным излучением) от нагретых поверхностей, то метеорежимы ниже кривой 2 могут стать банными. Это реализовывалось в лаконикумах с «сухим жаром» от жаровень и в сухих саунах с потоком лучистого тепла с горячего потолка (см. раздел 8).
На рис. 33 в дополнение к предыдущим соображениям введена дополнительная метеозона, располагаемая вниз от хомотермальной кривой 1 до кривой 5. Дело в том, что хомотермальные метеорежимы отвечают отсутствию процессов испарения влаги с кожи человека и процессов конденсации паров воды из воздуха на кожу человека. При этом в неподвижном воздухе человеку не становится ни теплей, ни холодней при смачивании кожи водой (в том числе и потом). Но появление воздушных потоков приводит к дополнительному нагреву тела тёплым воздухом за счёт конвективной составляющей, а процессы испарения, которые могли бы скомпенсировать этот нагрев, на хомотермальной кривой не возникают. Поэтому на хомотермальной кривой воздух, обдувающий тело человека, воспринимается как тёплый. А вот на кривой 5 этот дополнительный конвективный нагрев полностью компенсируется охлаждением за счёт испарения, и человек, хотя и ощущает факт появления механических воздушных потоков, тем не менее не чувствует ни нагрева кожи, ни её охлаждения. То есть на кривой 5 человеку с мокрой кожей не становится ни теплей, ни холодней при появлении движения воздуха. Столь тонкие нюансы характерны для ощущений мокрого тела человека. Человеку же с сухой кожей тепло (жарко) на всей площади рис. 33 вне зависимости от наличия или отсутствия потоков воздуха. Это очень важно для анализа субъективных ощущений человека в бане (см. раздел 6).
Схема метеорежимов на рис. 33 наиболее полно описывает климатические особенности бань, но без учёта лучистого нагрева, то есть в том предположении, что стены и потолок бани имеют температуру, равную или близкую температуре кожи человека в бане 40 °C. Это, например, можно реализовать, обдувая в обычной жилой комнате тело человека феном. Или можно обить все стены бани зеркально отражающей полированной алюминиевой фольгой с малым коэффициентом поглощения. В реальных же банях температуры стен и потолков выше 40 °C. Это значит, что надо пользоваться понятием не просто влажного термометра (экранированного), а влажного термометра, нагреваемого также и лучистым теплом. Показания такого термометра, конечно же, будут выше показаний экранированного влажного термометра. Поэтому с учётом лучистого нагрева кривые 2 и 3 на рисунке 33 опустятся вниз (или сдвинутся влево) при высоких температурах, а значит сухая баня станет жарче.
Руководствуясь зависимостями на рис. 33, можно оценить те количества воды, которые необходимо испарить (например, с помощью каменки), для получения влажных или паровых режимов. Легко видеть, что без дополнительного увлажнения воздуха получить паровой режим из сухого невозможно, точно так же, как невозможно перейти от паровой бани к сухой без осушения воздуха. В то же время сам воздух можно сделать сухим из влажного (по гигрометру) простым нагреванием без осушения, поскольку относительная влажность воздуха при постоянной абсолютной влажности может меняться в широких пределах при изменении температуры.
На рисунках 32 и 33 приведена также кривая 4 температурной зависимости плотности насыщенного пара, выделяющая зону туманообразования. Туман в виде «клубов пара» можно наблюдать (либо при охлаждении паровой бани, либо при поддачах при низких температурах воздуха) только лишь в зоне выше кривой 4. Бани, соответствующие кривой 4, имеют относительную влажность 100 % и называются сырыми, поскольку в них не сохнут ни полы, ни полки, ни потолки. Обычно эти бани заполнены туманом («клубами пара») и при температурах выше 50 °C являются обжигающими.
4.5. Аэродинамика бани
Выше мы рассматривали изотермическую баню, все элементы которой имеют одну и ту же температуру, кроме тела человека, которое нагреться выше 40 °C не может по чисто физиологическим причинам. Но в реальности печь, пол, стены и потолок бани имеют разные температуры, отличающиеся от температуры тела человека. При этом в бане всё неминуемо перемешивается и усредняется потоками воздуха. При всей запутанности картины можно выделить основные процессы, позволяющие понять суть происходящего.
Рассмотрим частный, но очень наглядный пример чёрной бани (дымной сауны), схема которой приведена на рис. 34. При протопке чёрной бани холодный воздух от открытой двери 2 по полу поступает в зону очага
1, нагревается и в виде смеси с дымовыми газами поднимается вверх, расстилаясь по потолку, и выходит наружу через верхнюю часть двери. Такая аэродинамическая траектория называется вентиляционной 3 приточновытяжной кривой и является разомкнутой (вернее замыкающейся вне помещения). Если временно прикрыть дверь 2, то потоки воздуха отнюдь не исчезнут, поскольку причиной их возникновения является очаг, нагревающий воздух. Получившаяся при закрытых дверях траектория движения воздушных масс (в том числе и дымовых) называется циркуляционной (рециркуляционной) кривой и является замкнутой. Именно циркуляционные потоки приводят к задымлению помещения, а также к нагреву стен и полов нисходящими потоками горячего воздуха (дымовых газов). Так, при протопке очага с открытыми дверями нельзя ходить по помещению, размахивая руками, поскольку возникающие при этом перемешивания воздуха (циркуляционные потоки) тотчас нарушают ламинарно текущие вдоль потолка потоки дыма, и помещение полностью задымляется.
Поделиться книгой: