Feuchtkugeltemperatur - Wet-bulb temperature

Ein Schlingenpsychrometer. Die Socke wird mit destilliertem Wasser benetzt und eine Minute oder länger herumgewirbelt, bevor die Messungen vorgenommen werden.

Die Feuchtkugeltemperatur ( WBT ) ist die Temperatur, die von einem mit einem wassergetränkten Tuch bedeckten Thermometer (einem Feuchtkugelthermometer) gemessen wird, über das Luft geleitet wird. Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtkugeltemperatur gleich der Lufttemperatur ( Trockenkugeltemperatur ); bei niedrigerer Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtkugeltemperatur aufgrund der Verdunstungskühlung niedriger als die Trockenkugeltemperatur .

Die Feuchtkugeltemperatur ist definiert als die Temperatur eines Luftpakets, das durch die Verdunstung von Wasser bis zur Sättigung (100% relative Luftfeuchtigkeit) abgekühlt wird , wobei die latente Wärme vom Paket geliefert wird. Ein Feuchtkugelthermometer zeigt eine Temperatur nahe der wahren (thermodynamischen) Feuchtkugeltemperatur an. Die Feuchtkugeltemperatur ist die niedrigste Temperatur, die unter den aktuellen Umgebungsbedingungen allein durch die Verdunstung von Wasser erreicht werden kann.

Selbst wärmeangepasste Personen können ab einer Feuchtkugeltemperatur von 32 °C (90 °F), was einem Hitzeindex von 55 °C (130 °F) entspricht, keine normalen Outdoor-Aktivitäten mehr ausführen . Die theoretische Grenze für das Überleben des Menschen für mehr als ein paar Stunden im Schatten, selbst bei unbegrenztem Wasser, liegt bei 35 °C (95 °F) – theoretisch entspricht das einem Hitzeindex von 70 °C (160 °F), obwohl die Hitze Index geht nicht so hoch.

Intuition

Wenn ein Thermometer in ein mit Wasser befeuchtetes Tuch gewickelt wird, verhält es sich anders. Je trockener und weniger feucht die Luft ist, desto schneller verdunstet das Wasser. Je schneller Wasser verdunstet, desto niedriger ist die Temperatur des Thermometers im Verhältnis zur Lufttemperatur.

Wasser kann nur verdunsten, wenn die umgebende Luft mehr Wasser aufnehmen kann. Dies wird gemessen, indem man die Menge an Wasser in der Luft mit dem Maximum vergleicht, das in der Luft sein könnte – der relativen Luftfeuchtigkeit . 0 % bedeutet, dass die Luft vollständig trocken ist, und 100 % bedeutet, dass die Luft das gesamte Wasser enthält, das sie unter den gegebenen Umständen aufnehmen kann und kein Wasser mehr aufnehmen kann (aus jeder Quelle).

Dies ist ein Teil der Ursache der scheinbaren Temperatur beim Menschen. Je trockener die Luft, desto mehr Feuchtigkeit kann sie über den bereits vorhandenen Inhalt hinaus aufnehmen und desto leichter kann zusätzliches Wasser verdunsten. Das Ergebnis ist, dass Schweiß in trockener Luft schneller verdunstet und die Haut schneller abkühlt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % kann kein Wasser verdunsten und eine Abkühlung durch Schwitzen oder Verdunsten ist nicht möglich.

Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % kann ein Feuchtkugelthermometer auch nicht mehr durch Verdunstung gekühlt werden, sodass es wie ein unverpacktes Thermometer angezeigt wird.

Allgemein

Die Feuchtkugeltemperatur ist die niedrigste Temperatur, die durch Verdunstungskühlung einer wasserbenetzten, belüfteten Oberfläche erreicht werden kann.

Im Gegensatz dazu ist der Taupunkt die Temperatur, auf die die Umgebungsluft abgekühlt werden muss, um 100 % relative Luftfeuchtigkeit zu erreichen, vorausgesetzt, es findet keine weitere Verdunstung in die Luft statt; es ist der Punkt, an dem sich Kondensation (Tau) und Wolken bilden würden.

Bei einem Luftpaket, das weniger als gesättigt ist (dh Luft mit weniger als 100 % relativer Luftfeuchtigkeit), ist die Feuchtkugeltemperatur niedriger als die Trockenkugeltemperatur , aber höher als die Taupunkttemperatur. Je niedriger die relative Luftfeuchtigkeit (je trockener die Luft), desto größer sind die Abstände zwischen jedem Paar dieser drei Temperaturen. Umgekehrt stimmen die drei Zahlen überein, wenn die relative Luftfeuchtigkeit auf 100 % ansteigt.

Für Luft mit bekanntem Druck und bekannter Trockenkugeltemperatur entspricht die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur eindeutigen Werten der relativen Luftfeuchtigkeit und der Taupunkttemperatur. Es kann daher zur praktischen Bestimmung dieser Werte verwendet werden. Die Beziehungen zwischen diesen Werten werden in einem psychrometrischen Diagramm dargestellt .

Die Auskühlung des menschlichen Körpers durch Schweiß wird durch die im Sommer steigende relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft gehemmt. Im Winter können andere Mechanismen am Werk sein, wenn die Vorstellung von "feucht" oder "feucht kalt" gültig ist.

Niedrigere Feuchtkugeltemperaturen, die mit trockenerer Luft im Sommer korrespondieren, können zu Energieeinsparungen in klimatisierten Gebäuden führen durch:

  1. Reduzierte Entfeuchtungslast für Zuluft
  2. Effizienzsteigerung von Kühltürmen
  3. erhöhte Effizienz von Verdunstungskühlern

Thermodynamische Feuchtkugeltemperatur

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur oder adiabatische Sättigungstemperatur ist die Temperatur, die ein Luftvolumen haben würde, wenn es durch Verdampfen von Wasser adiabatisch bis zur Sättigung abgekühlt würde , wobei die gesamte latente Wärme vom Luftvolumen geliefert wird.

Die Temperatur einer Luftprobe, die in einem isolierten Kanal über eine große Oberfläche des flüssigen Wassers geströmt ist, wird als thermodynamische Feuchtkugeltemperatur bezeichnet – die Luft ist gesättigt, indem sie eine ideale adiabatische Sättigungskammer mit konstantem Druck passiert.

Meteorologen und andere können den Begriff "isobare Feuchtkugeltemperatur" verwenden, um sich auf die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" zu beziehen. Sie wird auch "adiabatische Sättigungstemperatur" genannt, obwohl Meteorologen auch "adiabatische Sättigungstemperatur" verwenden, um "Temperatur auf dem Sättigungsniveau" zu bedeuten, dh die Temperatur, die das Paket erreichen würde, wenn es sich adiabatisch bis zur Sättigung ausdehnen würde.

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur wird auf einem psychrometrischen Diagramm aufgetragen .

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur ist eine thermodynamische Eigenschaft einer Mischung aus Luft und Wasserdampf. Der von einem einfachen Feuchtkugelthermometer angezeigte Wert liefert oft eine ausreichende Annäherung an die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur.

Für ein genaues Feuchtkugelthermometer "sind die Feuchtkugeltemperatur und die adiabatische Sättigungstemperatur für Luft-Wasser-Dampf-Gemische bei atmosphärischer Temperatur und Druck ungefähr gleich. Dies gilt nicht unbedingt bei Temperaturen und Drücken, die erheblich von den normalen atmosphärischen Bedingungen abweichen." , oder für andere Gas-Dampf-Gemische."

Temperaturanzeige des Feuchtkugelthermometers

Ein Nass-Trocken- Hygrometer mit einem Feuchtkugelthermometer

Feuchtkugeltemperatur ist ein gemessen mit einem Thermometer , das seine Birne in gewickelt hat ein Tuch genannte Socke -Das mit destilliertem Wasser nass gehalten wird über wicking Aktion. Ein solches Instrument wird als Feuchtkugelthermometer bezeichnet. Ein weit verbreitetes Gerät zur Messung der Feucht- und Trockentemperatur ist ein Schlingenpsychrometer , das aus einem Paar Quecksilberthermometer besteht, eines mit einer nassen "Socke" zur Messung der Feuchttemperatur und das andere mit freiliegender Glühbirne und trocken für die Trockenkugeltemperatur. Die Thermometer sind an einem schwenkbaren Griff befestigt und können so herumgewirbelt werden, dass Wasser aus der Socke verdunstet und die Feuchtkugel bis zum thermischen Gleichgewicht kühlt .

Ein tatsächliches Feuchtkugelthermometer misst eine Temperatur, die sich geringfügig von der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur unterscheidet, aber der Wert liegt sehr nahe. Dies ist auf einen Zufall zurückzuführen: Für ein Wasser-Luft-System liegt das psychrometrische Verhältnis (siehe unten) zufällig nahe 1, obwohl es für andere Systeme als Luft und Wasser möglicherweise nicht nahe beieinander liegt.

Um zu verstehen, warum dies so ist, betrachten Sie zunächst die Berechnung der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur.

Versuch 1

Dabei wird ein Strom ungesättigter Luft gekühlt. Die Abkühlungswärme der Luft wird verwendet, um etwas Wasser zu verdampfen, was die Luftfeuchtigkeit erhöht. Irgendwann ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt (und hat sich auf die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur abgekühlt). In diesem Fall können wir die folgende Energiebilanz pro Masse trockener Luft schreiben:

  • gesättigter Wassergehalt der Luft (kg H 2 O /kg trockene Luft )
  • Anfangswassergehalt der Luft (gleiche Einheit wie oben)
  • latente Wärme von Wasser (J/kg H 2 O )
  • Anfangslufttemperatur (K)
  • gesättigte Lufttemperatur (K)
  • spezifische Luftwärme (J/kg·K)

Experiment 2

Stellen Sie sich beim Feuchtkugelthermometer einen Wassertropfen vor, über den ungesättigte Luft geblasen wird. Solange der Dampfdruck des Wassers im Tropfen (in Abhängigkeit von seiner Temperatur) größer ist als der Partialdruck des Wasserdampfes im Luftstrom, findet Verdampfung statt. Die für die Verdampfung erforderliche Wärme kommt zunächst vom Tropfen selbst, da die sich am schnellsten bewegenden Wassermoleküle am ehesten aus der Tropfenoberfläche entweichen, sodass die verbleibenden Wassermoleküle eine geringere Durchschnittsgeschwindigkeit und damit eine niedrigere Temperatur aufweisen. Wenn dies das Einzige wäre, was passierte und die Luft vollständig trocken würde, würde die Luft schnell genug blasen, dann würde ihr Wasserdampfpartialdruck konstant Null bleiben und der Tropfen würde unendlich kalt werden.

Stattdessen ist der Tropfen mit dem Abkühlen jetzt kälter als die Luft, sodass eine konvektive Wärmeübertragung von der Luft auf den Tropfen stattfindet. Darüber hinaus hängt die Verdampfungsrate von der Konzentrationsdifferenz des Wasserdampfs zwischen der Tropfenstromgrenzfläche und dem entfernten Strom (dh dem "ursprünglichen" Strom, der vom Tropfen unbeeinflusst ist) und von einem konvektiven Stoffübergangskoeffizienten ab, der eine Funktion von ist die Bestandteile der Mischung (dh Wasser und Luft).

Nach einer gewissen Zeit ist ein Gleichgewicht erreicht: Der Tropfen hat sich so weit abgekühlt, dass die bei der Verdampfung abgeführte Wärme gleich der Wärmeaufnahme durch Konvektion ist. Zu diesem Zeitpunkt gilt die folgende Energiebilanz pro Schnittstellenbereich:

  • Wassergehalt der Grenzfläche im Gleichgewicht (kg H 2 O /kg trockene Luft ) (beachten Sie, dass die Luft in diesem Bereich gesättigt ist und war)
  • Wassergehalt der entfernten Luft (gleiche Einheit wie oben)
  • Stoffübergangskoeffizient (kg/m 2 ⋅s)
  • Lufttemperatur im Abstand (K)
  • Wassertropfentemperatur im Gleichgewicht (K)
  • konvektiver Wärmedurchgangskoeffizient (W/m 2 ·K)

Beachten Sie, dass:

  • ist die treibende Kraft für den Stofftransport ( während des gesamten Experiments konstant gleich )
  • ist die treibende Kraft für die Wärmeübertragung (wenn erreicht ist , ist das Gleichgewicht erreicht)

Lassen Sie uns diese Gleichung neu ordnen in:

Kehren wir nun zu unserem ursprünglichen "thermodynamischen Feuchtkugelexperiment" Experiment 1 zurück. Wenn der Luftstrom in beiden Experimenten gleich ist (dh und gleich sind), können wir die rechten Seiten beider Gleichungen gleichsetzen:

Etwas umstellen:

Es ist nun klar, dass wenn dann die Temperatur des Tropfens in Experiment 2 der Feuchtkugeltemperatur in Experiment 1 entspricht. Aufgrund eines Zufalls ist dies für das Gemisch aus Luft und Wasserdampf der Fall, das Verhältnis psychrometrisches Verhältnis ) nahe 1 liegt.

Experiment 2 ist das, was in einem gewöhnlichen Feuchtkugelthermometer passiert. Aus diesem Grund liegt der Messwert ziemlich nahe an der thermodynamischen ("realen") Feuchtkugeltemperatur.

Experimentell zeigt das Feuchtkugelthermometer der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur am nächsten, wenn:

  • Die Socke ist gegen Strahlungswärmeaustausch mit ihrer Umgebung abgeschirmt
  • Die Luft strömt schnell genug an der Socke vorbei, um zu verhindern, dass verdunstete Feuchtigkeit die Verdunstung aus der Socke beeinflusst
  • Das der Socke zugeführte Wasser hat die gleiche Temperatur wie die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur der Luft

In der Praxis weicht der von einem Feuchtkugelthermometer angezeigte Wert geringfügig von der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur ab, weil:

  • Die Socke ist nicht perfekt vor Strahlungswärmeaustausch abgeschirmt
  • Die Luftströmungsrate hinter der Socke kann nicht optimal sein
  • Die Temperatur des der Socke zugeführten Wassers wird nicht kontrolliert

Bei relativen Luftfeuchtigkeiten unter 100 Prozent verdunstet Wasser aus der Glühbirne, wodurch die Glühbirne unter die Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit wird die Umgebungstemperatur mit einem gewöhnlichen Thermometer, in diesem Zusammenhang besser bekannt als Trockenthermometer, gemessen . Bei jeder gegebenen Umgebungstemperatur führt eine geringere relative Luftfeuchtigkeit zu einem größeren Unterschied zwischen den Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperaturen; die Feuchtkugel ist kälter. Die genaue relative Luftfeuchtigkeit wird durch Ablesen aus einem psychrometrischen Diagramm der Feuchtkugel- und Trockenkugeltemperaturen oder durch Berechnung bestimmt.

Psychrometer sind Instrumente mit einem Feuchtkugel- und einem Trockenkugelthermometer.

Ein Feuchtkugelthermometer kann auch im Freien bei Sonneneinstrahlung in Kombination mit einem Globe-Thermometer (das die einfallende Strahlungstemperatur misst ) verwendet werden, um die Wet Bulb Globe Temperature (WBGT) zu berechnen .

Adiabatische Feuchtkugeltemperatur

Die adiabatische Feuchtkugeltemperatur ist die Temperatur, die ein Luftvolumen haben würde, wenn es adiabatisch bis zur Sättigung abgekühlt und dann in einem feucht-adiabatischen Prozess (AMS-Glossar) adiabatisch auf den ursprünglichen Druck verdichtet würde. Eine solche Abkühlung kann auftreten, wenn der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, wie im Artikel über angehobenes Kondensationsniveau erwähnt .

Dieser Begriff, wie in diesem Artikel definiert, ist möglicherweise in der Meteorologie am weitesten verbreitet.

Da der als "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" bezeichnete Wert auch über einen adiabatischen Prozess erreicht wird, können einige Ingenieure und andere den Begriff "adiabatische Feuchtkugeltemperatur" verwenden, um sich auf die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" zu beziehen. Wie oben erwähnt, können Meteorologen und andere den Begriff "isobare Feuchtkugeltemperatur" verwenden, um sich auf die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" zu beziehen.

„Der Zusammenhang zwischen isobaren und adiabatischen Prozessen ist ziemlich unklar. Vergleiche zeigen jedoch, dass sich die beiden Temperaturen selten um mehr als einige Zehntel Grad Celsius unterscheiden, und die adiabatische Version ist bei ungesättigter Luft immer die kleinere der beiden . Da der Unterschied so gering ist, wird er in der Praxis meist vernachlässigt.“

Feuchtkugeldepression

Die Feuchtkugelunterdrückung ist die Differenz zwischen der Trockenkugeltemperatur und der Feuchtkugeltemperatur. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 % sind die Trocken- und Feuchtkugeltemperaturen identisch, sodass die Feuchtkugel-Unterdrückung unter solchen Bedingungen gleich Null ist.

Feuchtkugeltemperatur und Gesundheit

Lebende Organismen können nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs überleben. Wenn die Umgebungstemperatur zu hoch ist, kühlen sich viele Tiere durch Verdunstungskühlung unter Umgebungstemperatur ab (Schweiß bei Menschen und Pferden, Speichel und Wasser bei Hunden und anderen Säugetieren); Dies trägt dazu bei, eine potenziell tödliche Hyperthermie aufgrund von Hitzestress zu verhindern . Die Wirksamkeit der Verdunstungskühlung hängt von der Luftfeuchtigkeit ab; Feuchtkugeltemperatur oder komplexere Berechnungsgrößen wie die Wet-Bulb-Globe-Temperatur (WBGT), die auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigt , geben einen nützlichen Hinweis auf den Grad der Hitzebelastung und werden von mehreren Stellen als Grundlage für Wärme verwendet Leitlinien zur Stressprävention.

Eine anhaltende Feuchtkugeltemperatur von über 35 °C (95 °F) ist wahrscheinlich sogar für fitte und gesunde Menschen tödlich, die unbekleidet im Schatten neben einem Ventilator stehen; Bei dieser Temperatur wechselt der menschliche Körper von der Abgabe von Wärme an die Umgebung, um Wärme daraus zu gewinnen. In der Praxis werden solche idealen Bedingungen für die menschliche Kühlung nicht immer gegeben sein – daher die hohen Todeszahlen bei den Hitzewellen 2003 in Europa und 2010 in Russland , bei denen Feuchtkugeltemperaturen nicht mehr als 28°C erreichten.

Eine Studie aus dem Jahr 2015 kam zu dem Schluss, dass je nach Ausmaß der zukünftigen globalen Erwärmung Teile der Welt aufgrund tödlicher Feuchtkugeltemperaturen unbewohnbar werden könnten. Eine Studie aus dem Jahr 2020 berichtete über Fälle, in denen bereits eine Feuchtkugeltemperatur von 35 ° C (95 ° F) aufgetreten war, wenn auch zu kurz und an einem zu kleinen Ort, um Todesfälle zu verursachen.

Im Jahr 2018 hat South Carolina neue Vorschriften eingeführt, um Schüler der Oberstufe vor hitzebedingten Notfällen bei Outdoor-Aktivitäten zu schützen. Für Feuchtkugeltemperaturen zwischen 27,8 °C (27,8 °C) und 33,3 °C (92,0 °F) gelten spezielle Richtlinien und Einschränkungen; Bei Feuchtkugeltemperaturen von 33,4 °C oder mehr müssen alle Outdoor-Aktivitäten abgesagt werden.

Hitzewellen mit hoher Luftfeuchtigkeit

  • Am 8. Juli 2003 sah Dhahran, Saudi-Arabien , den höchsten jemals gemessenen Hitzeindex bei 178 ° F (81 ° C) mit einer Temperatur von 108 ° F (42 ° C) und einem 95 ° F (35 ° C) Taupunkt.
  • Bei der indischen Hitzewelle 2015 erreichten die Feuchtkugeltemperaturen in Andhra Pradesh 30 ° C (86 ° F). Eine ähnliche Feuchtkugeltemperatur wurde während der Hitzewelle 1995 in Chicago erreicht .
  • Eine Hitzewelle im August 2015 sah Temperaturen von 48,6 °C (119,5 °F) und einen Taupunkt von 29,5 °C (85,1 °F) in Samawah , Irak , und 114,8 °F (46,0 °C) mit einem Taupunkt von 89,6 °F (32,0 °C) in Bandar-e Mahshahr , Iran . Dies implizierte Feuchtkugeltemperaturen von etwa 33,5 °C (92,3 °F) bzw. 34,7°C (94,5 °F). Die Regierung forderte die Bewohner auf, sich der Sonne fernzuhalten und viel Wasser zu trinken.

Höchste aufgezeichnete Feuchtkugeltemperaturen

An den folgenden Standorten wurden Feuchtkugeltemperaturen von 34 °C (93 °F) oder höher gemessen. Wetterstationen befinden sich normalerweise an Flughäfen, sodass andere Orte in der Stadt möglicherweise höhere Werte aufweisen.

WT (°C) Stadt und Staat Land
36,3 Stadt Ras Al Khaimah Vereinigte Arabische Emirate
36,2 Jacobabad , Sindh Pakistan
36 Mekka Saudi Arabien
35,8 Hisar, Haryana Indien
35,6 Yannarie, Westaustralien Australien
35,4 Villahermosa , Tabasco Mexiko
35,1 [unbenannter Ort], Khyber Pakhtunkhwa Pakistan
35 Maracaibo Venezuela
35 Matlapa , San Luis Potosí Mexiko
35 Choix, Sinaloa Mexiko
34.8 La Paz, Baja California Sur Mexiko
34.8 Soto la Marina, Tamaulipas Mexiko
34,7 Medina Saudi Arabien
34,7 Bandar Abbas Iran
34,6 Machilipatnam-Mandal , Andhra Pradesh Indien
34,5 Sahadevkhunta , Balasore , Odisha Indien
34,4 Bamako Mali
34,4 Chicxulub, Yucatan Mexiko
34,1 Rangun Birma
34 Ajnala, Punjab Indien
34 Port Hedland, Westaustralien Australien
34 Empalme, Sonora Mexiko
34 Tuxpan, Veracruz Mexiko
34 Paysandú-Abteilung Uruguay

Globale Erwärmung

Studienergebnisse zeigen, dass eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 °C die meisten Tropen daran hindern würde, die Feuchtkugeltemperatur der menschlichen physiologischen Grenze von 35 °C zu erreichen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links