Теория бань

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.).

Рис. 27. Простейший самодельный гигрометр из высушенной и ошкуренной деревянной ветки. 1 — основной побег, обрезанный с двух сторон и прикреплённый к стене (расположенной в плоскости листа), 2 — вторичный боковой побег толщиной 3–6 мм и длиной 40–60 см, 3 — шкала, нанесённая на стене и построенная по градуированному аттестованному гигрометру (или по метеосводкам данной местности). При низкой относительной влажности древесина побега высыхает, продольное древесное волокно 4 укорачивается и оттягивает боковой побег от основного.

Рис. 28. Простейший самодельный гигрометр, основанный на увеличении массы увлажняющейся древесины при высоких относительных влажностях воздуха. 1 — коромысло (весы), 2 — нить подвески, 3 — груз из негигроскопичного материала (например, металла), 4 — груз из гигроскопичной древесины (тонкий кругляк из поперёк распиленной рыхлой лёгкой древесины типа липы или сетка с опилками и стружками). При повышении относительной влажности воздуха древесина увлажняется и увеличивается в весе, что приводит к наклону коромысла в сторону гигроскопичного груза.

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 —> ОН + Н, образующиеся при температуре выше 2000 °C. При ещё более высоких температурах свыше 5000 °C образуются различные ионизированные пары воды Н₂О —> ОН^– + Н⁺ = ОН^– +Н₃О⁺ =ОН + Н⁺ + е. Ионизация может происходить и при низких температурах паров, но при электронных или ионных облучениях, например, в тлеющем или коронных электрических разрядах в воздухе.

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.

Рис. 29. Теоретическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры Тс при фиксированной абсолютной влажности воздуха 0,050 кг/м³ (при точке росы 40 °C). Представляет собой хомотермальную кривую для 40 °C, разделяющую режимы испарения пота и осаждения конденсата из воздуха.

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.