解读恒温恒湿箱 0 度与 100 度时湿度调节失灵的物理原理

一、引言

二、湿度调节的基本原理与相关物理概念

（一）湿度的定义与表示方法

1. 绝对湿度

• 绝对湿度是指单位体积空气中所含水蒸气的质量，通常用克 / 立方米（g/m³）来表示。它反映了空气中实际所含水蒸气的量。例如，在一定温度和压力下，某一立方米空气中含有 10 克水蒸气，那么此时的绝对湿度就是 10g/m³。绝对湿度与空气中水蒸气的含量直接相关，是衡量湿度的一个基本物理量。

2. 相对湿度

• 相对湿度则是指空气中实际所含水蒸气的分压与同温度下饱和水蒸气分压的比值，用百分数（%）表示。它描述了空气接近饱和状态的程度。例如，在 25℃时，如果空气中水蒸气分压是该温度下饱和水蒸气分压的 50%，那么相对湿度就是 50%。相对湿度更能直观地反映空气的潮湿程度，也是恒温恒湿箱中常用的湿度控制指标。

（二）水的相变与饱和蒸气压

1. 水的三相点

• 水存在固态、液态和气态三种相态，其三相点的温度为 0.01℃，压力为 611.73Pa。在三相点时，水的固、液、气三相能够平衡共存。这是水相态变化的一个关键平衡点，对于理解在 0 度附近湿度变化的原理具有重要意义。当温度和压力偏离三相点时，水会发生相态的转变，如从液态变为气态（蒸发）或从气态变为液态（凝结）。

2. 饱和蒸气压与温度的关系

• 饱和蒸气压是指在一定温度下，密闭容器中与液体（或固体）处于相平衡的蒸气所具有的压力。对于水而言，饱和蒸气压随温度的升高而增大。例如，在 0℃时，水的饱和蒸气压约为 611.2Pa；在 20℃时，约为 2338.8Pa；在 100℃时，则达到 101325Pa（即标准大气压）。这意味着在不同温度下，空气中能够容纳的最大水蒸气量是不同的，温度越高，饱和蒸气压越大，空气能够容纳的水蒸气就越多。

三、恒温恒湿箱在 0 度时湿度调节失灵的原理

（一）水的结冰与饱和蒸气压急剧下降

1. 水在 0 度时的相态变化

• 当恒温恒湿箱内温度接近 0 度时，水处于液态与固态的临界状态。随着温度进一步降低到 0 度，水会开始结冰。在这个过程中，水的饱和蒸气压会发生急剧变化。根据水的相图和物理特性，0 度时冰的饱和蒸气压约为 611.2Pa，相比液态水在稍高于 0 度时的饱和蒸气压大幅降低。例如，在 0.01℃时，液态水的饱和蒸气压约为 611.73Pa，而一旦结冰，饱和蒸气压显著减小。

2. 对湿度测量与控制的影响

• 这种饱和蒸气压的急剧下降会导致湿度测量出现偏差。湿度传感器通常是基于测量空气中水蒸气分压来计算湿度的。在 0 度时，由于冰的饱和蒸气压很低，即使空气中实际水蒸气含量没有明显变化，但相对于冰的饱和状态，相对湿度可能会显示异常升高。例如，原本在接近 0 度的液态水状态下，相对湿度可能为 50%，但当水结冰后，按照冰的饱和蒸气压计算，相对湿度可能会突然显示为接近 100%，从而使湿度控制失去准确性。同时，在加湿过程中，由于冰的升华速率相对液态水的蒸发速率要慢得多，且受到箱内温度、气流等多种因素的影响，很难精确控制升华的水量来调节湿度，导致加湿功能难以正常实现。在除湿方面，由于 0 度时空气容纳水蒸气的能力极低，常规的除湿方法如冷凝除湿，可能会因为结霜等问题而无法有效运行，进一步影响湿度调节的准确性。

四、恒温恒湿箱在 100 度时湿度调节失灵的原理

（一）水的沸腾与饱和蒸气压达到大气压

1. 水在 100 度时的相态变化

• 当恒温恒湿箱内温度达到 100 度时，水会发生沸腾现象。此时，水的饱和蒸气压等于标准大气压（101325Pa）。在这种状态下，水会大量地从液态转变为气态，形成水蒸气。而且，在 100 度时，水的蒸发速率极快，几乎不受外界因素如湿度、气流等的限制，只要有液态水存在，就会持续快速地蒸发。

2. 对湿度测量与控制的影响

• 对于湿度测量而言，由于水在 100 度时的饱和蒸气压固定为大气压，湿度传感器难以准确区分空气中水蒸气含量的微小变化。因为此时空气中水蒸气含量已经接近饱和状态，相对湿度基本维持在较高水平（接近 100%），即使有少量水蒸气的增减，相对湿度的变化也非常小，导致湿度测量的精度大大降低。在加湿方面，由于水本身就在大量蒸发，箱内湿度已经接近饱和，再进行加湿操作几乎无法改变湿度状态，加湿系统失去了调节湿度的作用。在除湿方面，要降低 100 度时的湿度，需要将水蒸气凝结成液态水排出，但由于此时水蒸气的饱和蒸气压很高，常规的除湿方法如通过制冷使水蒸气凝结的效率极低，而且在高温环境下，制冷系统的性能也会受到限制，难以有效地降低湿度，使得除湿功能无法正常发挥，从而导致湿度调节失灵。

五、结论