相対湿度と比較湿度（飽和度）の関係、差の原因

質問

湿度には絶対湿度、相対湿度、比較湿度があり、絶対湿度はともかくとして、
相対湿度、比較湿度は似たような定義です。

相対湿度：飽和蒸気圧に対する水蒸気分圧の比
比較湿度（飽和度）：飽和空気の絶対湿度に対する湿り空気の絶対湿度の比

しばし、相対湿度を、飽和空気の「水蒸気量」に対する実際に含まれる「水蒸気量」の割合、として、比較湿度と混同させている場合もありますが、湿り空気線図で確認すると0%と100%以外は、わずかに差が生じています。

このことは水蒸気分圧と絶対湿度は比例しないということを意味していると思うのですが、なぜ、このようなことが生じるのでしょうか？
また、相対湿度と比較湿度にはどのような関係式が導けるでしょうか？

回答No.4

htms42 · ベストアンサー

＞空調工学では一般に、大気圧（全圧）＝101.325kPa（一定）として扱っています。

大気の圧力が余分に必要な定義を使うのであればそれだけのメリットがないといけません。圧力一定でやるのであれば理科年表に載っている普通の定義によるものよりも精度の悪い価を出していることになります。
新たな測定の必要な量を導入していながらその測定をやらずに一定値で代用しているのですからおかしいですよね。ご承知の通り大気圧は普通の条件でも１０１３ｈＰａから数％は変わります。空調の効いた密閉型のオフィスビルの中の部屋などではもっと変わっている可能性があります。それにもかかわらず圧力一定でやるのであれば荒っぽい話だと言うことです。１０１．３２５ｋＰａという６桁の数字は精度とは無関係な架空の数字です。当然空気の質量を求めるときに温度を考えることも意味を持たなくなります。温度が１０℃から２０℃に変わったとしても２８３Ｋから２９３Ｋですから割合からすると数％です。
あなたが質問された数％の違いというのも問題にする意味のないものだろうと思います。
高原にあるリゾートホテルなどの場合はもっと問題になるのではないでしょうか。高度１５００ｍで８５０ｈＰａ付近の値になります。

お礼

度重なるご回答ありがとうございます。
比較湿度は相対湿度よりもハイグレードな指標にもかかわらず、測定や計算が煩雑さから現代の科学の分野では利用価値が見出しづらく、いつかし淘汰されてしまった感じなんでしょうね。ひょっとしたら特定の分野では現役で利用されているのかもしれませんが、少なくとも大気圧一定とした湿り空気線図では、回答者様のおっしゃられるように利用価値の少ないものと感じます。現に、ほとんどの参考書に記載されている空気線図では比較湿度は省かれていることが多いですし・・

回答No.3

htms42

やはり絶対湿度の定義が違っていたのですね。

理化学辞典の定義では
「水蒸気を含む空気１ｍ３に含まれる水蒸気の重量」（理）
御質問のテキストの定義
「乾燥空気１ｋｇに対する水蒸気の重量」（ｔｅｘｔ）

理化学辞典の定義であればは相対湿度と比較湿度は同じになります。
テキストの定義では同じにはなりません。同じになるからこそ理化学辞典の定義の方が使いやすいのです。

理科年表には水の（飽和）蒸気圧の表が載っています。この表のデータを使って絶対湿度（理）を出すのは簡単です。分圧から１ｍ３に含まれている水蒸気量を出すのは簡単な計算ですみます。体積と圧力と温度が分かっています。水の分子量は１８です。状態方程式ＰＶ＝ｗＲＴ／１８からｗがすぐに求められます。空気の圧力を考える必要がないというのも助かります。
飽和空気の絶対湿度と非飽和湿潤空気の絶対湿度の比が相対湿度になるからこそこの定義が使われていると考えてもいいです。一番基本になるデータは飽和水蒸気圧です。

ｔｅｘｔの定義でやると空気の圧力が問題になります。測定がひとつ余分に必要です。
１５℃とします。飽和水蒸気圧は５６ｈＰａですから１ｍ３の中の水蒸気の質量は求めることが出来ます。１ｍ３の中の空気の質量は空気の圧力が必要です。気圧計で測った空気の圧力は水蒸気を含んだ圧力のはずですから乾燥空気の圧力は飽和水蒸気圧を引いたものです。圧力の値が分かれば乾燥空気の平均分子量を２８．８として計算できます。ｔｅｘｔでは気圧についてどういう風に扱っているのでしょうか。
湿度は野外だけでなく室内でも使うことのできる量です。箱の中の湿度も考えることが出来ます。気圧は１気圧とは限りません。測定が必要です。ｔｅｘｔの定義で湿度を考えるのはものすごく難しい事になります。

とにかく後は定義に従って計算してみてください。

お礼

再度、丁寧なご回答ありがとうございます。
どうやら絶対湿度には２つあり
空調工学の分野で用いられる重量絶対湿度と、より広い分野で用いられる容積絶対湿度というのがあるようですね。
そして、どちらの採用するかによって、相対湿度の定義の表現の仕方も変わってしまうんですね。

そのことから改めて正確な定義を示すと、
比較湿度：ある湿り空気の重量絶対湿度xと、その温度と同じ温度の飽和空気の重量絶対湿度xsとの割合
ということになりそうです。

また、空調工学では一般に、大気圧（全圧）＝101.325kPa（一定）として扱っています。
ということは、乾き空気の分圧＝大気圧－水蒸気圧で、湿度によって値が変わり、それに比例して乾き空気の重量も変わる。
その結果、相対湿度では同体積で比べていたものが、比較湿度では比べる２つの状態の全体量が異なるため差がでる

ということなんですね。途中で、実在気体説に揺らいでいたのですが関係なさそうですね。（間違いがあったら教えてください）

回答No.2

jamf0421

No.1さんが丁寧に調べられておられ、ご質問の内容をはっきりさせることがまず重要と存じます。さてご質問を字義どおりとってずぶの素人が考えますと、相対湿度が扱っている単位がPa同士の比、比較湿度が扱っている単位がg/m^3同士の比です。gはmol数と比例しますから水蒸気が理想気体である限りpv=nRTで相対湿度と比較湿度は同じとなるように見えます。両者に差が出るとしたら、水蒸気が理想気体でない時のように考えられるのですが...

お礼

ご回答ありがとうございます。
また、お礼が遅くなり大変申し訳ありません。
>両者に差が出るとしたら、水蒸気が理想気体でない時のように考えられるのですが...
なるほど～その線が強そうに感じました。

回答No.1

htms42

定義の違いがあるはずです。ご質問の文章では定義の違いがはっきりしません。全体をどういう量で表すか、水蒸気の量をどういう量で表すかが書かれていないのです。

理化学辞典で調べてみました。

（１）絶対湿度：体積１ｍ３の空気中に含まれる水蒸気量をグラムで表す。
（２）水蒸気圧：空気中の水蒸気の分圧
（３）相対湿度：水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比
（４）比湿：空気塊に含まれる水蒸気の重量とその空気塊の重量の比
（５）混合比：空気塊に含まれる水蒸気の重量と残りの部分の重量の比

と５つ書かれていました。

ご質問の「比較湿度」というのが見当たりません。（４）の「比湿」に言葉は近いですが定義は異なるようです。
絶対湿度の定義を（１）だとするとご質問の「相対湿度」と「比較湿度」は同じものになります。空気１ｍ３のなかに含まれている水蒸気を考えている限り、「水蒸気圧の比＝水蒸気の質量の比」　が成り立つからです。「絶対湿度の比＝相対湿度」です。

全体を体積でなく質量で考えているのであれば違ってきます。

推測ですがご質問の「比較湿度」は（４）の比湿の比ではないでしょうか。
飽和空気の比湿と湿潤空気の比湿の比です。

絶対湿度も比湿も水蒸気の量を質量で考えていますが空気全体を体積で表すか、質量で表すかが異なります。

お礼

すばやいご回答ありがとうございました。
仕事の関係でお礼が遅くなり大変申し訳ございません。

質問文では、長くなることを避けて定義を簡略化したために不明確になってしまいました。
手元の国交省所管の財団法人、地域開発研究所から出されているテキストによると

相対湿度：ある空気の水蒸気分圧pと、その温度と同じ温度の飽和空気の水蒸気分圧psの割合をいい、百分率で表すことが多い。
すなわち、
φ = 100×p/ps

比較湿度：ある湿り空気の絶対湿度xと、その温度と同じ温度の飽和空気の絶対湿度xsとの割合をいい、百分率で表すことが多い。
すなわち
ψ = 100×x/xs
これは、飽和度ともいう。

と、説明されていました。
ご回答にあった理化学辞典による定義文と比べると、分母が飽和空気の重量となっている点で（４）とは異なるようです。

また、絶対湿度に関しては、理化学辞典とは異なり、
絶対湿度：湿り空気に含まれている「乾き空気1kg」に対する水分の量
となっています。

私も同体積の湿り空気中においては、「水蒸気圧の比＝水蒸気の質量の比」が成り立つと考えていました。
しかし、ある状態の湿り空気の相対湿度と比較湿度は実際に若干異なった値を示すようです。
比較湿度は相対湿度より0～3%ほど小さくなっています。
（空気調和・衛生工学便覧　第１３版　湿り空気h-x線図より）