Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха

На блюдце была вода. Через час лужицы нет. Вода не исчезла: она перешла в воздух. Этот переход и обратный ход — тема занятия. Строение жидкости, смачивание и капилляры здесь не повторяем. Кипение и количество теплоты парообразования тоже не берём. Измерение влажности психрометром — следующее занятие: прибор можно узнать, показания сегодня не снимают.

Блюдце — наблюдаемый факт. Молекул на кадре нет: вылет частицы — модель, не фотография.

Испарение и конденсация

Испарение — переход жидкости в пар с поверхности. Его скорость зависит от температуры, площади поверхности, притока воздуха и рода жидкости. С поверхности уходят самые быстрые молекулы: им хватает энергии, чтобы оторваться. Если энергию извне не подводят, жидкость остывает.

Конденсация — обратный переход: молекулы пара возвращаются в жидкость. Оба процесса идут одновременно. Пар невидим. Капли и белое облако — уже жидкость.

Капли сидят на внешней стенке. Пар был в воздухе комнаты. Шкалу с кадра не читают.

Насыщенный пар

В открытом стакане пар уходит в комнату. Число возвращающихся молекул меньше числа уходящих, уровень падает. Такой пар называют ненасыщенным.

В плотно закрытой банке пар накапливается. Возврат в жидкость учащается. Наступает динамическое равновесие: за одно и то же время число ушедших молекул N₁ равно числу вернувшихся N₂. Уровень перестаёт меняться. Испарение при этом не прекращается. Пар, который находится в таком равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Слева пар уходит, равновесия нет. Справа, когда уровень встал, пар насыщенный. Кадр не измеряет давление.

Свойство, которое стоит запомнить. В закрытом сосуде, пока рядом с паром ещё есть эта жидкость, при одной и той же температуре давление насыщенного пара не зависит от объёма. Сосуд сжали — часть пара конденсировалась, концентрация вернулась к прежней, и давление тоже. Сосуд расширили, и жидкость ещё есть, — испарилось ещё немного. Если жидкость кончилась, пар уже ненасыщенный: при сжатии его давление растёт, а не возвращается к старому. Закрытую банку на уроке не греют.

От температуры это давление зависит, и зависит сильно. С ростом температуры в пар выходит больше молекул, поэтому давление насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа при постоянном объёме. Ненасыщенный пар вдали от конденсации к идеальному газу близок. Насыщенный — нет. Формулу давления через скорость молекул здесь не выводим.

Белое облако

Белое — мелкие капли. Сам водяной пар у носика не виден. Чайник на занятии не включают.

Влажность воздуха

Абсолютная влажность говорит, сколько водяного пара уже есть в воздухе. Её записывают двумя величинами.

Парциальное давление водяного пара p. В задачах этого занятия оно в килопаскалях.

Плотность водяного пара

$$\rho = \frac{m}{V}.$$

Здесь m — масса пара, V — объём воздуха. Единица СИ — килограмм на кубический метр. В школьной таблице часто стоят граммы на кубический метр.

Ни p, ни ρ сами по себе не отвечают, сыро в комнате или сухо. Один и тот же пар при низкой температуре близок к насыщению, а при высокой — далёк.

Относительная влажность φ показывает эту долю. При той же температуре

$$\varphi = \frac{p}{p_{\mathrm{н}}} \cdot 100\%.$$

pₙ — давление насыщенного водяного пара. Его не вычисляют из кадра и не снимают с закрытой банки на парте. Его берут из таблицы. Школьная запись через плотности, φ = ρ / ρₙ · 100 %, — то же определение, когда таблица даёт ρₙ. Выводить одну запись из другой через уравнение идеального газа не будем: для насыщенного пара оно грубое.

Точка росы — температура, до которой надо охладить воздух, чтобы находящийся в нём пар стал насыщенным. Тогда pₙ сравнивается с уже имеющимся p, и φ становится 100 %. Ниже точки росы пар конденсируется: роса на стекле, туман на пылинках.

Роса — жидкость на холодной поверхности. До этого пар в воздухе был невидим.

Школьное округление таблицы давлений, которым пользуемся ниже:

Плотности в этой таблице нет. Для неё хватает двух школьных значений: при 10 °C ρₙ = 9,4 г/м³, при 20 °C ρₙ = 17,3 г/м³.

Пример

Разбор ниже — образец. Свой вариант будет в самопроверке, с другими числами. В комнате t = 20 °C, парциальное давление водяного пара p = 1,17 кПа. По таблице pₙ = 2,34 кПа.

$$\varphi = \frac{1{,}17}{2{,}34} \cdot 100\% = 50\%.$$

Килопаскали сократились. 50 % — между «сухо» и «насыщен». Ответ не 0,5 % и не 200 %: процент уже стоит в формуле, а перевёрнутая дробь даёт 200 %.

Та же доля через плотности: при 20 °C ρₙ = 17,3 г/м³, и ρ = 8,65 г/м³ даёт φ = 8,65 / 17,3 · 100 % = 50 %. Это проверка смысла, не второй независимый опыт.

Частые ошибки

Проверь себя

Сначала запиши ответы. Разбор ниже закрыт, пока сам не попробуешь.

1. Почему в закрытой банке уровень сначала чуть падает, а потом стоит? Испарение при этом кончилось?
2. Куда сядут капли, если внести в комнату холодный стакан, вытертый снаружи: на внешнюю стенку или на внутреннюю? Откуда взялась эта вода?
3. Две закрытые банки разного объёма, в обеих есть вода, температура одна. Сравни давление насыщенного пара. Банки не греют.
4. При t = 16 °C парциальное давление пара p = 1,00 кПа, по таблице pₙ = 1,82 кПа. Найди φ. Проверь, что проценты не разъехались в десять раз.
5. Парциальное давление пара 1,23 кПа. При какой температуре из таблицы он станет насыщенным? Как называется эта температура?
6. Исправь фразу: «Абсолютная влажность большая, значит, бельё не сохнет».

Коротко

• Испарение и конденсация идут сразу. Уходят самые быстрые молекулы, без подвода энергии жидкость остывает.
• Насыщенный пар — динамическое равновесие с жидкостью, N₁ = N₂. Ненасыщенный пар до этого равновесия не дошёл.
• В закрытом сосуде, пока есть жидкость, давление насыщенного пара от объёма не зависит. От температуры зависит сильно.
• Водяной пар не виден. Капли и белое облако — жидкость.
• φ = p / pₙ · 100 % при той же температуре. Точка росы — температура, где этот пар станет насыщенным. Психрометр — следующее занятие.

Показать ответ после выполнения