Когда чашка с водой стоит на протяжении долгого времени, то в итоге вся вода попросту в ней испарится. В данной статье мы как раз поговорим о том, почему это происходит, и обсудим свойства паров.
Испарение и конденсация
Молекулы воды при одинаковой температуре движутся с разной скоростью. Конечно же, большинство придерживается единого значения скорости, но у некоторых из них показатели существенно отличаются.
В данных условиях происходит так, что одна из самых быстрых молекул попадает на свободную поверхность воды.
Свободная поверхность воды — это граница, где жидкость соприкасается с воздухом. После попадания туда, у молекулы скорость может преодолеть притяжение других, более медленных, молекул и покинуть саму воду. Этот процесс получил название испарение. Молекулы, которые вылетают из воды, преобразуются в пар. Теперь перейдем к терминологии.
Испарение — преобразование воды в пар. Данный процесс может протекать только лишь на границе с воздухом.
Свойства водяного пара подразумевают и такое, что через некоторый промежуток времени молекула может превратиться снова в воду. Это называется конденсацией.
Конденсация — это явление противоположное испарению.
Динамическое равновесие
Свойства паров разнообразны, и сейчас мы поговорим об одном из таких.
Ранее мы обсудили, что делается, когда молекула покидает жидкость, но пример был приведет с открытой чашкой воды. Теперь же обсудим, что произойдет, если чашка будет плотно закрыта. В этом случае плотность пара над водой станет расти. Из-за этого частицы будут мешать друг другу покидать границу с воздухом, вследствие этого процесс испарения будет снижаться. В это же время станет расти скорость конденсации, потому как ввиду скопления пара количество молекул, которые преобразовываются снова в воду, окажется больше.
Рано или поздно в данных обстоятельствах скорость конденсации станет равняться со скоростью испарения. Данные свойства воды и пара получили название — динамическое равновесие.
Динамическое равновесие — это когда за одно и то же время количество молекул, превратившихся в пар, равняется количеству молекул перешедших обратно в воду. Исходя из этого, следует, что объем воды не будет уменьшаться, так же как и количество пара. Это означает, что пар стал «насыщенным».
Насыщенный пар — это когда он пребывает в динамическом равновесии с водой, из которой вышел. Аналогично пар, который не находится в состоянии динамического равновесия, называется ненасыщенным.
Свойства паров подразумевают, что насыщенный пар всегда обладает большим значением давления и плотности, чем ненасыщенный. Это так, потому что у насыщенного пара максимальное значение давления и плотности. В физике данные величины обозначаются, как pн и ρн соответственно.
Свойства насыщенного пара
Из информации выше следует, что состояние насыщенного пара можно описать тем же уравнением, что и состояние идеального газа. Как минимум наблюдается соотношение между плотностью и давлением.
Свойства воды и водяного пара удивительны, как минимум, из-за этого. А данный факт, о схожести насыщенного пара с идеальным газом, был проверен экспериментальным путем. Поражает это потому, что свойства паров значительно отличаются от свойств идеальных газов. Стоит перечислить главные их отличия.
Зависимость плотности от температуры
Стоит изначально сделать ремарку и сказать, что употребляя слово «пар», подразумевается именно «насыщенный пар». Итак, теплофизические свойства пара подразумевают то, что его плотность при одной и той же температуре не зависит от объема. Таким образом, если создать искусственное давление в герметичном сосуде, то плотность пара увеличится на какое-то время. А также ускорится конденсация и в разы превысит процесс испарения. Так будет продолжаться до того, как не случится динамическое равновесие. С его наступлением плотность снова нормализуется.
То же самое произойдет, если понизить давление, только место увеличения плотности пара будет происходить его уменьшение. Происходит это ввиду ускорения испарения. Но протекать данный процесс будет до полной нормализации всех процессов.
А также объем пара никаким образом не оказывает влияние на его давление. Это так, потому что объем не влияет и на плотность. А по формуле плотность и давление - взаимные величины в данном случае. Из этого и вытекает данное суждение.
Влияние температуры на плотность
Теплофизические свойства воды, пара еще подразумевают то, что при одном и том же объеме воды ее плотность при нагреве увеличивается, а при понижении температуры, наоборот, понижается.
Когда температура возрастает, процесс испарения увеличивается в разы. И как в прошлом примере, динамическое равновесие нарушается, ввиду избыточного испарения, но только на некоторое время. Рано или поздно процессы испарения и конденсации снова нормализуются.
Аналогично происходит и при падении температуры. Только в этом случае снизится скорость испарения, а конденсация будет протекать до того времени, пока не наступит баланс между ними. Но, конечно же, это происходит с горазда меньшей численностью пара.
Исходя из этого, можно заявить, что закон Шарля с насыщенным паром не работает. Так это, потому что при нагреве и охлаждении воды ее масса изменяется, а это, в свою очередь, означает, что функция не линейна.
Зависимость давления от температуры
Продолжая данную тему, стоит упомянуть о еще одной зависимости. Дело в том, что при увеличении температуры, давление пара увеличивается в несколько раз быстрее. На самом деле данная зависимость наблюдается с плотностью, но данный вывод сделан из того, что плотность и давление - взаимосвязанные значения в представленной формуле.
Зависимость давления от температуры не можно выделить из закона идеального газа, так как представленная зависимость экспоненциальна.
Влажность воздуха
Пришло время поговорить о влажности воздуха. Воздух зовется влажным, когда он содержит пар. И ясное дело, что зависимость эта прямо пропорциональна. То есть, чем пара больше, тем влажней воздух.
Также существует понятие «абсолютная влажность» — это такое явление, когда создаваемое давление в воздухе равно давлению пара. Еще это явление работает и с плотностью пара.
Относительной влажностью называют отношение абсолютной влажности в воздухе к давлению насыщенного пара, при условии, что температура одна и та же.
Психрометр — это прибор для измерения влажности воздуха. Он состоит из двух термометров, только один из них окутан влажной тканью. Принцип его работы заключается в том, что при низкой влажности испарение из ткани протекает быстрей, из-за чего окутанный термометр значительней охлаждается. Ввиду этого появляется разность в показаниях между двумя приборами. Исходя из этого, уже вычисляют саму влажность воздуха.
