§ 26.  ПАРЫ. ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ. НАСЫЩЕННЫЙ ПАР. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

Мы привыкли к тому, что вода и её пар могут переходить друг в друга. Лужи на асфальте после дождя высыхают, а водяной пар в воздухе по утрам часто превращается в мельчайшие капельки тумана. Все жидкости обладают способностью превращаться в пар – переходить в газообразное состояние. Процесс перехода жидкости в пар называют испарением. Образование жидкости из её паров называют конденсацией.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет процесс испарения следующим образом. Известно (см. §21), что между молекулами жидкости действуют сила притяжения, не дающая им удаляться друг от друга, и средней кинетической энергии молекул жидкости оказывается недостаточно, чтобы преодолеть силы сцепления между ними. Однако в каждый данный момент времени разные молекулы жидкости обладают разной кинетической энергией, и энергия некоторых молекул может в несколько раз превышать её среднее значение. Эти высокоэнергетичные молекулы обладают значительно большей скоростью движения и поэтому могут преодолеть силы притяжения соседних молекул и вылететь из жидкости, образуя таким образом пар над её поверхностью (см. рис.26а).

Покинувшие жидкость молекулы, составляющие пар, беспорядочно движутся, сталкиваясь между собой так, как это делают молекулы газа при тепловом движении. При этом хаотическое движение некоторых молекул пара может их уводить так далеко от поверхности жидкости, что они уже никогда туда не возвращаются. Способствует этому, конечно, и ветер. Наоборот, беспорядочное движение других молекул может приводить их обратно в жидкость, что и объясняет процесс конденсации пара.   

Вылететь из жидкости могут только молекулы, обладающие кинетической энергией намного выше средней, а это значит, при испарении средняя энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. А так как средняя кинетическая энергия молекул жидкости, как и газа (см. 23.6), пропорциональна температуре, то при испарении температура жидкости понижается. Поэтому нам и становится холодно, как только мы выходим из воды, покрытые тонкой плёнкой жидкости, которая сразу начинает испаряться и охлаждаться.

Что произойдёт, если сосуд с некоторым объёмом жидкости закрыть крышкой (рис.26б)? Каждую секунду поверхность жидкости по-прежнему будут покидать самые быстрые молекулы, её масса будет уменьшаться, а концентрация молекул пара – увеличиваться. Одновременно с этим в жидкость из пара будут возвращаться часть его молекул, и чем больше будет концентрация пара, тем интенсивней будет этот процесс конденсации. Наконец, концентрация пара над жидкостью станет так высока, что число молекул, возвращающихся в жидкость в единицу времени, станет равным числу молекул, покидающих её.  Такое состояние называют динамическим равновесием, а соответствующий пар – насыщенным паром. Концентрация молекул пара над жидкостью не может быть больше их концентрации в насыщенном паре. Если концентрация молекул пара меньше, чем у насыщенного, то такой пар называют ненасыщенным.

Движущиеся молекулы пара создают давление, величина которого, как и для газа, согласно уравнению (23.7) пропорциональна произведению концентрации этих молекул на температуру. Поэтому при заданной температуре, чем выше концентрация пара, тем большее давление он оказывает. Давление насыщенного пара зависит от вида жидкости и температуры. Чем тяжелее оторвать молекулы жидкости друг от друга, тем меньше будет давление её насыщенного пара. Так, давление насыщенного пара воды при температуре 20^оС составляет около 2 кПа, а давление насыщенных пара ртути при 20^оС - лишь 0,2 Па.

Жизнь человека, животных и растений зависит от концентрации водяных паров (влажности) атмосферы, которая изменяется в широких пределах в зависимости от места и времени года. Как правило, водяной пар вокруг нас является ненасыщенным. Относительной влажностью воздуха называют отношение давления водяных паров к давлению насыщенных паров при той же температуре, выраженное в процентах. Одним из приборов для измерения влажность воздуха является психрометр, состоящий из двух одинаковых термометров, один из которых обёрнут влажной тканью (см. Б на рис. 26в). Когда влажность воздуха меньше 100%, вода из ткани будет испаряться, а термометр Б - охлаждаться, показывая меньшую температуру, чем А. И чем меньше будет влажность воздуха, тем больше будет разница, Dt между показаниями термометров А и Б. С помощью специальной психрометрической таблицы по этой разнице температур можно определить влажность воздуха.

Вопросы для повторения:

·        Как происходит испарение и конденсация жидкости?

·        Что такое насыщенный пар?

·        Как измеряют относительную влажность воздуха?

Рис. 26. Схематическое изображение ненасыщенного (а) и насыщенного (б) пара; (в) – устройство психрометра.