6. Випаровування рідин. Насичуюча і ненасичуюча пара. Тиск насичуючої пари. Вологість повітря, її вимірювання

Будь-яка речовина за певних умов може знаходитися в різних агрегатних станах – твердому, рідкому і газоподібному. Перехід з одного стану в інше називається фазовим переходом. Випар і конденсація є прикладами фазових переходів.

Пара - газоподібне тіло в стані, близьке до киплячої рідини.

Паротворення – процес перетворення речовини з рідкого стану в пароподібний.

Випарування – паротворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини.

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, випарування – це процес, при якому з поверхні рідини вилітають найбільш швидкі молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію їх зв'язку з останніми молекулами рідини. Це приводить до зменшення середньої кінетичної енергії молекул, що залишилися, тобто до охолоджування рідини (якщо немає підведення енергії від навколишніх тіл).

При деякій певній температурі, залежній від природи рідини і тиску, під яким вона знаходиться, починається паротворення у всій масі рідини. Цей процес називається кипінням.

Випарування може відбуватися не лише з поверхні, але і в об'ємі рідини. У рідині завжди є найдрібніші бульбашки газу. Якщо тиск газу у бульбашках рідини дорівнює зовнішньому тиску або перевищує його, рідина випаровуватиметься всередину бульбашок. Бульбашки, наповнені парою, розширюються і спливають на поверхню.

Всі реальні гази (кисень, азот, водень і т. д.) за певних умов здатні перетворюватися на рідину. Проте таке перетворення може відбуватися лише при температурах нижче певної, так званої критичної температури T_кр. Наприклад, для води критична температура дорівнює 647,3К , для азоту 126 К , для кисню 154,3К.

Конденсація – це процес, зворотний процесу випару. При конденсації молекули пари повертаються в рідину.

При випарі рідини в обмеженому просторі (у парових казанах) одночасно відбувається зворотне явище – конденсація пари. Якщо швидкість конденсації стане рівній швидкості випару, то настає динамічна рівновага, коли число молекул, що вилітають з рідини, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину з пари. Пара в цьому випадку має максимальну густину і називається насиченою парою.

Число молекул, що вилітають з одиниці площі поверхні рідини за одну секунду, залежить від температури рідини. Число молекул, що повертаються з пари в рідину, залежить від концентрації молекул пари і від середньої швидкості їх теплового руху, яка визначається температурою пари. Звідси витікає, що для даної речовини концентрація молекул пари при рівновазі рідини і її пари визначається їх рівноважною температурою.

Встановлення динамічної рівноваги між процесами випару і конденсації при підвищенні температури відбувається при вищих концентраціях молекул пари.

Оскільки тиск газу (пара) визначається його концентрацією і температурою, то можна зробити вивід: тиск насиченої пари p₀ даної речовини залежить лише від його температури і не залежить від об'єму.

При підвищенні температури тиск насиченої пари і його щільність зростають, а щільність рідини зменшується із-за теплового розширення.

При температурі, рівній критичній температурі Tкр для даної речовини, щільність пари і рідини стає однаковою. При T > Tкр зникають фізичні відмінності між рідиною і її насиченою парою.

Якщо ізотермічно стискувати ненасичену пару при T < Tкр, то його тиск зростатиме, поки не стане рівним тиску насиченої пари. При подальшому зменшенні об'єму на дні судини утворюється рідина і встановлюється динамічна рівновага між рідиною і її насиченою парою. Із зменшенням об'єму все велика частина пари конденсується, а його тиск залишається незмінним. Коли вся пара перетворюється на рідину, тиск різко зростає при подальшому зменшенні об'єму унаслідок малої стисливості рідини.

При ізотермічному розширенні випаровується рівно стільки рідини, скільки потрібно для заповнення насиченою парою приріст об'єму. При ізотермічному стискуванні конденсується стільки пари, скільки його було в обнятому об'ємі. Таким чином, густина насиченої пари при ізотермічному процесі не змінюється.

Якщо температура пари вища за температуру насиченої пари того ж тиску, то така пара називається перегрітою. Різниця між температурою перегрітої пари і температурою насиченої пари того ж тиску називається мірою перегріву. Оскільки питомий об'єм перегрітої пари більше питомого об'єму насиченої пари, то щільність перегрітої пари менше щільності насиченої пари. Тому перегріта пара є ненасиченою парою.

Водяна пара безперервно поступає в атмосферу в результаті випару з поверхні водоймищ, грунту, рослинного, снігового і крижаного покриву. Кількість водяної пари залежить від фізіко-географічніх умов місцевості, пори року і доби. Процес випару полягає в тому, що молекули води, що володіють найбільшими швидкостями, долають сили молекулярного зчеплення і відриваються від водної або іншій випарювальній поверхні. Потім вони швидко поширюються в довкілля в результаті молекулярної дифузії.

Окрім цього в атмосфері відбувається і зворотний процес — перехід молекул водяної пари з повітря у воду або на поверхню грунту. І, якщо, кількість молекул, що вилітають, більша, ніж що повертаються назад, то резельтуючим процесом буде випар.

Атмосфера складається з суміші газів, що називається повітрям, у якому знаходяться в завислому стані рідкі і тверді частинки. Загальна маса останніх незначна в порівнянні з усією масою атмосфери. Атмосферне повітря в земної поверхні, як правило, є вологим. Це значить, що до його складу, разом з іншими газами, входить водяна пара, тобто вода в газоподібному стані (H2О). Утримання водяної пари в повітрі змінюється в значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: у земної поверхні воно коливається між сотими частками відсотка і декількома відсотками.

Відсотковий вміст водяної пари у вологому повітрі в земної поверхні складає в середньому від 0,2% у полярних широтах до 2,5% в екватора, а в окремих випадках коливається майже від нуля до 4%. У зв'язку з цим стає перемінним і відсоткове співвідношення інших газів у вологому повітрі. Чим більше в повітрі водяної пари, тим менша частина її об'єму доводиться на постійні гази при тих же тиску і температурі. Водяна пара, що знаходиться в атмосфері призводить певний тиск.

Вчитель вводить нову фізичну величину

Парціальний тиск водяної пари — тиск, який виробляла б водяна пара, якби всі останні гази були відсутні.

Кількість водяної пари, що міститься в повітрі, має найважливіше значення для процесів, що відбуваються в атмосфері. Воно робить також великий вплив на життя рослин і тварин. Кількість водяної пари в повітрі можна виразити за допомогою наступних величин:

а) тиск водяної пари (парціальне );

б) абсолютна вологість повітря — маса водяної пари в 1 м3 повітря, виражена в грамах;

Абсолютну вологість повітря вимірюють щільністю водяної пари , що знаходиться в повітрі, або його тиском Р_а

в) відносна вологість повітря — відношення тиску пари, що міститься в повітрі, до тиску насиченої пари при тій же температурі, виражене у відсотках.

Відносна вологість повітря вимірюється числом, що показує, скільки відсотків складає абсолютна вологість від тиску водяної пари P_Н, що насичує повітря при температурі, що є у нього.

або

Густину та тиск насиченої пари можна дізнатися з таблиць

Тиск насиченої пари залежить також від того, чи знаходиться пара над поверхнею переохолодженої води або над поверхнею льоду. Над льодом тиск насиченої пари менший, ніж над переохолодженою водою при тій же температурі. Це означає, що якщо в повітря, що містить водяну пару поблизу стану насичення, внести шматочок льоду і крапельку переохолодженої води, то на поверхні льоду почнеться конденсація і він збільшуватиметься в розмірах, а крапелька води випаровуватиметься і зменшуватиметься. Цей процес має дуже велике значення при утворенні опадів.

Ще виділяють таке поняття, як максимальна вологість повітря (кордон насичення) кількість водяної пари, яка може міститися в повітрі при певній температурі (максимальне значення вологості повітря при заданій температурі) [г/м³ ]. При підвищенні температури збільшується і поглинаюча здатність повітря.

Точка роси — одна з основних характеристик вологості повітря.

Точкою роси при даному тиску називається температура, до якої повинне охолодитися повітря, щоб водяна пара, що міститься в нім, досягла стану насичення і почала конденсуватися в росу.

Точка роси визначає відносну вологість. Чим вище відносна вологість, тим точка роси вище і ближче до фактичної температури повітря. Чим нижче відносна вологість, тим точка роси нижча за фактичну температуру. Якщо відносна вологість складає 100 %, то точка роси збігається з фактичною температурою.

Вдень температура повітря 200С, до вечора при температурі 17⁰С на грунті з'явилася роса, оскільки при 17⁰С абсолютна вологість повітря стала рівній густині насиченої пари , а відносна вологість дорівнювала 100%.

Використання і облік:

а) у метеорології;

б) при зберіганні продуктів і матеріалів;

в) у зберіганні творів мистецтв;

г) у проектуванні будівельних споруд, машин, механізмів, що піддаються дії вологи.