"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Насыщенный пар — это пар в равновесии с жидкостью или твёрдым веществом. Его давление при данной температуре максимально, а изменение температуры заметно влияет на количество пара в воздухе. Влажность показывает, сколько водяного пара содержится в воздухе и насколько близко его состояние к насыщению. Эти понятия помогают объяснить появление росы, тумана и облаков, а также рассчитывать микроклимат помещений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью или твёрдым веществом. Это означает, что испарение и конденсация идут с одинаковыми скоростями. Понятие нужно, чтобы определить предельное количество пара, которое может находиться над веществом при данной температуре.
Давление насыщенного пара — давление, которое оказывает насыщенный пар при определённой температуре. Обычно его обозначают pₙₐₛ; главным образом оно зависит от температуры, а не от объёма сосуда. По этому давлению судят, достиг ли пар состояния насыщения.
Абсолютная влажность — плотность водяного пара в воздухе, то есть масса пара в единице объёма: ρ = m/V. Её измеряют, например, в килограммах на кубический метр или граммах на кубический метр. Она показывает фактическое содержание воды в воздухе.
Относительная влажность — отношение давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах: φ = (p/pₙₐₛ) · 100%. Величина безразмерна и обычно лежит от 0 до 100%. Она показывает, насколько воздух близок к насыщению.
Испарение происходит с поверхности жидкости, потому что молекулы движутся с разными скоростями. Самые быстрые из них могут преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость. Над поверхностью они хаотически движутся, образуя пар.
В закрытом сосуде часть молекул пара сталкивается с жидкостью и возвращается в неё, то есть происходит конденсация. Сначала испарение обычно идёт быстрее, поэтому количество пара растёт. Затем число молекул над жидкостью увеличивается, конденсация усиливается, и при равенстве скоростей устанавливается динамическое равновесие.
Ненасыщенный пар ещё может принять молекулы жидкости, потому что скорость испарения пока больше скорости конденсации. Поэтому его плотность способна увеличиваться при продолжающемся испарении. В насыщенном паре такое увеличение при постоянной температуре невозможно: добавившиеся молекулы компенсируются конденсацией.
При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул возрастает. Больше молекул получает энергию, достаточную для выхода из жидкости, поэтому испарение усиливается. В результате давление насыщенного пара быстро увеличивается, что видно по графику .
При охлаждении воздуха давление насыщенного пара уменьшается, хотя фактическое количество водяного пара сначала почти не меняется. Поэтому отношение p к pₙₐₛ возрастает, то есть увеличивается относительная влажность. Температура, при которой пар становится насыщенным и начинается конденсация, называется точкой росы.
| Свойство | Ненасыщенный пар | Насыщенный пар |
|---|---|---|
| Возможность дальнейшего испарения | Испарение преобладает над конденсацией | Испарение и конденсация происходят с одинаковыми скоростями |
| Зависимость давления от объёма при постоянной температуре | Давление может увеличиваться при поступлении новых молекул пара | Давление не увеличивается при наличии жидкости и постоянной температуре |
| Зависимость давления от температуры | Определяется количеством пара и температурой | Для данной температуры имеет предельное значение pₙₐₛ |
| Относительная влажность | Меньше 100 процентов | Равна 100 процентам |
Сначала найдите в таблице нужное свойство, а затем сравните поведение двух видов пара. Особенно полезны строки о равновесии и относительной влажности. При решении задач таблица помогает понять, может ли количество пара ещё увеличиваться.
При 20 °C давление пара равно 1,17 кПа, а давление насыщенного пара — 2,34 кПа. Требуется найти относительную влажность. Используем фактическое и предельное давления при одной и той же температуре.
Ответ: относительная влажность воздуха равна 50%. Это ненасыщенный пар, поскольку влажность меньше 100%.
Комната имеет объём 50 м³, температура равна 20 °C, относительная влажность — 60%. Плотность насыщенного пара при этой температуре составляет 17,3 г/м³. Сначала найдём фактическую плотность пара, а затем его массу.
Ответ: в комнате находится примерно 0,52 кг водяного пара. Коэффициент 0,60 появляется из относительной влажности 60%.
Воздух при 25 °C имеет влажность 70% и охлаждается без потери пара. При понижении температуры давление насыщенного пара уменьшается, поэтому фактическое давление постепенно достигает предельного. Эта температура и есть точка росы.
Ответ: роса возникает из-за конденсации пара после достижения точки росы. После начала конденсации дальнейшее охлаждение сопровождается удалением избытка пара из воздуха.
Считать, что насыщенный пар обязательно виден как туман. Так ошибаются, потому что слово «пар» связывают с белым облачком над водой. На самом деле насыщенный пар обычно прозрачен, а туман состоит из капель жидкости; проверить себя можно, различая газ и жидкие капли.
Путать абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность измеряется массой на единицу объёма, а относительная является процентным отношением и единиц не имеет. Проверьте обозначения: для первой используется ρ = m/V, для второй — φ = (p/pₙₐₛ) · 100%.
Брать давление насыщенного пара при другой температуре. Давление pₙₐₛ определяется именно температурой рассматриваемого воздуха, поэтому справочная величина от другого значения температуры неверна. Перед подстановкой сопоставьте температуру в условии и в таблице или на графике.
Считать, что при влажности 100% вода мгновенно полностью становится жидкостью. Насыщение означает равновесие, а не мгновенное исчезновение пара. Конденсация начинается при подходящих условиях образования капель; после этого процессы испарения и конденсации продолжаются одновременно.
Для понимания темы нужны представления об испарении, конденсации, температуре и давлении. Также используется уравнение состояния идеального газа, связывающее давление, объём и температуру.
Знания о влажности помогают объяснить точку росы, образование облаков и тумана, а также принцип работы психрометра. Эти явления связывают молекулярную физику с метеорологией.
На практике влажность учитывают в метеорологии, быту и сельском хозяйстве. Она важна при хранении материалов и продуктов, а также при расчёте комфортного микроклимата помещений.
Почему насыщенный пар не продолжает увеличивать свою плотность?
При данной температуре испарение и конденсация в насыщенном паре идут с одинаковыми скоростями. Поэтому новые молекулы, покидающие жидкость, в среднем компенсируются молекулами, возвращающимися в неё.
Чем абсолютная влажность отличается от относительной?
Абсолютная влажность равна массе водяного пара в единице объёма и измеряется, например, в г/м³. Относительная влажность показывает, какую долю от давления насыщенного пара составляет фактическое давление, и выражается в процентах.
Почему относительная влажность увеличивается при охлаждении воздуха?
При охлаждении давление насыщенного пара уменьшается, а количество водяного пара до начала конденсации остаётся почти прежним. Поэтому фактическое давление становится ближе к предельному, и относительная влажность растёт.
Что показывает точка росы?
Точка росы — это температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы водяной пар стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении начинается конденсация и появляются капли воды.
Может ли относительная влажность быть больше 100%?
Кратковременно воздух может оказаться пересыщенным, поэтому расчётная влажность будет больше 100%. Обычно избыток пара быстро конденсируется на пылинках или других частицах, и состояние возвращается к насыщенному.
§ 59. Насыщенный пар. Влажность
