§ 44. Властивості насиченої і ненасиченої пари. Вологість повітря

Хмари, дощі, тумани, сніжинки - усе це водяна пара. Кругообіг води у природі - один з основних чинників, що впливає на погоду, на самопочуття людини. Спортсмени і гляціологи (прогнозисти лавин), конструктори парових турбін, котлів і парових машин, авіатори і моряки, домогосподарки, які вивішують випрану білизну, потребують точних знань про водяну пару або хоча б результатів вимірювань чи спостережень за нею.

Пара - газуватий стан речовини в умовах, коли газувата фаза може перебувати в рівновазі з рідкою або твердою фазами тієї самої речовини. Процес виникнення пари з рідкої (твердої) фази називають пароутворенням. Зворотний процес - конденсацією. За низького тиску і високих температур властивості пари наближаються до властивостей ідеального газу. Говорячи слово «пара», ми майже завжди маємо на увазі водяну пару.

Розрізняють такі види станів пари хімічно чистих речовин.

Ненасичена пара - пара, що не досягла термодинамічної рівноваги зі своєю рідиною. Тиск ненасиченої пари залежить від її об’єму і температури. З підвищенням температури пари або зі зменшенням її об’єму, тиск ненасиченої пари збільшується. Охолоджуючись, ненасичена пара стає насиченою, тому що при цьому кінетична енергія молекул пари зменшується і легше відбувається їх перехід у рідину.

Насичена пара - пара, яка перебуває у динамічній рівновазі зі своєю рідиною. Ця назва підкреслює, що в даному об’ємі за даної температури не може перебувати більшої кількості пари. Якщо з посудини з рідиною відкачати повітря, то над поверхнею рідини буде тільки насичена пара. Концентрація молекул насиченої пари не залежить від об’єму за сталої температури. Під час нагрівання насичена пара стає ненасиченою. За даної температури тиск ненасиченої пари завжди менший за тиск насиченої пари. За наявності над поверхнею рідини ненасиченої пари процес пароутворення переважає над процесом конденсації, і тому кількість рідини в посудині із часом зменшується.

Атмосферне повітря - це суміш різних газів і водяної пари. Кожен із газів, що містяться в повітрі, робить свій внесок у сумарний тиск повітря на тіла. Тиск, який чинила б водяна пара, якщо не було б інших газів, називають парціальним тиском водяної пари, який є одним з показників вологості повітря:

де ρ - густина водяної пари.

У повітрі завжди є водяна пара. Від кількості водяної пари, що міститься в повітрі, залежать погода, самопочуття людини, функціонування багатьох її органів, життя флори і фауни, а також збереження технічних об’єктів. Усе це підтверджує актуальність потреби визначення кількості водяної пари, що міститься в атмосфері.

Для вимірювання вологості повітря введено спеціальні величини - абсолютна і відносна вологість.

Абсолютною вологістю називають масу водяної пари, що міститься в 1 м³повітря за даної температури. Іншими словами, абсолютна вологість - це парціальний тиск водяної пари, наявної в повітрі за даної температури (або густина водяної пари):

f = р; f = ρ,

де р - парціальний тиск, а ρ - густина водяної пари за даної температури Т.

Абсолютну вологість повітря визначають за точкою роси. Суть цього методу в тому, що за допомогою спеціального приладу (гігрометра, мал. 110) визначають температуру, за якої пара, що є в атмосфері, стає насиченою. Цю температуру називають температурою (точкою) роси.

Масу насиченої водяної пари в 1 м³ повітря за даної температури можна знайти у спеціальних таблицях.

Максимальна вологість повітря вимірюється густиною насиченої водяної пари. Густина насиченої водяної пари за різних температур визначається експериментально і наводиться в таблицях (табл. 3).

Таблиця 3

Тиск і густина насиченої водяної пари

t, °С	p, Па	ρ, г/м³	t, °С	p, Па	ρ, г/м³
-10	259,9	2,14	17	1936,8	14,5
-5	402,4	3,2	18	2063,5	15,4
0	610,5	4,84	19	2196,8	16,3
1	656,1	5,22	20	2338,1	17,3
2	758,4	5,60	21	2486,0	18,3
3	797,3	5,98	22	2643,3	19,4
4	812,1	6,40	23	2808,6	20,6
5	871,1	6,84	24	2983,3	21,8
6	934,4	7,3	25	3167,2	23,0
7	1001,1	7,8	26	3360,5	24,4
8	1073,1	8,3	27	3567,1	25,8
9	1147,7	8,8	28	3779,1	27,2
10	1227,7	9,41	29	4004,3	28,7
11	1300,7	10,0	30	4241,6	30,3
12	1402,3	10,7	40	7374,2	51,2
13	1519,6	11,4	50	1234,3	82,9
14	1598,3	12,1	90	7011,4	423,3
15	1704,9	12,8	100	101303	598
16	1816,9	13,6	200	156000	7870

Наприклад, густина ненасиченої водяної пари за температури 20 °С дорівнює 13,6 • 10^-3 кг/м³. Ця пара за температури 16 °С стає насиченою (випадає роса). Отже, її густина й абсолютна вологість ρ = 13,6 • 10^-3 кг/м³ = 13,6 г/м³. Для зручності одиницею абсолютної вологості зазвичай є 1 г/м³.

Вологість повітря вимірюється за допомогою гігрометрів і психрометрів. Найпростішим є гігрометр Ламбрехта (мал. 110). Він складається з горизонтально розташованого циліндра, одна основа якого блискуча. Усередину циліндра входить запаяна з одного кінця трубка, у нижній частині якої є багато отворів. Інший кінець трубки приєднують до якої-небудь повітродувки, наприклад гумової груші. Усередину циліндра наливають ефір. Продуваючи через трубку повітря, створюють умови для швидкого випаровування ефіру. Випаровуючись, ефір охолоджується і охолоджує циліндр. Коли температура циліндра дорівнюватиме точці роси, він «запітніє». Для вимірювання температури всередину циліндра вставляють термометр. Щоб момент випадання роси був помітніший, циліндр уставлено у блискуче кільце, яке надійно ізольоване від нього теплоізоляційною прокладкою.

Мал. 110. Гігрометр Ламбрехта

Визначивши температуру, за якої пара, що міститься в повітрі, стає насиченою, за спеціальними таблицями визначають абсолютну вологість повітря.

Знаючи абсолютну вологість повітря, ще не можна визначити, наскільки сухе або вологе повітря. Потрібно при цьому враховувати і температуру повітря. Якщо температура низька, то водяна пара в повітрі може виявитися дуже близькою до насичення. За вищої температури та сама водяна пара буде далекою від насичення.

Ступінь вологості повітря визначають по тому, наскільки водяна пара, що є в повітрі, перебуває близько до стану насичення. Для цього вводять поняття відносної вологості.

Відносною вологістю повітря називають виражене у відсотках відношення парціального тиску водяної пари (пружності водяної пари), яка є в повітрі, до тиску насиченої пари за даної температури:

де р_н - тиск, а ρ_н - густина насиченої водяної пари за даної температури Т.

Поняття відносної вологості є дуже важливим. Наприклад, ми відчуваємо себе добре за температури 25 °С або 30 °С і відносній вологості 25 %. З іншого боку, за тієї самої температури самопочуття у нас погане, ми відчуваємо спеку і пригніченість за відносної вологості 80 % або 90 %. Або, наприклад, якщо температура повітря 18 °С, а відносна вологість 25 %, ми відчуваємо холод, хоча за тієї самої температури і вологості 60 % і вище можна добре почуватися.

Залежність самопочуття від відносної вологості за однакової температури пояснюється тим, що тіло охолоджується частково внаслідок випаровування під час дихання і швидкість охолоджування збільшується зі швидкістю випаровування. Інакше кажучи, якщо відносна вологість низька, випаровування, а тому й охолодження, відбуваються швидше, і навпаки.

Багаторазовими експериментами встановлено, що для хорошого самопочуття і здоров’я потрібно, щоб відносна вологість була в межах від 40 % до 60 %. Проте в наших будинках і школах у зимові місяці відносна вологість часто не перевищує 10-20 %. Такі умови викликають швидке випаровування і висихання слизової оболонки носа, горла і легень, що призводить до простудних та інших захворювань органів дихання.

Тому в зимовий час необхідно зволожувати повітря в житлових приміщеннях за допомогою спеціальних пристосувань. Наприклад, за допомогою пористих зволожувачів, укріплених на опалювальних елементах.

Підвищена вологість (вище 70 %) також негативно впливає на організм людини як за високих, так і за низьких температур. За високої температури повітря і підвищеної вологості людина сильно пітніє, але випаровування вологи з поверхні тіла не відбувається, що призводить до перегріву організму і «теплового удару». За низьких температур підвищена вологість повітря, навпаки, призводить до сильного охолодження організму, оскільки у вологому повітрі різко збільшуються втрати енергії шляхом конвекції і теплопровідності.

Вимірявши за допомогою гігрометра точку роси і знаючи температуру повітря, можна за допомогою таблиць визначити відносну вологість. Наприклад, якщо точка роси дорівнює 8 °С, а температура повітря 19 °С, то відносна вологість дорівнює 50 %.

Проте зазвичай відносну вологість визначають іншими приладами - волосяними (мал. 112), плівковими або напівпровідниковими гігрометрами, а також за допомогою психрометрів (мал. 111).

Мал. 111. Психрометр Августа

Мал. 112. Волосяний гігрометр

Психрометр складається з двох термометрів, резервуар одного з яких обмотано батистом, кінець якого опущено в посудину з дистильованою водою (мал. 111). Сухий термометр реєструє температуру повітря, вологий - температуру води, що випаровується. Нагадаємо, що під час випаровування рідини її температура знижується. Очевидно, що сухіше повітря, тобто менша його відносна вологість, то інтенсивніше випаровується вода з вологого батисту, то більше охолоджується обмотаний батистом термометр. Навпаки, якщо повітря містить багато пари і його відносна вологість висока, то випаровування води з батисту відбуватиметься поволі, і він слабко охолоджуватиметься. Отже, різниця показів сухого і вологого термометрів (психрометрична різниця) залежить від відносної вологості повітря. За допомогою спеціальних таблиць (табл. 4) можна легко визначити вологість повітря за психрометричною різницею.

Таблиця 4

Психрометрична таблиця

Покази сухого термометра, °С	Різниця показів сухого та вологого термометрів, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Відносна вологість, %
0 2 4	100 100 100	81 84 85	63 68 70	45 51 56	28 35 42	11 20 28	— — 14	— — —	— — —	— — —	— — —

Продовження таблиці 4

Покази сухого термометра, °С	Різниця показів сухого та вологого термометрів, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Відносна вологість, %
6	100	86	73	60	47	35	23	10	—	—	—
8	100	87	75	63	51	40	28	18	7	—	—
10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	5	—
12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11	—
14	100	89	79	70	60	51	42	34	25	17	9
16	100	90	81	71	62	54	45	37	30	22	15
18	100	91	82	73	65	56	49	41	34	27	20
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31
26	100	92	85	78	71	64	58	51	46	40	34
28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37
ЗО	100	93	86	79	73	67	61	55	50	44	39

На малюнку 112 зображено прилад для вимірювання відносної вологості повітря - волосяний гігрометр. Він складається з таких частин: 1 - знежирена волосина, верхній кінець якої закріплено в регулювальному затискачі, а нижній на блоці 3, що має вісь обертання. На осі встановлено стрілку 2 і противагу 4. При підвищенній вологості волосина видовжується, і стрілка повертається на відповідний кут, фіксуючи значення відносної вологості повітря.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

• Якщо припинився б кругообіг води у природі, за рік з поверхні Світового океану випарувався б шар води товщиною близько 1,1 м.

• Якщо дуже чиста пара не стикається з рідиною, то вдається отримати переохолоджену, або перенасичену, пару. Саме така пара використовується в камері Вільсона для реєстрації заряджених частинок.

• Перший волосяний гігрометр створив у 1783 р. швейцарський геолог Горацій де Соссюр. У своїй статті він довів, що за одних і тих самих температур та тиску вологе повітря легше за сухе.

• У 1880 р. шотландський морський інженер Джон Апткен відкрив, що конденсація водяної пари під час утворення туману, хмар і дощу відбувається на мікроскопічних частинках, таких як морська сіль, дрібний пил тощо. На цьому відкритті ґрунтуються деякі сучасні роботи зі штучного створення дощу.

• Сучасний прилад для визначення кількості водяної пари в повітрі - інфрачервоний гігрометр - здатний працювати в умовах, коли всі інші прилади практично непридатні. Його дія ґрунтується на порівнянні потоків інфрачервоного випромінювання хвиль різної довжини, що проходять через шар повітря. Одна з хвиль поглинається водяною парою, а інша - ні.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО