Фізика і астрономія. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

§ 33. Властивості насиченої й ненасиченої пари. Вологість повітря

Властивості насиченої й ненасиченої пари. Ненасичена й насичена пари мають різні властивості. Дослідимо їх.

Розглянемо процес ізотермічного стискання пари. Нехай ненасичена пара міститься в термоізольованій посудині (для підтримки сталої температури) з поршнем. Якщо ми стискатимемо поршнем ненасичену пару, її густина і тиск зростатимуть доти, поки пара не стане насиченою. Подальше зменшення об’єму не може збільшити ні густину, ні тиск насиченої пари, бо надлишок її перетворюватиметься на рідину. Згодом уся пара перетворюється на рідину, і поршень доторкнеться до її поверхні. Тепер уже зменшення об’єму залежатиме від стискання рідини, а оскільки рідини важко стискаються, то зменшення об’єму потребує значного збільшення тиску.

Залежність тиску ненасиченої й насиченої пари від об’єму зображено на малюнку 157. Якщо під поршнем міститься тільки ненасичена пара (точка А), то зменшення її об’єму спричиняє збільшення тиску за ізотермою АВ (іншими словами, ненасичена пара підпорядковується закону Бойля — Маріотта для ідеального газу). У точці В пара стає насиченою.

Мал. 157. Ізотермічний перехід ненасиченої пари в рідину

Подальше ізотермічне стискання пари приводить до того, що вона починає конденсуватись (відрізок ВЕ). Пара в цей час є насиченою, тиск не змінюється. Густина й тиск насиченої пари за незмінної температури є сталими величинами (ділянка ВЕ).

Коли вся пара сконденсується (точка Е), подальше зменшення об’єму спричинить стискання рідини (ділянка EF).

Отже, для ненасиченої пари (як і для ідеального газу) виконується закон Бойля — Маріотта, для насиченої пари цей закон не виконується: тиск і густина насиченої пари не залежать від об’єму.

З’ясуємо, як поводитиме себе насичена й ненасичена пара в ізохорному процесі. Для цього візьмемо герметично закриту посудину (для підтримки сталого об’єму), з’єднану з манометром. У посудині міститься тільки рідина та її пара (інших газів немає). Нагріваючи посудину, фіксуватимемо значення температури й тиску пари. Графічно цю залежність наведено на малюнку 158.

Мал. 158. Залежність тиску пари від температури

Під час нагрівання кількість рідини в закритій посудині зменшується, отже, густина і маса пари в посудині при нагріванні збільшується. Тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок збільшення температури, а й внаслідок збільшення густини пари. Тож залежність тиску насиченої пари від температури (ділянка АВ) не підпорядковується закону Шарля.

Коли вся рідина випарується, пара за дальшого нагрівання стане вже ненасиченою і її тиск за сталого об’єму зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (ділянка ВС).

Робимо висновок: закон Шарля до насиченої пари не застосовний.

Зворотний перехід ненасиченої пари в насичену, а потім — у рідину, як і перехід рідини в насичену й ненасичену пару, може відбуватися двома шляхами — під час зміни об’єму пари та за зміни її температури. Якщо охолоджувати ненасичену пару за сталого тиску, вона стає насиченою, а потім конденсується в рідину (утворення туману, роси).

Як уже зазначалося, під час нагрівання густина насиченої пари зростає, а густина рідини зменшується (мал. 159, с. 199). Тобто зі зростанням температури їх густини зближуються й за деякої температури Т_к (критичної температури) стають однаковими. У цей момент між рідиною та парою зникає межа поділу, пару й рідину не можна розрізнити.

Критична температура — це температура, за якої зникає відмінність фізичних властивостей рідини та її насиченої пари.

Мал. 159. Залежність густини рідини та її пари від температури

За критичної температури густина й тиск насиченої пари стають максимальними, а густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, — мінімальною.

Для кожної речовини існує своє певне значення критичної температури.

Тепер ми можемо дати відповідь на питання, чому одні речовини існують навколо нас і в рідкому, і в газоподібному станах, а інші — тільки в якомусь одному. Особливості газоподібного стану речовини визначаються значеннями температури, яку вона має. Якщо температура газу за атмосферного тиску вища за її критичне значення для цієї речовини, то газ залишається газом, і перетворити його на рідину не можна ні за яких тисків. Парою називають газоподібний стан речовини, для якої звичайні температури виявляються нижчими від критичної температури. Така речовина за звичайних умов може перебувати як у рідкому, так і в газоподібному станах.

Перенасичена пара. Спостереження показують, якщо пара не стискається поряд з рідиною, то пару можна охолодити до температури, нижчої від критичної, але конденсуватись у рідину вона не буде. Така пара називається перенасиченою. Пояснюється це тим, що для конденсації необхідні так звані центри конденсації, які б могли бути зародками краплинок рідини. Центрами конденсації, як правило, є пилинки або йони. Чиста пара конденсується лише після досягнення високого ступеня перенасичення.

Від наявності водяної пари в атмосфері залежить режим випаровування з поверхні суходолу, морів. Перехід водяної пари в рідкий і твердий стани приводить до утворення туманів, хмар, опадів. Виділення теплоти під час конденсації, та замерзання є внутрішнім джерелом енергії руху повітряних мас. Здатність водяної пари поглинати сонячне та інфрачервоне випромінювання Землі впливає на тепловий режим земної поверхні й атмосфери.

Від вмісту водяної пари в атмосфері залежить випаровування води організмом людини, що складається в середньому на 67-68 % з води. За одну добу (залежно від роду занять) з поверхні шкіри й легенів людини випаровується майже 2 кг води. Тривале перебування в теплому й вологому повітрі порушує теплообмін в організмі. Людина стає в’ялою, її працездатність знижується. Саме тому про вміст водяної пари в атмосфері (вологість повітря) щоденно повідомляють у прогнозах погоди.

Важливе значення має вологість для життєдіяльності тваринного та рослинного світу, для процесів сушіння виробів тощо. Контроль і підтримання необхідної вологості дуже важливі також для зберігання книг, творів мистецтва, музичних інструментів, харчових продуктів, овочів, фруктів тощо.

Для підтримання необхідної вологості користуються кондиціонерами, які зволожують чи осушують повітря.

Вологість повітря. Вміст водяної пари в повітрі, тобто його вологість, можна схарактеризувати кількома величинами.

Так, абсолютна вологість повітря дорівнює вмісту водяної пари в грамах в одному кубічному метрі повітря (густина водяної пари). За значенням абсолютної вологості не можна судити про те, наскільки водяна пара в цих умовах близька до насичення. Саме тому ввели величину, яка показує, наскільки водяна пара за певної температури близька до насичення — відносну вологість повітря. Звернімо увагу на те, що атмосферний тиск дорівнює сумі тисків сухого повітря та водяної пари, що є в ньому. Тиск, який чинила б водяна пара, коли б не було інших газів, називають парціальним тиском водяної пари. Тепер дамо визначення.

На основі експериментальних результатів складено таблиці залежності тиску насиченої водяної пари від температури. Якщо знижується температура ненасиченої пари, то її відносна вологість зростатиме без додаткового випаровування води. Знижуючи температуру повітря, можна довести пару, яка в ньому міститься, до стану насичення, що у природі приводить до утворення туману, випадання роси.

Температура, до якої треба ізобарно охолодити повітря певної вологості, щоб водяна пара стала насиченою, називається точкою роси.

Точка роси також є характеристикою вологості повітря, оскільки вона дає змогу визначити парціальний тиск водяної пари й відносну вологість.

Прилади для вимірювання вологості повітря. Вологість повітря вимірюють спеціальними приладами — психрометром, гігрометром тощо.

Гігрометр психрометричний (мал. 160) складається з двох термометрів — сухого та вологого. Резервуар одного з них залишається сухим, він показує температуру повітря. Резервуар другого обмотаний шматком тканини, зануреної у воду. Вода випаровується, і завдяки цьому термометр охолоджується. Що меншою є відносна вологість повітря φ, то інтенсивніше випаровування й тим нижчу температуру показує вологий термометр. За різницею температур термометрів і спеціальною таблицею можна визначити відносну вологість φ повітря. Найсприятливішою для організму людини є відносна вологість від 40 до 60 %.

Мал. 160. Гігрометр психрометричний і його схематичне зображення

Вимірюють вологість також за допомогою волосяного гігрометра, дія якого ґрунтується на властивості волосини людини змінювати свою довжину у вологому повітрі. Зі збільшенням вологості довжина волосини зростає, а зі зменшенням вологості волосина коротшає.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Які властивості мають насичена та ненасичена пари?
• 2. Яку температуру називають критичною?
• 3. Що розуміють під вологістю повітря?
• 4. Відносна вологість повітря 70 %. Що це означає?
• 5. За допомогою яких приладів визначають вологість повітря?
• 6. Які суб’єктивні відчуття вологості повітря в людини?
• 7. Сухий термометр психрометра показує 16 °С, а вологий — 8 °С. Відносна вологість, виміряна волосяним гігрометром, дорівнює 30 %. Чи правильні показання гігрометра?

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Із посудини об’ємом 0,005 м3 відкачали повітря і налили в неї 1 г води. Визначте тиск пари в посудині за температури 20 °С. Який буде тиск пари, якщо: 1) збільшити температуру до 100 °С; 2) посудину сполучити з іншою такого самого об’єму й температури, з якої відкачано повітря?

Задача 2. У кімнаті за температури 20 °С відносна вологість повітря 20 %. Скільки води треба додатково випаровувати для збільшення вологості до 50 %, якщо об’єм кімнати — 40 м³?

ВПРАВА 29

2. У циліндричній посудині під поршнем, площа якого 10 см², міститься вода за температури 20 °С, причому поршень торкається поверхні води. Скільки води випарується, якщо підняти поршень на 15 см?

3. Тиск насиченої пари ефіру за 0 °С дорівнює 24,7 кПа, а за 40 °С — 123 кПа. Порівняйте значення густини пари за цих температур.

4. Визначте відносну вологість повітря в кімнаті за 18 °С, якщо за 10 °С утворюється роса.

5. Відносна вологість у кімнаті за температури 16 °С становить 65 %. Як зміниться відносна вологість після зниження температури повітря на 4 K, якщо парціальний тиск водяної пари залишиться таким самим?

6. Відносна вологість повітря ввечері за 16 °С дорівнює 55 %. Чи випаде роса, якщо вночі температура зменшиться до 8 °С?

7. Для осушення повітря, яке заповнює балон місткістю 10 л, до балону ввели шматок хлориду кальцію, що увібрав 0,13 г води. Якою була відносна вологість повітря в балоні, якщо його температура дорівнює 20 °С?

8. Визначте відносну вологість суміші двох об’ємів повітря: V₁ = 2 м³ з відносною вологістю 30 % та V₂ = 3 м³ з відносною вологістю 40 %. Об’єм суміші дорівнює V = 5 м³. Температуру вважайте сталою.

9. У балоні місткістю 0,01 м³ є сухе повітря за температури 0 °С й тиску р₀ = 10⁵ Па. Чому дорівнюватиме тиск вологого повітря в балоні, якщо в нього налити m = 3 г води й нагріти балон до t₁ = 100 °С?

10. Людина в окулярах заходить з вулиці, де температура повітря t₁ = 5 °С, у теплу кімнату, де температура повітря t₂ = 25 °С. За якої максимальної вологості повітря в кімнаті окуляри людини не запотівають?

11. Узимку в кімнаті температура повітря t₁ = 20 °С за відносної вологості φ₁ = 30 %, а надворі за температури t₂ = -10 °С, відносна вологість повітря φ₂ = 90 %. Визначте кількість водяної пари в 1 м³ повітря в кімнаті та надворі. Яке з них містить більше вологи?