Испарение, конденсация и влажность

Футболка высыхает даже в прохладной комнате, а на холодном стакане появляются капли. Как молекулы воды уходят в воздух без кипения и почему иногда возвращаются обратно?

У поверхности жидкости молекулы движутся с разными скоростями. Некоторым хватает энергии, чтобы преодолеть притяжение соседей и уйти в газ. Поэтому испарение идёт с поверхности при любой обычной температуре существования жидкости: кипение для этого не нужно. Представь одинаковые порции в узком стакане и широком блюдце. У блюдца больше площадь, откуда молекулы могут уйти, поэтому при прочих равных вода обычно исчезает быстрее.

Почему мокрая кожа может ощущаться холодной? Покидающие жидкость молекулы в среднем уносят больше энергии, чем оставшиеся; запас внутренней энергии жидкости уменьшается. Если эту убыль не восполняет окружение, жидкость охлаждается. Однако испарение возможно и при постоянной температуре: тогда энергия поступает, например, от воздуха или нагревателя. Поэтому отсутствие охлаждения не доказывает, что испарение остановилось.

Три изменения помогают высушить ткань: нагреть её, расправить и обдувать. При нагреве больше молекул может покинуть жидкость; расправленная ткань имеет большую открытую поверхность. Поток воздуха уносит пар от этой поверхности и уменьшает число возвращающихся молекул. Проверяя одно влияние, остальные надо сохранить. Сам по себе ветер не делает воду горячее: он меняет обмен паром между поверхностью и окружающим воздухом.

Молекулы пара тоже непрерывно движутся и иногда возвращаются в жидкость. Обратный переход из газа в жидкость называется конденсацией. Закроем сосуд с водой при постоянной температуре: пара становится больше, а значит, чаще происходят возвращения. Если жидкости достаточно и часть её остаётся, устанавливаются равные средние скорости испарения и конденсации. Такой пар называют насыщенным. Если вся вода исчезла раньше, насыщение может не наступить.

При насыщении количество жидкости и пара в среднем постоянно, но отдельные молекулы всё время пересекают границу в обе стороны. Это динамическое равновесие, а не остановка движения. Плотность насыщенного пара ρнас задаётся температурой; для воды она растёт при нагревании. Поэтому после повышения температуры прежнего количества пара обычно недостаточно для насыщения, и при наличии жидкости некоторое её количество дополнительно испарится.

Две комнаты могут содержать одинаковую массу водяного пара на кубический метр, но иметь разную близость к насыщению, если температуры различаются. Плотность пара ρ — его масса в единице объёма воздуха, в кг/м³ или г/м³. Чтобы оценить возможность дальнейшего испарения и конденсации, сравнивают ρ с плотностью насыщенного пара ρнас при той же температуре. Это сравнение и задаёт относительную влажность.

Если фактическая плотность составляет половину насыщенной, влажность равна половине, то есть 50%. В общем виде φ = ρ/ρнас; для процентов умножаем отношение на 100%. Единицы плотностей должны совпадать и сокращаться. При неизменной температуре удвоение ρ удваивает φ, пока не достигнуто насыщение. При ρ = 0 влажность нулевая, при ρ = ρнас — 100%. Последнее означает насыщенный пар, а не то, что весь воздух состоит из воды.

Охладим воздух в закрытом жёстком сосуде, пока капель ещё нет. Масса пара и объём сохраняются, значит, ρ прежняя, а ρнас уменьшается. Отношение φ растёт и достигает единицы. Это температура начала конденсации в данном опыте при постоянном объёме. Обычную точку росы определяют при охлаждении воздуха с постоянными давлением и содержанием водяного пара. При дальнейшем охлаждении часть пара может стать каплями. Так объясняется вода на холодном стакане: она пришла из окружающего воздуха, а не просочилась сквозь стекло.

В психрометре один термометр сухой, другой смочен водой. Во влажном воздухе испарение с мокрой поверхности слабее охлаждает термометр; в сухом — сильнее. По двум показаниям и таблице для условий работы прибора находят влажность. При насыщении оба показания практически совпадают, если термометры правильно установлены. Важны и температура сухого термометра, и разность показаний: одна разность без условий не даёт универсального процента.

Плотность пара 8 г/м³, насыщенного при той же температуре — 20 г/м³. Найдите влажность.

Сравниваем пар с насыщенным при той же температуре. Обе плотности даны в г/м³, поэтому перевод единиц в отношении не нужен.

φ = 8/20 = 0,4; это доля насыщенной плотности. Умножаем на 100% и получаем 40%.

До насыщения при сохранении температуры ещё далеко: фактическая плотность составляет четыре десятых от 20 г/м³. При охлаждении тот же пар мог бы иметь другую относительную влажность.

Относительная влажность 40%: при данной температуре плотность пара составляет 40% насыщенной, а не 40% массы всего воздуха.

Испарение и конденсация идут одновременно; видимый результат определяется разностью потоков молекул.

Насыщение — равенство средних скоростей двух процессов при наличии жидкой фазы.

Влажность зависит и от количества пара, и от температуры; охлаждение может довести воздух до точки росы.

При кипении пар образуется и внутри жидкости. Узнаем, как этому помогает давление.