ФІЗИКА. Вчимося розв'язувати задачі. "МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА". Компенсаційний курс

 При зміні температури тіла змінюється й співвідношення між кінетичною енергією теплового руху молекул та їхньою енергією зв'язку. Тому залежно від температури та тиску кожна речовина може перебувати в твердому, рідкому чи газоподібному стані й переходити з одного в інший, зокрема, з рідкого в газоподібний. При цьому рідина, що перейшла в газоподібний стан, називається парою, а сам такий перехід  – пароутворенням. Існує два види пароутворення – випаровування та кипіння. (Примітка. Деякі речовини можуть переходити з твердого в газоподібний стан, проминаючи рідкий. Цей процес називається сублімацію й тут не розглядається).

Випаровування відбувається з вільної поверхні рідини і є зумовлене тим, що в рідинах енергія зв'язку молекул не дуже перевищує середню енергію теплового руху. Через це в рідині при всякій температурі є певна кількість молекул, які здатні долати зв'язок з іншими й виходити назовні, утворюючи пару. При цьому, через віднесення енергії "гарячими" молекулами, рідина охолоджується. Зазвичай це охолодження не є сильним, бо указана втрата енергії значною мірою компенсується через теплообмін із довкіллям.  Але за відсутності такого, як от при інтенсивному відкачуванні теплоізольованої колби з водою, охолодження може виявитися настільки сильним, що рідина замерзне – перейде в твердий стан.

Якщо посудину з рідиною щільно закрити, то разом із випаровування буде відбуватися й конденсація – повернення частини молекул пари в рідину. При цьому кількість молекул, які випаровуються, є пропорційна їхній концентрації в рідині, а тих, які конденсуються, – в парі. Тому в закритій посудині кількість молекул, які покидають рідину, спочатку суттєво перевищує кількість тих, що повертаються, і з часом зростає. У такому разі пара називається ненасиченою і, як свідчить дослід,

ненасичена пара задовольняє рівняння Клапейрона (1.13), і всі процеси в ній відбуваються, як в ідеальному газі.

При невеликій кількості рідини в посудині пароутворення буде переважати конденсацію аж до випаровування всієї рідини, причому пара весь час лишатиметься ненасиченою. Але якщо рідини в посудині багато, то в якийсь момент кількості молекул, які вилітають і повертаються, зрівнюються, і між парою та рідиною встановлюється динамічна рівновага.

Пара, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою.

 При цьому

параметри насиченої пари теж задовольняють рівняння Клапейрона, але процеси в ній суттєво відрізняються від таких в ідеальному газі.

Причиною є те, що насичена пара існує тільки разом зі своєю рідиною і перебуває в динамічній рівновазі з нею. Тож при будь-якій зміні параметрів стану відповідно змінюється й кількість пари в посудині. Через це

тиск насиченої пари при сталій температурі (T = const) не залежить від об'єму: P = const (рис. 3.2а).

Це є зумовлено тим, що при зміні об'єму пари динамічна рівновага між нею та рідиною зміщується в бік відновлення концентрації молекул пари, тож і тиску. Тиск почне залежати від об'єму лише після повного випаровування рідини. Тому

для насиченої пари закон Бойля-Маріотта (1.16) не виконується.

Так само, хоча параметри пари лишаються пов'язані рівнянням Клапейрона (рівняння (1.13), (1.13а)),  

для насиченої пари не виконуються й закони Гей-Люссака (1.17) та Шарля (1.19),

як показано на рис. 3.2 б,в. Цей позірний парадокс має просте пояснення: в закритій посудині неможливо змінювати стан насиченої пари без зміни її кількості ν, тобто  проводити ізопроцеси, для яких за означенням ν = const.

Окрім випаровування, є ще один вид пароутворення в рідинах – кипіння, коли пара утворюється, головно, в об'ємі, а не на поверхні рідини. При кипінні на стінках посудини та в об'ємі рідини виникають бульбашки з насиченою парою, що спливаючи на поверхню, лускають і випускають у посудину велику кількість пари.

Існування бульбашок у рідині можливе лише за умови, що тиск пари в них є не менший, ніж тиск з боку рідини. Отже кипіння починається тоді, коли тиск насиченої пари зрівняється із зовнішнім тиском на вільну поверхню рідини, котрий у відкритій посудині збігається із атмосферним тиском. І позаяк тиск насиченої пари при заданій температурі залежить від природи рідини,

кожна рідина при заданому тиску має свою температуру кипіння.

 Зокрема, температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску (760 мм.рт.ст.) є однією з "реперних точок" шкали Цельсія і прийнята рівною 100 °С.

При збільшені тиску  температура кипіння рідини зростає, а при зменшенні зменшується, як схематично показано на рис. 3.3.

Більшу частину поверхні Землі покривають океани, моря та інші водойми. Тому в атмосфері присутня значна кількість водяної пари, що істотно впливає на клімат та умови життя в різних географічних зонах. Вміст водяної пари в повітрі характеризують його вологістю. Розрізняють абсолютну та відносну вологості.  У фізиці

абсолютною вологістю називають масу водяної пари в одиниці об'єму повітря, виражену в (г/м³).

Інакше кажучи, мірою абсолютної вологості є густина \( \rho \) водяної пари у повітрі.Натомість у метеорології

абсолютною вологістю іменують парціальний тиск Р водяної пари в повітрі, виміряний в мм.рт.ст., який ще називають пружністю пари.

Варто відмітити, що в інтервалі (0 ÷ 30)°С числові значення Р(мм.рт.ст.) ≈ \(\rho\) (г/м³): відміна складає всього  (1 ÷  5)%).

Суб'єктивне відчуття сухості та вологості повітря визначається не власне вмістом водяної пари, а тим, наскільки вона є далекою чи близькою до насичення. Тож, окрім абсолютної,  використовують ще й

відносну вологість повітря – відношення абсолютної вологості до густини (або парціального тиску) насиченої водяної пари при тій самій температурі:

Тиск насиченої пари спадає при зменшенні температури. Тому зниження температури повітря при незмінній абсолютній вологості призводить до збільшення відносної вологості, й може статися, що за певної температури T_р вона досягне 100%, тобто пара стане насиченою. При цьому почнеться конденсація пари в повітрі та на поверхні предметів. Візуально це проявляється як туман, або випадіння роси.Тож

температуру T_р, при якій водяна пара, що міститься у повітрі, стає насиченою, називають точкою роси.

Примітка. Величина T_р залежить від вмісту пари у повітрі. При малій абсолютній вологості може статися що T_р < 273 К (0 °С). В такому разі при досягненні температури T = T_р випадає не роса, а іній.