Испарение, кипение и влажность воздуха: простыми словами и с расчётами

Испарение - это превращение жидкости в пар с её поверхности, которое идёт при любой температуре. Кипение - это интенсивное превращение жидкости в пар по всему её объёму, которое идёт при определённой температуре, называемой температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления: при нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C, а в горах, где давление ниже, закипает при меньшей температуре. Белое облачко над чайником пар не показывает: водяной пар прозрачен, а облачко состоит из мелких капелек воды, которые образовались при охлаждении пара в воздухе.

Скорость испарения зависит от четырёх обстоятельств.

• Род жидкости. Спирт испаряется быстрее воды: молекулы спирта слабее удерживаются в жидкости.
• Температура. Чем она выше, тем больше быстрых молекул, способных покинуть жидкость.
• Площадь поверхности. Одна и та же вода быстрее испарится из широкой тарелки, чем из узкого стакана.
• Удаление пара. Ветер уносит молекулы пара, и меньше молекул возвращается в жидкость. В сухом воздухе испарение идёт быстрее, чем во влажном.

Именно поэтому мокрое бельё, расправленное и повешенное на тёплом ветру, высыхает быстрее всего. А охлаждение при испарении объясняется так: жидкость покидают самые быстрые молекулы, средняя энергия оставшихся уменьшается, и жидкость остывает. Поэтому в жару выходишь из воды и чувствуешь прохладу, особенно на ветру.

Конденсация - это превращение пара в жидкость, при нём энергия выделяется. Насыщенный пар - это пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью: за одно и то же время из жидкости вылетает столько же молекул, сколько в неё возвращается. Испарение при этом не прекращается, просто плотность пара перестаёт расти.

Плотность насыщенного пара зависит от температуры: чем выше температура, тем больше плотность насыщенного пара. Если воздух охлаждать, то при некоторой температуре имеющийся в нём пар станет насыщенным. Эта температура называется точкой росы. При дальнейшем охлаждении лишний пар конденсируется.

Так возникает роса: ночью воздух у земли остывает ниже точки росы, и пар оседает каплями на траве. По той же причине запотевает холодный стакан, принесённый в тёплую комнату: пар из воздуха конденсируется на его стенках, а не просачивается сквозь стекло.

Абсолютная влажность - это плотность водяного пара в воздухе, измеряется в г/м³. Относительная влажность φ показывает, какую долю составляет эта плотность ρ от плотности насыщенного пара ρ_нас при той же температуре:

φ = ρ / ρ_нас × 100 %

Относительная влажность 100 % значит, что пар насыщенный: это как раз случай точки росы. Если нагреть воздух, не добавляя пара, влажность упадёт, потому что ρ_нас вырастет, а ρ не изменится. Измеряют влажность психрометром: чем суше воздух, тем сильнее влажный термометр отстаёт от сухого.

Удельная теплота парообразования L показывает, сколько энергии нужно, чтобы превратить 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Для воды L = 2,3×10⁶ Дж/кг, для спирта 0,9×10⁶ Дж/кг. Энергия на парообразование жидкости массой m равна

Q = Lm

При конденсации пара той же массы выделяется такая же энергия. Решай по порядку:

1. Выпиши данные и переведи их в основные единицы: граммы в килограммы, минуты в секунды.
2. Реши, какие процессы идут: нагрев по формуле Q = cmΔt, парообразование по формуле Q = Lm или оба.
3. Посчитай энергию каждого процесса отдельно и сложи.
4. Проверь порядок числа и единицы ответа.

Другие ловушки такие. Масса в граммах без перевода в килограммы даёт ответ, завышенный в 1000 раз. Нельзя забывать про нагрев до температуры кипения, если вода сначала холодная (как в задаче 4). Ещё одна ошибка - думать, что при усилении огня кипящая вода станет горячее 100 °C: она просто быстрее выкипит.

Полезный пример на смысл величины L: почему ожог паром опаснее ожога кипятком? Возьмём по 10 г пара и кипятка при 100 °C, которые остывают до 40 °C. Кипяток отдаёт 4200 × 0,01 × 60 = 2520 Дж. Пар сначала конденсируется и отдаёт 2,3×10⁶ × 0,01 = 23 000 Дж, а потом остывает ещё на 2520 Дж, всего 25 520 Дж, то есть примерно в 10 раз больше.

Когда разберёшься с этими случаями, закрепи тему в тесте про испарение и кипение, а потом потренируйся на задачах в кабинете VortexLearn. Если сомневаешься в расчёте нагрева, загляни в разбор задач на количество теплоты, а про плавление льда читай в тесте о плавлении и кристаллизации.