§ 45. 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 213. 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. 213. Ізотермічний перехід ненасиченої пари в рідину

Подальше ізотермічне стискання пари веде 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 ЕF).

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 214.

Мал. 214. Залежність тиску пари від температури

Під час нагрівання кількість рідини в закритій посудині зменшується, отже, густина і маса пари в посудині у результаті 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 подальшого 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. 215). Тобто зі зростанням температури їх густини зближаються 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.

Мал. 215. Залежність густини рідини та її пари від температури

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

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.

Водяна пара в повітрі. З поверхні водойм, вологого ґрунту, листя рослин, легенів і шкіри людини і тварин в атмосферу Землі випаровується величезна кількість водяної пари (10 14 т/рік) і майже 1/4 цієї води випадає у вигляді опадів на суходолі. Саме тому атмосферне повітря завжди вологе, тобто містить воду. Атмосферне повітря є сумішшю різних газів (N₂ = 78 %, O₂ = 21 %, інертних газів, водяної пари). Хоча водяної пари в атмосфері мало, порівняно з іншими складовими, її значення для життєдіяльності всього живого — надзвичайне.

Від наявності водяної пари в атмосфері залежить режим випаровування з поверхні суходолу, морів. Перехід водяної пари в рідкий і твердий стани ведуть до утворення туманів, хмар, опадів. Виділення теплоти конденсації, 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 книжок, творів мистецтва, музичних інструментів, харчових продуктів, овочів, фруктів тощо.

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

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.

Відносна вологість повітря — це фізична величина, що показує, наскільки водяна пара, що є в повітрі, близька до насичення, і вона вимірюється відношенням парціального тиску водяної пари р, що міститься в повітрі за певної температури, до тиску р_н насиченої пари (за тієї самої температури), вираженого у відсотках,

Оскільки, згідно з газовими законами, тиск прямо пропорційний концентрації молекул, отже і густині р, можна записати

де ρ — густина ненасиченої пари (абсолютна вологість), ρ_н — густина насиченої водяної пари.

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. 216) 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. 216. 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 м 3 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 посудиною такого самого об’єму й температури, з якої відкачано повітря?

Задача 2. У кімнаті за температури 20 °С відносна вологість повітря становить 20 %. Скільки води треба додатково випаровувати для збільшення вологості до 50 %, якщо об’єм кімнати — 40 м 3 ?

ВПРАВА 37

1. Густина водяної пари за 25 °С дорівнює 23 г/м 3 . Насичена ця пара чи ненасичена?

2. У циліндричній посудині під поршнем, площа якого 10 см 2 , 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 К, 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 балона 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 м 3 з відносною вологістю 30 % та V₂ = 3 м 3 з відносною вологістю 40 %. Об’єм суміші дорівнює V = 5 м 3 . Температуру вважайте сталою.

9. У балоні місткістю 0,01 м 3 є сухе повітря за температури 0 °С і тиску р₀ = 10 5 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 м 3 повітря в кімнаті та надворі. Яке з них містить більше вологи?

§ 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 м 3 повітря за даної температури. Іншими словами, абсолютна вологість – це парціальний тиск водяної пари, наявної в повітрі за даної температури (або густина водяної пари):

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 м 3 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).

Тиск і густина насиченої водяної пари

t, °С

p, Па

ρ, г/м 3

t, °С

p, Па

ρ, г/м 3

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

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.

Психрометрична таблиця

Покази сухого термометра, °С

Різниця показів сухого та вологого термометрів, °С