Пароутворення і вологість

Є два способи переходу рідини у газоподібний стан: випаровування і кипіння.

Випаровування - це пароутворення з поверхні рідини.

Швидкість випаровування залежить від:

• виду рідини (у різних рідин різна сила притяжіння між молекулами)
• її температури (чим вища температура рідини, тим швидше випаровування)
• площі поверхні (чим більше площа поверхні рідини, тим більша кількість молекул одночасно відлітають в повітря)
• руху повітря понад поверхнею рідини (під час вітру випаровування рідини відбувається швидше)

Одночасно з переходим молекул рідини в пару відбувається і зворотній процес. Частина молекул пари над поверхнею рідини знову повертаються в рідину. У закритій посудині кількість молекул, які випаровуються з рідини, поступово стає рівною кількості молекул пари, які повертаються в рідину, це явище називається динамічною рівновагою між парою і рідиною.
Пара, яка перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою.
Якщо ж в просторі може відбуватись подальше випаровування рідини, то пара цієї рідини називається ненасиченою.
Випаровуватись можуть не лише рідни, а й тверді тіла. Підтвердженням випаровування твердих тіл є запахи.

Під час випаровування, рідину полишають самі швидкі молекули, тому середня швидкість решти молекул стає меншою.
Тобто внутрішня енергія рідини під час випаровування зменшується, рідина охолоджується. Щоб випаровування рідини відбувались без зниження її температури, рідину необхідно підігрівати.

Явище перетворення пари на рідину називається конденсацією.

Конденсація пари супроводжується виділенням енергії.

Кипіння -  це пароутворення, яке відбувається у всьому об'ємі рідини.
Водяна пара абсолютно прозора, а те, що ми можемо побачити - це дрібні краплинки води, як утворюються, коли пара змішуються з холодним повітрям і конденсується.

Процес кипіння:

1. Під час нагрівання води у відкритій посудині спершу можна помітити випаровування з поверхні води.
2. З подальшим збільшенням температури у воді з'являється багато дрібних бульбашок. Вони поступово збільшуються в розмірах. Це бульбашки повітря, яке було розчинене у воді і вивільняється під час нагрівання, а також водяної пари, яка випаровується в середину цих бульбашок.
3. Коли бульбашки піднімаються і потрапляють у верхні, більш холодні шари води, вони зменшується в розмірах і пара, яка знаходилась в них - конденсується. 
4. За рахунок сили тяжіння бульбашки опускаються нижче, в більш гарячу воду, нагріваються і знову починають підніматися до поверхні. Саме цей рух бульбашок і зміни їх у розмірі супроводжуються характерним шумом - передвісником закипання води.
5. Поступово вся вода підігрівається і бульбашки перестають зменшуватися в розмірах, шум стишується і замість нього з'являється булькання. Вода закипає.

Кипіння - це інтенсивний перехід рідини в пару, який відбувається з утворенням бульбашок пари у всьому об'ємі рідини, при певній температурі. Кипіння від початку до кінця відбувається за постійної, визначеної температури.

Тому, наприклад, після того як вода закипіла, можна стишити вогонь, вода продовуватиме кипіти.

Температуру, при якій рідина кипить, називають температурою кипіння. Під час кипіння вона не змінюється.

Під час кипіння, тиск насиченої пари всередині бульбашок перевищує зовнішній тиск.

Якщо зовнішній тиск збільшується, то збільшується і температура кипіння. Зі збільшенням висоти над рівнем моря, тиск зменшується, отже і температура кипіння зменшується. 

Тобто в горах вода може закипати при температурі 90°С, але в ній неможливо буде, наприклад, зварити яйце, бо білок згортається при 100°С.

Вологість - це вміст водяної пари в атмосфері.
Абсолютна вологість повітря ρ - це вміст (г) водяної пари в 1 м³ повітря.
Щоб показати наскільки вміст водяної пари в повітрі близький до стану насиченої пари, запровадили поняття відносної вологості.
Відносна вологість повітря φ - це відношення абсолютної вологості до густини насиченої пари при тій самій температурі, виражена у відсотках.

φ = ρ/ρ₀ · 100 %,

де ρ - абсолютна вологість повітря, г/м³
     ρ₀ - густина насиченої пари, г/м³

Температура, при якій пара, що знаходиться у повітрі, стає насиченою, називається точкою роси.
Для визначення вологості повітря існують прилади гігрометр та психрометр. Визначення вологості повітря необхідне в метеорології для передбачення погоди, для підтримання необхідного режиму вирощування рослин, створення умов для безпечної роботи різноманітних приладів, а також дотримання умов зберігання витворів мистецтва і книг. Комфортна для людини вологість повітря в приміщенні -  40...60%.

Кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини масою 1 кг на пару без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення.
Під час конденсації, пара віддає таку саму кількість енергії, яка пішла на її утворення.

Кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, при температурі кипіння:

Q = L · m,

де L - питома теплота пароутворення, Дж/кг
     m - маса рідини, кг.

ДЗ:

1. Яку кількість енергії необхідно передати воді, об'ємом 5 л, з температурою 0°С, щоб довести її до кипіння і повністю випарувати.
2. Яку кількість теплоти виділить вода, масою 2 кг під час охолодження від 100°С до 0 °С? Яку кількість енергії виділить 2 кг водяної пари з температурою 100°С під час охолодження до 0 °С?

Валентина Мержиєвська