Влажность воздуха
Вопрос:
У меня вызывает
трудности тема «Влажность воздуха»
По определению,
относительной влажностью называется отношение парциального давления ненасыщенного
водяного пара (во влажном воздухе) к парциальному давлению насыщенного водяного
пара при той же температуре.
Однако определение «Ненасыщенный
пар – это пар, не находящийся в тепловом (или динамическом? Так сказано в
других учебниках.) равновесии с
жидкостью» сразу вызывает у меня вопрос: о какой жидкости идет речь, если во
влажном воздухе пар находится в контакте не с жидкостью, а с воздухом? И почему
его, пара, парциальное давление не может быть больше парциального давления
насыщенного пара?
Определение «Насыщенный
пар – это пар, находящийся в тепловом равновесии с жидкостью при данной
температуре» тоже вызывает вопросы: 1)а если жидкости поблизости нет? 2)почему
только при данной температуре? А давление разве на равновесие не влияет?
Определение «Точка
росы – это температура, при которой ненасыщенный пар становится насыщенным
в результате изохорного охлаждения» тоже вызывает недоумение: а почему именно
изохорного охлаждения? А почему не изобарного?
Ответ:
Все ваши вопросы
пропадут, если вы подойдете к проблеме
с другой стороны.
Скажите мне,
пожалуйста, какова температура кипения воды? Скажете, издеваюсь? Это все знают
– 100 градусов Цельсия.
А вот в книге Я.
Перельмана «Занимательная физика» рассказано, что оказывается, когда альпинисты
поднимаются в горы (а там атмосферное давление снижается, чем больше высота),
они обнаруживают, что вода начинает кипеть при меньшей температуре.
Соответственно, когда они спускаются с гор (увеличивается атмосферное
давление), температура кипения воды повышается. В целом получается такой график
зависимости температуры кипения от давления:
Рис.1.Зависимость
температуры кипения от давления атмосферы.
Если этот график
инвертировать (поменять местами переменные), то получится зависимость давления
насыщенного пара от температуры, поскольку при кипении давление пара
сравнивается с атмосферным (давлением воздуха).
Рис.2. Зависимость
давления насыщенного пара от температуры.
Такой график еще
называют фазовой диаграммой вещества, в данном случае воды. Состояние воды
отображается
на ней точкой. Если точка находится под кривой, то вода является паром, если
над кривой, то жидкостью. Соответственно переход через линию разграничения фаз
снизу вверх соответствует процессу конденсации, а наоборот – кипению. А что
можно сказать о состоянии воды, если оно отображается точкой на кривой (раздела
фаз)? В этом состоянии обе фазы воды, жидкость и пар, находятся в равновесии,
вода является как бы одновременно и жидкостью и паром. Это и есть состояние
насыщенного пара. Соответственно все точки под кривой отображают состояние
ненасыщенного пара.
Обратимся теперь к
рисунку 3.
Рис.3. Процессы
перевода пара из ненасыщенного в насыщенное состояние.
Из него становится
ясно, что процессов перевода пара из ненасыщенного в насыщенное состояние, оказывается,
существует множество. В самом деле, этого можно добиться не только изохорным
охлаждением (процесс 1, прямая изохорного процесса проходит через начало
координат, так как при этом, в соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона
давление изменяется прямо пропорционально температуре), но и изобарным
охлаждением (процесс 2), и изотермическим сжатием (процесс 4), а также
процессами, которые не имеют названия (процессы 3 и 5), в которых изменяются и
давление, и температура, и объем (то есть никакие не «изо»). Соответственно
обратными процессами пар переводится из насыщенного состояния в ненасыщенное.
Таким образом, все
пять точек окончания процессов (B1,
B2, B3, B4
и B5) фактически являются
точками росы, поскольку в них происходит конденсация водяного пара. Однако по
определению точке росы соответствует только состояние B1.
Что же касается
понятия относительной влажности, то в нем сравнивается давление ненасыщенного
пара с давлением насыщенного пара при той же
температуре, чему на рис.3 соответствует
точка B4 и изотермический процесс 4. Так что здесь
важно постараться запомнить
И еще несколько
интересных деталей, связанных с понятием относительной влажности. Точке А на
рис.3 соответствует относительная влажность 0,25. Понятно, что если мы, не изменяя
температуры, будем увеличивать давление (процесс 4) (например, спускаться с
гор), то относительная влажность повышается. Но она будет также повышаться, если мы, не
изменяя давления, станем понижать температуру (процесс 2)! И вообще, к
повышению относительной влажности будет приводить любой процесс, приближающий к
кривой раздела фаз.