Свойства насыщенного пара

Насыщенные и ненасыщенные пары

При испарении жидкости в закрытом сосуде через некоторое время количество жидкости перестает уменьшаться, хотя молекулы продолжают переходить в пар. В этом случае наряду с процессом парообразования происходит процесс превращения пара в жидкость – конденсация. Это означает, что жидкость и ее пар находятся в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. В состоянии динамического равновесия скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. С этого момента количество жидкости и ее пара не меняется. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. Температура, при которой исчезают физические различия между жидкостью и ее паром, называется критической ​Tкр.​. При температуре, равной критической температуре Tкр. для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T≥Tкр. исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Свойства насыщенного пара

Давление насыщенного пара данной жидкости при постоянной температуре – постоянная величина, и она не зависит от объема пространства над испаряющейся жидкостью. Значит, при постоянной температуре плотность насыщенного пара постоянна.

• Давление и плотность насыщенных паров у различных жидкостей при одной и той же температуре различны. У летучих жидкостей они больше.
• Давление насыщенных паров – наибольшее возможное давление паров данной жидкости при данной температуре.
• Наличие других газов над испаряющейся жидкостью не влияет на давление и плотность насыщенного пара данной жидкости, а только замедляет процесс испарения.
• Давление насыщенного пара ​pнас.​ данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара.

Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара pнас. данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар ​(T<Tкр.)​, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объема на дне сосуда образуется жидкость и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. С уменьшением объема все большая часть пара конденсируется, а его давление остается неизменным. Когда весь пар превращается в жидкость, давление резко возрастает при дальнейшем уменьшении объема вследствие малой сжимаемости жидкости.

Давление насыщенного пара не зависит от объема при данной температуре. Если объем изменяется, то конденсация будет преобладать над испарением или наоборот, пока не установится динамическое равновесие.

Давление ​pнас.​ насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры ​T​. Зависимость pнас.(T) нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.

На рисунке показана зависимость давления насыщенного пара от температуры. На участке АВ (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается за счет роста температуры и, соответственно, скорости частиц. На участке ВС (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается как за счет роста температуры, так и за счет увеличения концентрации молекул пара. Участок СD (в сосуде только пар) соответствует состоянию, когда давление растет за счет увеличения скоростей молекул пара.

Зависимость между массой, объемом, давлением и температурой для насыщенного пара не такая, как для идеального газа, так как если пар в каком-либо процессе остается насыщенным, то его масса меняется. При изотермическом сжатии насыщенный пар частично конденсируется, так что его давление остается постоянным. При изохорном охлаждении насыщенный пар частично конденсируется, его давление уменьшается и становится равным давлению насыщенного пара при более низкой температуре.

Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов ограничениях: давление пара должно быть не слишком велико (практически ​p​ ≤ (10⁶–10⁷) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа.

Влажность воздуха

Влажность воздуха – физическая величина, характеризующая содержание водяного пара в воздухе. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность – физическая величина, равная массе водяных паров, содержащихся в 1 м³ воздуха при данных условиях. Обычно ее вычисляют не в единицах СИ, а в г/м³. В метеорологии абсолютную влажность оценивают по давлению водяного пара, выраженному в миллиметрах ртутного столба.

Относительной влажностью называют отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, которое необходимо для насыщения 1 м³ воздуха при данной температуре.

Обозначение – ​φ​, единица измерения – %.

Относительная влажность показывает, насколько водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к насыщению. Формула для вычисления относительной влажности:

где ​pпар​ –парциальное давление водяного пара воздуха при данной температуре, pнас – давление насыщенного пара при той же температуре.

От относительной влажности зависит интенсивность испарения и потеря влаги живыми организмами. Комфортной для человека является влажность 40–60%.

Точкой росы называется температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

Для измерения влажности используют:

• психрометр, основанный на зависимости влажности от скорости испарения воды;
• гигрометр, основанный на использовании температуры выпадения росы при охлаждении воздуха (определение точки росы);
• волосяной гигрометр, основанный на удлинении волоса при изменении влажности;
• электронный измеритель влажности, основанный на изменении сопротивления полупроводника при изменении влажности.

Психрометр состоит из двух термометров – сухого, который показывает температуру воздуха, и влажного, резервуар которого обмотан влажной тканью. По психрометрической таблице выбирают строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствующий значению разности температур сухого и влажного термометров. На пересечении строки и столбца – значение относительной влажности воздуха.

Гигрометр дает определение влажности по точке росы. Определив точку росы и зная температуру воздуха, по таблице зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры вычисляют абсолютную влажность воздуха.