Kvant. Пары

А так ли хорошо знакомы вам пары? // Квант. — 1990. — № 10. — С. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Если бы на поверхности земного шара царствовала очень высокая температура,
какая, без сомнения, существует внутри него, то все воды океанов были бы
в виде пара в атмосфере и не имелось бы ни одной капли в жидком состоянии.
С. Карно

Живительные дожди и бегущие облака, стелящиеся туманы и изящные снежные кристаллы — за все это отвечают водяные пары. Влагооборот — один из основных погодообразующих факторов, а как мы все зависим от него, нам ежедневно напоминают, метеосводки, сообщающие о влажности воздуха.

Спортсмены и гляциологи, конструкторы паровых котлов и тепловых машин, летчики и моряки, даже хозяйки, развешивающие белье для просушки,— всем так или иначе нужны точные знания о парах или хотя бы результаты измерений и наблюдений над ними. Вот и мы предпримем сейчас несколько попыток разобраться с парами как с объектами физического исследования.

Вопросы и задачи

1. Почему капля воды, попав на раскаленную плиту, начинает на ней прыгать?
2. При каких условиях рост абсолютной влажности воздуха может сопровождаться уменьшением относительной влажности?
3. В какое время суток летом относительная влажность воздуха больше при одной и той же абсолютной влажности?
4. Высокая температура воздуха в пустынных местностях переносится сравнительно легко из-за низкой влажности. Почему жару гораздо труднее переносить при высокой влажности?
5. Отчего вокруг сохраняющихся весной на полях отдельных снежных сугробов запас воды в почве больше, чем вдали от них?
6. На улице целый день моросит холодный осенний дождь. В комнате развешено выстиранное белье. Высохнет ли оно быстрее, если открыть форточку?
7. Можно ли всасывающим водяным насосом поднять кипящую воду?
8. Какими способами ненасыщенный пар можно обратить в насыщенный?
9. Когда возможно повышение плотности вещества с ростом температуры?
10. Жидкость налита в сообщающиеся сосуды разных диаметров. Широкий сосуд закрывают пробкой. Изменится ли распределение уровней жидкости в коленах сосуда?
11. В цилиндре под поршнем находится насыщенный водяной пар без воздуха. Будет ли этот пар «пружинить» при сжатии?
12. Бутылку из пластмассы на 9/10 ее объема заполнили кипятком и закрыли пробкой. Если воду в бутылке встряхнуть, пробка может вылететь. Почему?
13. Отчего осенью после восхода солнца туман над рекой держится дольше, чем над сушей?
14. Осадки начинаются потому, что в облаках более крупные капельки растут за счет более мелких. Как объяснить это явление?

Микроопыт

В двух одинаковых чайниках, поставленных на одинаковые горелки, кипит вода. У одного чайника крышка часто подпрыгивает, а у другого неподвижна. Почему?

Любопытно, что…

...если бы прекратился кругооборот воды в природе, за год с поверхности Мирового океана испарился бы слой воды толщиной около 1,1 метра.

...если очень чистый пар не соприкасается с жидкостью, то удается получить переохлажденный, или пересыщенный, пар — пар, которому давно следовало бы уже стать жидкостью. Именно такой пар используется в камере Вильсона для регистрации заряженных частиц.

...первый волосяной гигрометр был создан в 1783 году швейцарским геологом Горацием де Соссюром. В том же году Соссюр опубликовал статью, в которой доказал, что при одних и тех же температуре и давлении влажный воздух легче сухого.

...в 1880 году шотландский морской инженер Джон Апткен открыл, что конденсация водяного пара при образовании тумана, облаков и дождя происходит на определенных микроскопических частицах, таких, как морская соль, мельчайшие пылинки и т. д. На этом открытии основаны некоторые современные работы по искусственному вызыванию дождя.

...современный прибор для определения количества водяного пара в воздухе — инфракрасный гигрометр,— способный работать в условиях, когда все другие приборы практически непригодны, основан на сравнении потоков инфракрасного излучения двух волн разной длины, проходящих через слой воздуха. Одна из волн поглощается водяным паром, другая — нет.

Что читать в «Кванте» о парах

1. «Газ превращается в жидкость» — 1984, № 11, с. 25;
2. «Приглашение в парную» — 1985, № 8, с. 18;
3. «Наблюдения над туманом» — 1986, № 12, с. 13;
4. Калейдоскоп «Кванта» — 1987, № 3, с. 40;
5. «Кипение жидкостей» — 1987, № 6, с. 39;
6. «Пока чайник не закипел...» — 1987, № 8, с. 9;
7. «Парообразование. Свойства паров» — 1988, № 6, с. 61;
8. «История росинки» — 1988, № 7, с. 24;
9. «Простые опыты с кипятком» — 1988, № 8, с. 48;
10. «Правило фаз Гиббса» — 1989, № 2, с. 23.

Ответы

1. На раскаленной плите вокруг капли образуется оболочка пара, подбрасывающего каплю.
2. При повышении температуры.
3. В то время, когда температура воздуха наинизшая (обычно — около 5 часов утра).
4. При высокой влажности затруднен отвод тепла за счет испарения влаги, поэтому возможен перегрев тела, нарушающий жизнедеятельность организма.
5. Около сугробов температура ниже, относительная влажность воздуха больше, чем вдали от них. В результате испарение влаги уменьшается и даже возможна ее конденсация из воздуха.
6. Давление насыщенного водяного пара на улице гораздо меньше, чем в комнате, так как температура воздуха в комнате выше. При открывании форточки пар начнет быстро выходить наружу, и белье высохнет быстрее.
7. Нельзя, поскольку под поршнем вместо разреженного воздуха будет находиться пар под давлением, равным внешнему атмосферному.
8. Сжатием пара, понижением температуры.
9. В состоянии насыщенного пара, находящегося над жидкостью.
10. Изменится: в узком сосуде повысится. Прекратится отвод пара из широкого колена сосуда, пар над жидкостью в нем станет насыщенным, и его давление превысит давление пара в узком колене.
11. Нет, так как при сжатии пар станет конденсироваться и его давление не будет меняться.
12. При встряхивании увеличивается поверхность испарения, что влечет за собой рост давления пара.
13. Абсолютная влажность воздуха над рекой больше, чем над землей.
14. Пар, ненасыщенный для мелкой капли, будет пересыщенным для крупной. Молекула В (см. рис.), попадающая в жидкость в случае плоской поверхности, останется в области пара в случае выпуклой поверхности.

    

Микроопыт

Крышка неподвижна у того чайника, в котором меньше воды и пар уходит через носик. В другом чайнике воды больше, и пар, накапливаясь под крышкой, при достаточном давлении приподнимает ее, вырываясь наружу.