А
Важную роль играют в атмосферных процессах фазовые переходы водяной пар—вода (испарение воды и конденсация пара) и водяной пар—лед (сублимация льда и конденсация пара в твердое состояние). Первопричиной этих фазовых переходов являются нарушения равновесия в системах водяной пар—вода и водяной пар—лед.
В природных условиях можем встретить систему водяной пар—вода, наблюдая, например, поверхность воды пруда или глядя на туман или облако. Обе системы схематично представлены на рис. Здесь условно выделен некоторый объем; внутри него одна часть оксида водорода находится в жидком состоянии, т. е. в виде воды (она заштрихована), а другая часть пребывает в газообразном состоянии, т. е. в виде водяного пара (она не заштрихована).
В случае, показанном на рис., а имеем дело с водяным паром в воздухе над плоской поверхностью воды; в случае, изображенном на рис., б — капли воды, взвешенные в воздухе, содержащем некоторое количество водяного пара. Конечно, кроме пара, в воздухе есть азот, кислород и ряд других газов, но в данной ситуации их можно не принимать во внимание. Их следовало бы учитывать (точнее говоря, следовало бы учитывать атмосферное давление), если бы в переходе вода —> пар участвовал процесс кипения воды. а б Рис.
Итак, отправимся мысленно на берег пруда. В отсутствие ветра водная гладь кажется совершенно спокойной. Но в
действительности перед нами совершается великое множество микрособытий, недоступных нашему взору. Наиболее быстрые молекулы Н20, преодолев притяжение со стороны других молекул, вылетают из водной массы и образуют пар над поверхностью воды. Это и есть испарение воды. Молекулы водяного пара сталкиваются с молекулами воздуха, и часть молекул Н20 возвращается обратно в жидкость. Это конденсация пара.
При данной температуре устанавливается своеобразное равновесие в системе пар—вода, когда число молекул Н20, покидающих за единицу времени жидкость, равно в среднем числу молекул Н20, возвращающихся за то же время обратно. Такое равновесие называют динамическим.
При наличии динамического равновесия процессы испарения и конденсации оказываются взаимно скомпенсированными. Водяной пар, находящийся в этом случае над поверхностью воды, называют насыщенным паром.
Можно сказать, что насыщенный пар — это пар, который находится в динамическом равновесии с водой, над которой он образовался.
При данной температуре насыщенный пар имеет определенное парциальное давление, иначе говоря, определенную упругость. Ее называют упругостью насыщенного пара или, проще, упругостью насыщения. Этим термином мы будем широко пользоваться; поэтому еще раз отметим: упругость насыщения есть парциальное давление насыщенного пара.
Если по какой-то причине упругость пара станет меньше упругости насыщения (например, если вдоль поверхности воды подует сухой ветер), то равновесие в системе пар—вода нарушится. Процесс испарения начнет преобладать над процессом конденсации. В результате упругость пара начнет расти. Это будет продолжаться, пока снова не установится динамическое равновесие между испарением и конденсацией; иначе говоря, пока пар снова не станет насыщенным.
Если упругость пара станет больше упругости насыщения (например, если над водой подует влажный ветер), то начнет преобладать процесс конденсации над процессом испарения. Упругость пара начнет уменьшаться пока не установится динамическое равновесие и пар не станет насыщенным.
Водяной пар, упругость которого меньше упругости насыщения при данной температуре, называют ненасыщенным или перегретым.
Пар, упругость которого больше упругости насыщения при данной температуре, называют
пересыщенным.
Упругость насыщения монотонно возрастает с увеличением температуры. Причем возрастает не линейно, как того требует закон Шарля, а существенно быстрее, поскольку у насыщенного пара с ростом температуры возрастает не только кинетическая энергия молекул, но и их концентрация (за счет испарения).
Как мы уже выяснили, такие фазовые переходы, как испарение и конденсация, происходят при нарушении равновесия в системе водяной пар—вода, т. е. когда водяной пар отклоняется от состояния насыщения в соответствующую сторону.
Испарение происходит, когда пар становится ненасыщенным (перегретым), а конденсация — когда он становится пересыщенным. В равновесной системе пар—вода упругость пара равна упругости насыщения при данной температуре.
Легко сообразить, что существуют две принципиальные возможности нарушения равновесия в этой системе.
- Первая предполагает изменение упругости пара при неизменной упругости насыщения, т. е. при неизменной температуре. Если при этом упругость пара стала ниже упругости насыщения, возникает некомпенсированное испарение, а если упругость пара стала выше упругости насыщения, наступает нескомпенсированная конденсация.
- Вторая принципиальная возможность предполагает изменение температуры системы и, следовательно, упругости насыщения при неизменной упругости пара. Если при этом температура повысилась (а значит, упругость насыщения стала больше упругости пара), возникает нескомпенсированное испарение, а если температура понизилась
(упругость насыщения стала меньше упругости пара) — нескомпенсированная конденсация.
Разумеется, возможен и смешанный вариант — когда и упругость пара, и упругость насыщения изменяются. Если они изменяются одинаковым образом, равновесие системы пар—вода сохраняется. Оно нарушается, когда упругость пара и упругость насыщения изменяются различным образом (особенно если одна растет, а другая уменьшается). Испарение можно резко усилить, если одновременно понижать упругость пара (например, с помощью сухого ветра над водной поверхностью) и увеличивать упругость насыщения, повышая температуру. Конденсацию можно особенно усилить, если одновременно повышать упругость пара (например, с помощью влажного ветра над водой) и уменьшать упругость насыщения, понижая температуру. Понятно, что такие же соображения можно привести, рассматривая возможности нарушения равновесия в системе пар—лед.