Водяной пар в атмосфере физика кратко

Обновлено: 17.05.2024

Вспомните, что такое пар и каковы его основные свойства.
Можно ли считать воздух газом?
Применимы ли законы идеального газа для воздуха?

Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы — это одушевлённая вода. В атмосфере находится около 13—15 тыс. км3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.

Водяной пар в атмосфере.

Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озёр и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, наоборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Содержание водяного пара в воздухе, т. е. его влажность, можно характеризовать несколькими величинами.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью.

Абсолютная влажность выражается, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м 3 ).

Парциальное давление водяного пара.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нём тела.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара.

Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Так как воздух представляет собой смесь газов, то атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений всех компонент сухого воздуха (кислорода, азота, углекислого газа и т. д.) и водяного пара.

Относительная влажность.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность.

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р_{н. п} насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 %.

При понижении температуры парциальное давление паров воды в воздухе может стать равным давлению насыщенного пара. Пар начинает конденсироваться, и выпадает роса.

Температура, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы.

По точке росы можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометр.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов. Мы расскажем об одном из них — психрометре.

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 11.4). Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идёт испарение и температура, показываемая термометром, окружённым влажной тканью, ближе к температуре, показываемой сухим термометром.

При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.

Значение влажности.

От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для поддержания температуры тела постоянной. В космических кораблях поддерживается наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха (40—60%).

Как вы думаете, при каких условиях выпадает роса? Почему перед дождливым днём вечером на траве нет росы?

Очень важно знать влажность в метеорологии — в связи с предсказанием погоды. Хотя относительное количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико (около 1 %), роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. И наоборот, испарение воды сопровождается поглощением теплоты.

В ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определённая влажность.

Очень важно соблюдение режима влажности на производстве при изготовлении электронных схем и приборов, в нанотехнологии.

Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. При большой влажности холсты на стенах могут провиснуть, что приведёт к повреждению красочного слоя. Поэтому в музеях на стенах вы можете видеть психрометры.

Основы термодинамики. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Если открытый стакан с водой оставить на долгое время, то в конце концов вода полностью улетучится. Точнее — испарится. Что такое испарение и почему оно происходит?

Испарение и конденсация

При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости большинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой температуры). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней как в меньшую, так и большую сторону.

Рис. 1. Распределение молекул по скоростям

Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т.е. на границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.

Итак, испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости (при особых условиях превращение жидкости в пар может происходить по всему объёму жидкости. Данный процесс вам хорошо известен — это кипение).

Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость.

Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара — процесс, обратный испарению жидкости.

Динамическое равновесие

А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.

Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.

Давление и плотность насыщенного пара обозначаются и . Очевидно, и — это максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Иными словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность ненасыщенного пара.

Свойства насыщенного пара

Оказывается, что состояние насыщенного пара (а ненасыщенного — тем более) можно приближённо описывать уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева — Клапейрона). В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и его плотностью:

Это весьма удивительный факт, подтверждаемый экспериментом. Ведь по своим свойствам насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Перечислим важнейшие из этих отличий.

1. При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.

Если, например, насыщенный пар изотермически сжимать, то его плотность в первый момент возрастёт, скорость конденсации превысит скорость испарения, и часть пара конденсируется в жидкость — до тех пор, пока вновь не наступит динамическое равновесие, в котором плотность пара вернётся к своему прежнему значению.

Аналогично, при изотермическом расширении насыщенного пара его плотность в первый момент уменьшится (пар станет ненасыщенным), скорость испарения превысит скорость конденсации, и жидкость будет дополнительно испаряться до тех пор, пока опять не установится динамическое равновесие — т.е. пока пар снова не станет насыщенным с прежним значением плотности.

2. Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.

Это следует из того, что плотность насыщенного пара не зависит от объёма, а давление однозначно связано с плотностью уравнением (1) .

Как видим, закон Бойля — Мариотта, справедливый для идеальных газов, для насыщенного пара не выполняется. Это и не удивительно — ведь он получен из уравнения Менделеева — Клапейрона в предположении, что масса газа остаётся постоянной.

3. При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.

Действительно, при увеличении температуры возрастает скорость испарения жидкости.

Динамическое равновесие в первый момент нарушается, и происходит дополнительное испарение некоторой части жидкости. Пара будет прибавляться до тех пор, пока динамическое равновесие вновь не восстановится.

Точно так же при понижении температуры скорость испарения жидкости становится меньше, и часть пара конденсируется до тех пор, пока не восстановится динамическое равновесие — но уже с меньшим количеством пара.

Таким образом, при изохорном нагревании или охлаждении насыщенного пара его масса меняется, поэтому закон Шарля в данном случае не работает. Зависимость давления насыщенного пара от температуры уже не будет линейной функцией.

4. Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.

В самом деле, с увеличением температуры возрастает плотность насыщенного пара, а согласно уравнению (1) давление пропорционально произведению плотности на температуру.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры является экспоненциальной (рис. 2 ). Она представлена участком 1–2 графика. Эту зависимость нельзя вывести из законов идеального газа.

Рис. 2. Зависимость давления пара от температуры

В точке 2 вся жидкость испаряется; при дальнейшем повышении температуры пар становится ненасыщенным, и его давление растёт линейно по закону Шарля (участок 2–3).

Вспомним, что линейный рост давления идеального газа вызван увеличением интенсивности ударов молекул о стенки сосуда. В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают бить не только сильнее, но и чаще — ведь пара становится больше. Одновременным действием этих двух факторов и вызван экспоненциальный рост давления насыщенного пара.

Влажность воздуха

Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным.Чем больше пара находится в воздухе, тем выше влажность воздуха.

Абсолютная влажность — это парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе (т. е. давление, которое водяной пар оказывал бы сам по себе, в отсутствие других газов). Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило, это отношение выражают в процентах:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона (1) следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей. Так как само уравнение (1) , напомним, описывает насыщенный пар лишь приближённо, мы имеем приближённое соотношение:

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности.

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в 1 м 3 воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара ρ, выраженная в г/м 3 .

Относительная влажность воздуха φ — это отношение абсолютной влажности воздуха ρ к плотности ρ₀ насыщенного пара при той же температуре. Относительную влажность выражают в процентах:

Концентрация пара связана с давлением (p₀ = nkT), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления p пара в воздухе к давлению p₀ насыщенного пара при той же температуре:

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Интересные факты о воде

Водяной пар важен для жизни человека и всего живого на Земле. Он участвует в мировом круговороте воды в природе.
Солнце нагревает поверхность Земли, вода превращается в водяной пар и поднимается вверх. Там воздух охлаждается и пар снова становится водой. В виде осадков он снова попадает на Землю, питая реки и Мировой океан.
Водяной пар регулирует тепло на поверхности нашей планеты, определяет какая установится температура в определённой местности, образуются ли облака, выпадет дождь и роса.
В данной статье мы подробно рассмотрим: уникальные свойства водяного пара, его давление, температуру и интересные факты.

Что такое водяной пар

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии, которая сохраняет свои свойства, но приобретает также свойства газа. Его количество определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажность воздуха. Это одно из агрегатных состояний воды.

Рассмотрим основные виды пара.

Сухой насыщенный, не содержит капелек воды.
Влажный насыщенный, состоит из мельчайших капелек воды.
Перегретый (сухой ненасыщенный), образуется при дальнейшем нагреве влажного пара, выше температуры насыщения. Обладает более высокой температурой и более низкой плотностью.

Какой цвет: белый или прозрачный

Многие люди задаются вопросом: водяной пар белый или прозрачный? Можно его увидеть?

В повседневной жизни при кипении воды в чайнике мы часто видим белый дымок, который вырывается из носика. Некоторые люди считают его паром. На самом деле – это туман (результат конденсации водяного пара).

Настоящий пар невидим глазу, он прозрачный, безвкусный. Не имеет постоянной формы, запаха.

Основное содержание наблюдается в нижних слоях атмосферы (тропосфера). Пар может переходить в жидкое состояние. Данное явление мы часто наблюдаем в повседневной жизни, когда оконные стекла в комнате запотевают. Это значит, что водяной пар в тёплом воздухе комнаты коснулся холодного стекла, сгустился и превратился в мельчайшие капельки воды. Явление называют конденсацией.

Водяной пар принимает непосредственное участие в круговороте воды в природе. С его помощью образуются: облака, тучи, туман. Наибольшее скопление наблюдается в тропосфере.

В настоящий момент пар часто используют для бытовых нужд и производства. Среди наиболее известных устройств с его применением можно отнести:

утюги;
паровозы;
пароходы;
паровые котлы;
с его помощью вращают турбины генераторов на электростанции, тушат пожары.

Парциальное давление

Атмосферный воздух состоит из водяного пара и смеси различных газов. Давление, которое производил бы только водяной пар, при исключении всех других элементов называют парциальным давлением (упругостью).

Формула для расчета. Закон парциальных давлений газов (Закон Дальтона)

Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, входящих в нее газов.

Где p1, p2, p3+pn – парциальное давления, производимое каждым газом, входящим в состав смеси.

Значение выражается в мбар или мм. ртутного столба. Отвечает за влажность воздуха, атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба.

При снижении атмосферного давления повышается влажность воздуха, возможны осадки и повышение температуры воздуха.

Атмосферное давление важный показатель, который напрямую влияет на влажность воздуха, состояние людей (метеозависимых), температуру кипения.

Например, в горах при подъеме над поверхностью Земли, температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление. На Эльбрусе, самой высокой вершине Европы (5642), вода закипит при 80,8 °С.

Температура

Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара содержится в нем.

В 1 м 3 воздуха при температуре +20 °С может содержаться 17 грамм

При Температуре -20 °С – только 1 грамм.

Масса водяного пара

Массу можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона.

р — давление насыщенного водяного пара;

М — молярная масса пара;

R — газовая постоянная;

Т — температура пара.

Как образуется водяной пар

Образуется двумя способами, в результате испарения и кипения. Рассмотрим более подробно каждый из них.

Испарение. Пар поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений. В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а десублимация – снега;
Кипение. Пар образуется по всему объему жидкости.

Испарение происходит при любой температуре, кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то, несмотря на продолжающийся подвод тепла, температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар.

Давление и плотность насыщенных паров воды при различных температурах

Для наглядности предоставлена изображение с таблицей № 1.

В таблице указаны базовые значения.

Если имеется больше данных, расчеты можно сделать точно с помощью физических формул и измерений.

Ответы на распространенные вопросы

Какой воздух содержит больше всего водяного пара

Самое большое количество содержит воздух, который сформировался над Черным морем, так как температура в этих широтах намного выше

Можно ли увидеть водяной пар

Настоящий пар прозрачен и невидим.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.

Если листок бумаги смочить в одном месте эфиром, а в другом водой, то мы заметим, что эфир испарится значительно быстрее, чем вода.

Заключение

Водяной пар невидим, не имеет вкуса, постоянной формы, цвета и запаха. На поверхности нашей планеты он выполняет важную функцию терморегуляции. От него зависит, какой будет климат, выпадет дождь и роса.

Пар непосредственный участник круговорота воды в природе. Он испаряется с поверхности океанов, рек, болот, почвы, растений и поступает в воздух, образовывая облака, тучи и лед. С помощью конденсации он снова превращается в воду.