Водяной пар

Среди реальных газов особое место занимает водяной пар. Он получил весьма широкое распространение во многих областях техники и используется в качестве теплоносителя в энергетических установках. Водяной пар обычно используется при таких давлениях и температурах, когда его необходимо рассматривать как реальный газ. Получить водяной пар можно двумя способами: при испарении и кипении воды.

Испарением называется процесс образования пара из воды, происходящий только со свободной поверхности. Этот процесс протекает при любой температуре. При испарении с поверхности воды отрываются молекулы, имеющие наибольшую кинетическую энергию, и вылетают в окружающее пространство. В результате над жидкостью образуется водяной пар. Интенсивность процесса испарения возрастает при повышении температуры.

Кипение – это процесс образования водяного пара во всем объеме жидкости. При нагревании до определенной температуры внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые, соединяясь между собой, вылетают в окружающее пространство. Для того, чтобы пузырек пара мог образоваться и затем расти, необходимо, чтобы процесс парообразования происходил внутри пузырьков, а это возможно только, если кинетическая энергия молекул воды имеет достаточную для этого величину. Так как кинетическая энергия молекул определяется температурой жидкости, следовательно, кипение при данном внешнем давлении может начаться только при вполне определенной температуре. Такая температура называется температурой кипения или температурой насыщения и обозначается t н. Температура кипения при данном давлении остается постоянной, пока вся жидкость не превратиться в пар.

Пар, образующийся над поверхностью кипящей жидкости, называется насыщенным паром. Насыщенный пар может быть сухим или влажным. Сухим насыщенным паром называется такой пар, который, находясь над поверхностью кипящей жидкости, не содержит взвешенных капелек жидкости. Влажным насыщенным паром, или просто влажным паром, называется механическая смесь сухого насыщенного пара и кипящей жидкости. Характеристикой влажного пара является его степень сухости х. Степенью сухости называется доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т.е. отношение массы сухого насыщенного пара во влажном паре к массе влажного пара. Величина 1–х называется степенью влажности или влажностью влажного насыщенного пара, т.е. массовая доля кипящей жидкости во влажном воздухе. Параметрами, полностью определяющими состояние сухого насыщенного пара или кипящей жидкости, являются температура или давление и степень сухости.

Если к сухому насыщенному пару при отсутствии кипящей жидкости подводить тепло при том же давлении, что и давление сухого насыщенного пара, то он будет переходить в перегретый пар. Температура его начнет повышаться. Перегретым паром называется пар, имеющий более высокую температуру при данном давлении, чем сухой насыщенный пар. Температура перегретого пара обозначается буквой t, а разность температур t–t н называют степенью перегрева, или перегревом пара. С ростом перегрева пара его объем будет увеличиваться, будет расти расстояние между молекулами и, следовательно, уменьшаться силы взаимного притяжения, т.е. перегретый пар при высоких степенях перегрева будет приближаться по своим свойствам к идеальному газу. Параметрами, определяющими состояние перегретого пара, будут давление и температура (или удельный объем).

Процесс, обратный парообразованию, т.е. процесс перехода пара в жидкость, называется процессом конденсации.

При слове "пар", я вспоминаю времена, когда ещё учился в начальных классах. Тогда, приходя из школы домой, родители начинали готовить обед, и ставили кастрюлю с водой на газовую плиту. И уже через десять минут, в кастрюльке начинали появляться первые пузырьки. Этот процесс всегда меня завораживал, мне казалось, что я могу смотреть на это вечно. А потом, через некоторое время после появления пузырьков, начинал идти сам пар. Однажды, я спросил маму: "А откуда идут эти белые тучки?" (Так раньше я их называл). На что она мне отвечала: "Это всё происходит из-за нагрева воды". Хотя ответ и не давал полного представления о процессе возникновения пара, на уроках школьной физики я узнал о паре всё, что хотел. Итак...

Что же есть водяной пар

С научной точки зрения, водяной пар - просто одно из трёх физических состояний самой воды . Он, как известно, возникает при нагревании воды. Как и она сама, пар не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Но не все знают, что клубы пара обладают своим давлением, которое зависит от его объёма. А выражается оно в паскалях (в честь небезызвестного учёного).

Водяной пар окружает нас не только, когда мы варим что-нибудь на кухне. Он постоянно содержится в уличном воздухе и атмосфере. И его процент содержания называется "абсолютной влажностью".

Факты о водяном паре и его особенности

Итак, несколько интересных моментов:

• чем выше температура , которая действует на воду, тем быстрее идёт процесс испарения;
• помимо этого, скорость испарения увеличивается с размерами площади поверхности, на которой эта вода находится. Другими словами, если мы начнём нагревать небольшой водный слой на широкой металлической чашке, то испарение пройдет весьма быстро;
• для жизни растений нужна не только жидкая вода, но и газообразная . Объяснить этот факт можно тем, что с листьев любого растения постоянно идут испарения, охлаждающие его. Попробуйте в знойный день потрогать лист дерева – и вы заметите, что он прохладный;
• то же самое касается человека, с нами работает та же система, что и с растениями выше. Испарения охлаждают нашу кожу в жаркий день . Удивительно, но даже при небольших нагрузках, наш организм покидает около двух литров жидкости в час. Что уж тут говорить про усиленные нагрузки и знойные летние деньки?

Вот таким образом можно описать сущность пара и его роль в нашем мире. Надеюсь, вы открыли для себя много интересного!

Какие еще вещества, кроме газов, входят в состав воздуха?

1. Распространение водяного пара в воздухе. После дождя вы все наблюдали, как крыши домов, стволы деревьев и листья намо­кают, везде образуются лужи. После рассеивания туч появляется Солнце, и все вокруг высыхает. Куда исчезает бесследно дождевая вода? Она превращается в водяной пар. Так как он бесцветен, как воздух, то мы его не видим.
В любом воздухе содержится определенное количество воды в виде водяного пара. Частицы воды в виде пара содержатся также в составе воздуха комнаты. Заметить это нетрудно. Зимой обратите внимание на металлические предметы (замок портфеля, коньки и др.), занесенные домой с улицы. Через некоторое время они начинают «потеть». Это значит, что теплый воздух в комнате, соприкаса­ясь с холодным предметом, выделяет капельки воды.
Влага земной поверхности испаряется из почвы, болот, рек, озер, морей и океанов в виде водяного пара в атмосферу. Большое коли­чество воды (86%) испаряется из океанов и морей.
В природе водяной пар находится в непрерывном круговороте. Водяной пар, поднимаясь над океанами и поверхностью суши, попа­дает в атмосферу. Воздушные течения уносят его с собой в другие места. Водяной пар, в свою очередь, охлаждаясь, превращается в об­лака, и в виде осадков он снова возвращается на поверхность Земли.

2. Зависимость водяного пара в воздухе от температуры. Со­держание водяного пара в воздухе зависит от состояния испаряе­мой поверхности и температуры. Над океаном в воздухе водяного пара много, а над сушей - мало. Кроме того, чем выше температу­ра, тем больше содержание водяного пара в воздухе.

Как видно из таблицы, воздух может содержать водяной пар со­ответственно при определенной температуре. Если воздух содержит такое количество водяного пара, какое он при данной температуре может содержать, то его называют насыщенным. Например, для на­сыщения 1м3 воздуха водяным паром при температуре +30°С необ­ходимо 30 г водяного пара. Если количество водяного пара состав­ляет всего 25 г, то воздух будет ненасыщенным, сухим.
При повышении температуры насыщенный воздух становится не­насыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха при темпера­туре 0°С необходимо 5 г водяного пара. Если температура воздуха поднимается до +10°С, то для насыщения воздуха не будет хватать 4 г водяного пара.

3.Абсолютная и относительная влажность. Содержание водяного пара в воздухе определяется абсолютной и относительной влажностью.
Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха (г/м3).
Относительная влажность - отношение количества влаги, имеющейся в 1 м3 воздуха, к тому количеству водяного пара, который насыщает воздух при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах.
Относительная влажность показывает степень насыщения возду­ха водяным паром. Например, 1 м3 воздуха может содержать 1 г водяного пара при температуре -20°С. В воздухе содержится 0,5 г влаги. Тогда относительная влажность равна 50%. При насыщении воздуха водяным паром относительная влажность достигает 100%.

4.Конденсация водяного пара. После насыщения воздуха водя­ным паром, остальное количество пара превращается в капельки воды. Если в 1 м3 воздуха при температуре -10°С вместо 2 г водяно­го пара собралось 3 г, то лишний 1 г пара превращается в капельки воды. Когда понижается температура насыщенного воздуха, он не может удержать такое количество водяного пара. Например, для на­сыщения 1 м3 воздуха при +10°С нужно 9 г водяного пара. Если тем­пература понизится до 0°, то воздух вмещает только 5 г водяного пара, лшшние 4 г превращаются в капельки воды.
При определенных условиях переход водяного пара в жидкое сос­тояние (капельки воды) называют конденсацией (По-латыни конденсацио - сгущение). При температуре 0°С водяной пар перехо­дит в твердое состояние, т.е. превращается в кристаллики льда.

5. Измерение влажности воздуха. Относительная влажность из­меряется с помощью прибора - волосяного гигрометра (по-гречески гигрос - влажный, метр - мера). В этом приборе ис­пользуется свойство волоса человека, удлиняющегося при повыше­нии влажности. Когда влажность уменьшается, волос укорачивает­ся. Волос крепится на стрелку циферблата, при удлинении или уко­рачивании волоса стрелка, двигаясь вдоль циферблата, показывает относительную влажность в процентах (рис. 54).

Рис. 54. Волосяной гигрометр.

Гигрометр так же, как термометр, помещается в метеорологичес­кую будку.
На метеостанциях влажность воздуха определяется на более точ­ных приборах и с помощью специальных таблиц.

1. Почему над экватором содержание водяного пара в воздухе больше, чем в умерен­ном поясе?

2. Что происходит с водяным паром в воздухе с изменением высоты?
3. Температура воздуха +10°С. Абсолютная влажность 6 г/м3. При каких условиях произойдет насыщение воздуха водяным паром? (Решите 2 способами.)
4. Ознакомьтесь со строением гигрометра и измерьте относительную влажность.

5*. Температура воздуха равна +30°С, а абсолютная влажность - 20 г/м3. Вычислите относительную влажность.

Вопрос 1. В каких агрегатных состояниях может находиться вода?

1) Твёрдое – лед, 2) Жидкое – вода, 3) Газообразное – пар.

Вопрос 2. Чем отличаются агрегатные состояния друг от друга?

Агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул.

Вопрос 3. Могут ли выпадать осадки не из облаков?

Нет, так как осадки – это вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на земную поверхность и какие-либо предметы.

Вопрос 4. Почему туман возникает чаще либо рано утром, либо вечером?

Он связан с холодным потоком воздуха, который опускается на теплые поверхности суши или воды.

Вопрос 5. Что такое водяной пар?

Водяной пар - это молекулы воды. То есть водяной пар - это газ.

Вопрос 6. Что такое облако?

Облако - это скопление мелких капель воды или кристалликов льда в атмосфере.

Вопрос 7. Какие существуют виды облаков?

Основными видами облаков являются: слоистые, кучевые, перистые.

Вопрос 8. Перечислите виды атмосферных осадков.

Дождь, ливень, морось, снег, туман, град, роса, иней.

Вопрос 9. Всегда ли осадки выпадают из облаков?

Осадки могут выпадать из воздуха в виде инея, росы при соприкосновении теплого воздуха с холодной поверхностью.

Вопрос 10. Что такое влажность воздуха?

Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли.

Вопрос 11. Как образуется водяной пар?

Водяной пар образуется молекулами воды при её испарении.

Вопрос 12. В чём заключается главная закономерность распределения влаги на поверхности Земли?

Поскольку влажность воздуха зависит от температуры воздуха, то воздух над экватором и над океанами всегда более влажный, чем воздух над полюсами и материками.

Вопрос 13. Почему при прочих равных условиях тёплый воздух содержит больше водяного пара, чем холодный?

Потому что при повышении температуры, процесс испарение ускоряется.

Вопрос 14. В чём заключается суть процесса возникновения тумана?

Туман образуется при конденсации. Под утро поверхность Земли сильно охлаждается. Остывает и воздух над ней. При остывании воздух, как и другие вещества, сжимается. Молекулам водяного пара становится тесно, они сближаются всё сильнее и сильнее. Наконец они начинают сталкиваться друг с другом и образуют мельчайшие капельки. Они так малы, что каждую в отдельности мы не можем видеть, но вместе они образуют туман.

Вопрос 15. При каких условиях в природе происходит конденсация водяного пара?

Конденсация - это превращение водяного пара в капельное (жидкое) состояние. Конденсация происходит при охлаждении воздуха.

Вопрос 16. Чем отличается облако от тучи?

Количество воды в тучах превосходит количество воды в облаках, вследствие чего избыток влаги выпадает в виде различных осадков: дождя, снега или града.

Вопрос 17. Составьте схему классификации осадков на основе текста параграфа.

Вопрос 18. Используя данные, приведённые в таблице, рассчитайте годовое количество осадков.

Количество осадков за год: 10+15+ 20+25+15+10+5+5+15+20+25 +20=185 мм.

Ты, конечно, замечал, если выйти из речки и не обтираться полотенцем, то через некоторое время твоя кожа станет сухой.

Это говорит о том, что вода с поверхности твоего тела испарилась. Процесс испарения представляет собой переход жидкого состояния воды в парообразное. Ты можешь наблюдать это явление в природе повсеместно.

Испарение постоянно происходит с поверхностного слоя морей и океанов, влажных предметов (например, когда ты протираешь школьную доску мокрой тряпкой).

Для всех живых существ и растений тоже свойственен процесс испарения. Благодаря этому явлению живые организмы способны регулировать температуру своего тела. Ты, наверняка, замечал, что вода с поверхности тела испаряется быстрее, если на улице ветрено или ярко светит солнышко.

Действительно, при повышении температуры и наличии ветра испарение происходит интенсивней, поэтому летом лужи высыхают быстрее, чем осенью. Зимой этот процесс и вовсе замедляется, но не останавливается. Даже мокрое белье, вывешенное на улицу и покрытое коркой льда, все равно станет сухим. Процесс испарения даже при таких условиях все равно продолжается. При температуре +100°С жидкое состояние воды благодаря кипению переходит в парообразное. В этот момент наблюдается самый активный процесс испарения.

Образовавшийся пар с поверхности земли начинает подниматься. Ты ведь знаешь, что теплый воздух гораздо легче холодного, поэтому он и начинает подниматься, устремляясь ввысь. Но с увеличением высоты температура воздуха резко начинает снижаться, и водяной охлаждается, образуя мелкие капельки воды. Так возникают облака, которые ты можешь каждый день наблюдать на небе. В их состав могут входить многочисленные капельки воды. Это водяные облака. В некоторых из них могут присутствовать мелкие кристаллы. Такие облака называют ледяными. А если в составе наблюдаются и капельки воды и кристаллы, то они являются смешанными. Ледяные облака образуются на самых больших высотах.

Процесс образования капель воды из пара является обратным процессу испарения, он получил название - конденсация (от латинского - "сгущение"). В природе этот процесс ты можешь наблюдать при выпадении росы и возникновении туманов.

Явление конденсации активно применяют и в фармакологии. Таким образом очищают воду, которая используется при лабораторных исследованиях и в изготовлении лекарств. Процесс состоит из трех этапов: воду преобразуют в пар, пар вновь переходит в жидкое состояние, а образовавшиеся капли собирают путем стекания (дистилляцией). Получилась дистиллированная вода. Но она не является абсолютно чистой, потому что к ней примешиваются частицы атмосферного воздуха. Почти аналогичный состав наблюдается у очищенной снеговой или дождевой воды.

СОВМЕСТИТЕ ПОЛЕЗНОЕ С ПРИЯТНЫМ!

Откуда берётся вода?

Цель

Познакомить с процессом конденсации.

Материалы

• ёмкость с горячей водой
• зеркало.

Я подержала охлажденное зеркало над паром. Я рассмотрела капельки воды, которые появились на нём. Откуда взялась эта вода?

Это пар осел на зеркале и охладился, превратившись в воду. Тоже повторили, но с тёплым зеркалом - капель воды очень мало.

Почему?

Процесс превращения пара в воду происходит при охлаждении пара.

Куда исчезает вода?

Цель

Выявить процесс испарения воды, зависимость скорости испарения от условий (температура воздуха, наличие ветра).

Материалы

• Три одинаковые ёмкости с одинаковым количеством воды.

Нужно налить одинаковое количество воды в ёмкости, сделать отметку уровня и поместить в разные условия: на батарею, около окна и в прохладное место (тумба).

Теперь наблюдаем за процессом испарения воды, фиксируют в дневнике наблюдений .

Почему?

Вода быстрее испаряется в тепле (у батареи), потом около окна (ветер - сквозняк), в последнюю очередь в тумбе (там прохладно, нет сквозняка).

Водяной пар, превращается в водяные капли?

Понадобится:

• .Чайник
• .Горелка
• .Вода
• .Металлическая кружка
• Несколько куликов льда и ледяная вода

Технологический процесс:

1. Наполните чайник водой.
2. Дайте воде вскипеть.
3. Положите несколько кубиков льда и ледяную воду в металлическую кружку.
4. Когда чайник закипит, сделайте так, чтобы поток пара был направлен на металлическую кружку.

Каков результат?

Водяные капли появляются на внешней поверхности металлической кружки.

Почему?

Водяной пар превращается в капли воды при соприкосновении с холодной поверхностью. Этот процесс, во время которого вода меняет свое газообразное состояние на жидкое, называется "конденсацией". Из-за того что металлическая кружка намного холоднее, чем кипящая вода в чайнике, поток пара, выходящий из него, превращался в капли воды, как только касался поверхности кружки.