65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Оказывается, что воздух не может «вместить» в себе сколько угодно водяного пара. У концентрации водяного пара есть определенный предел. Проиллюстрируем это на следующем примере. Возьмем обычную стеклянную банку, заполним ее наполовину водой и закроем герметичной крышкой. Что теперь будет происходить внутри? Налитая вода начнет испаряться в оставшееся воздушное пространство банки. Самые быстрые молекулы будут вылетать из воды и свободно двигаться в воздушной половине банки. Но в процессе своего движения молекулы воды будут сталкиваться друг с другом, с крышкой и со стенками банки, и какие-то из молекул могут случайно вернуться обратно в воду. Так что в банке будут параллельно идти два процесса: испарение и конденсация. Поначалу испаряться будет больше молекул, чем конденсироваться. Однако в какой-то момент эти процессы уравновесят друг друга и количество молекул, вылетающих из воды, будет в среднем равняться количеству молекул, вернувшихся обратно. Такой пар, который находится в состоянии динамического равновесия с водой, называется насыщенным паром. Это и есть максимально возможная концентрация водяных паров в воздухе. Потому что каждая новая порция испарившейся воды сразу же компенсируется такой же порцией сконденсировавшейся. Вот относительно этой величины и измеряют влажность воздуха. К примеру, если говорят, что «влажность воздуха 70 %», то это значит, что «плотность водяного пара в воздухе сейчас составляет 70 % от плотности насыщенного пара».

Теперь становится ясно, как влажность воздуха влияет на процессы испарения. Чем больше влажность, тем меньше «места» в воздухе для испарения новых порций жидкости. И если влажность будет равна 100 %, т. е. пар будет насыщенным, то испарение просто прекратится. Даже при высокой температуре. Поэтому в сухом климате жаркая погода переносится гораздо легче, чем во влажном. Ведь при влажности воздуха, близкой к 100 %, потеть практически бесполезно – пот все равно не испарится, и тело, соответственно, не сможет охладиться.

Тут важно отметить, что плотность насыщенного пара не является постоянной величиной, а зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем больше воды может испариться, тем выше будет плотность насыщенного пара. Поэтому при нагревании воздуха его относительная влажность уменьшается, а при охлаждении – увеличивается, хотя количество воды в нем вообще не меняется. Так, если мы охладим воздух, влажность которого 50 %, от 25 °C до 15 °C, то его влажность станет уже 90 %. При дальнейшем охлаждении влажность будет только повышаться и при температуре 13 °C достигнет 100 %, т. е. пар станет насыщенным.

Но что будет, если насыщенный пар продолжать охлаждать? Не может же влажность быть больше ста процентов? Да, не может. Поэтому лишняя влага из пара начнет конденсироваться. Именно так образуются роса, туман и даже иней. Именно поэтому, когда вы достаете из холодильника ледяную бутылку своего любимого напитка, на ней через некоторое время образуются капельки воды. Воздух в тонком слое вблизи бутылки резко охладился и его влажность стала 100 %, а лишняя влага сконденсировалась на поверхности бутылки.

Этот же механизм объясняет еще одно явление. В холодное время года при включении в домах отопительных приборов влажность сильно падает. Об этом еще говорят, что радиаторы отопления «сушат воздух». Как будто они способны улавливать молекулы воды из воздуха и куда-то их отводить. Это, конечно же, не так[40]. Радиаторы всего лишь нагревают воздух. Но почему же тогда его влажность понижается? Ровно потому, что повышается температура. Как мы уже знаем, для измерения влажности мы сравниваем фактическое количество водяного пара в воздухе с максимально возможным при данной температуре. А поскольку температура в доме значительно выше, чем за окном, то плотность насыщенного пара в доме будет значительно выше плотности насыщенного пара за окном. К примеру, если просто нагреть воздух, влажность которого 90 %, от 0 °C до 20 °C, то его влажность станет равной всего лишь 25 %. При этом количество молекул воды в воздухе не изменилось.

Вопрос 28. Как в термодинамике измеряют хаос и при чем тут энтропия?

В классической термодинамике энтропия представляет собой еще одну характеристику макроскопических систем, наряду с температурой и давлением. Понятие энтропии ввел в 1865 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822–1888) для описания различных тепловых процессов: нагревания, охлаждения, плавления, парообразования и др.