Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Высыхание – это испарение воды. Количество водяного пара, которое может содержать один кубический метр воздуха, ограничено. Если по каким-то причинам количество пара в воздухе оказывается выше этого предела, избыток конденсируется и превращается в воду. Предельное количество «помещающейся» в воздухе в виде пара воды зависит от температуры: чем выше температура, тем больше предел. Относительная влажность воздуха – это характеристика, которая показывает, насколько близко мы находимся к предельному количеству воды в воздухе при данной температуре. Чем ниже относительная влажность, тем охотнее испаряется вода. При стопроцентной относительной влажности испарение прекращается. Это не значит, что быстрые молекулы воды перестают уходить с водной поверхности в воздух, – нет, это по-прежнему происходит, однако из воздуха на поверхность оседает в среднем такое же количество молекул воды, и эти два процесса – испарение и конденсация – полностью компенсируют друг друга.

В закрытом помещении испаряющаяся с мокрого белья вода насыщает воздух водяными парами – и процесс испарения замедляется. На открытом пространстве насыщения воздуха парами воды не происходит. Разумеется, если на улице такая погода, что относительная влажность воздуха достигла 100 %, белье перестанет сохнуть и там.

152. Еще о прачечных тонкостях

В задаче 151 мы подробно говорили о том, что скорость высыхания зависит от того, насколько концентрация водяных паров в воздухе близка к максимальной. В дождливую погоду относительная влажность воздуха высока – в том числе и в помещениях, так что испарение воды замедляется, а значит, и белье начинает сохнуть медленнее.

153. Душно – это к грозе!

В задаче 151 мы уже говорили, что количество водяных паров, содержащихся в воздухе, имеет верхний предел. Перед грозой влажность воздуха достигает этого предела, поэтому испарение воды почти прекращается. А именно процесс испарения воды помогает нам поддерживать температуру своего тела в комфортных пределах в жаркую погоду: мы потеем, пот испаряется с поверхности кожи и охлаждает ее. Выходит, что перед грозой наша «система охлаждения» работает плохо из-за высокой влажности, а при этом температура окружающего воздуха высокая. Это и создает ощущение «духоты и маеты».

Любопытно, что мы интуитивно меняем местами причину и следствие: нам кажется, что душно из-за грозы, но в действительности это, скорее, гроза происходит из-за того, что душно. Теплая и влажная масса воздуха – одно из важных условий для образования грозовых облаков.

154. И снова о прачечных тонкостях

Мы интуитивно считаем, что белье лучше всего сохнет в жаркую погоду («чем ближе к температуре кипения, тем лучше испаряется вода»), однако это очень сильное упрощение. Испарение и конденсация происходят всегда: быстрые молекулы покидают поверхность воды и уносятся в толщу воздуха, но другие молекулы воды из воздуха «совершают посадку». Интенсивность испарения зависит от того, сколько паров воды может «поместиться» в воздухе. Когда воздух насыщен парами воды, конденсируется столько же, сколько испаряется, и белье сохнет плохо. Такое может случиться и в жаркий день – например, в предгрозовую погоду, когда воздух очень влажный.

Однако в задаче речь идет не о воде. Испаряется ли лед? Да, испаряется: помимо часто встречающихся нам фазовых переходов «испарение – конденсация» (переход между жидким и газообразным агрегатными состояниями) и «плавление – затвердевание (кристаллизация)» (переход между твердым и жидким состояниями) есть третья пара – «возгонка (сублимация) – осаждение (десублимация)», представляющие собой непосредственный переход между твердым и газообразным состояниями. Вы можете обратить внимание, что количество выпавшего снега становится меньше, даже если держится морозная погода, но долго нет снегопадов – это сублимация, или испарение льда. Примером десублимации может служить выпадение инея.

Влажность воздуха в зимнее время обычно очень низкая, так что мокрое белье, конечно, на морозе быстро заледенеет, но лед будет хорошо испаряться – белье высохнет!

155. Бутылка на морозе

Вода с падением температуры ниже нуля замерзает – переходит в твердое агрегатное состояние, то есть становится льдом. Почти все вещества уменьшаются в объеме и при охлаждении, и при переходе из жидкого состояния в твердое. Вода – удивительное исключение: примерно до +4 °C при нормальном давлении она следует общему правилу, но ниже этой температуры меняет свое поведение на противоположное – начинает увеличиваться в объеме, а при замерзании резко прирастает в объеме примерно на 1/10. Это объясняет, почему айсберги плавают, а не тонут. Благодаря этому свойству достаточно глубокие водоемы не промерзают насквозь, сверху донизу, а покрываются ледяной коркой, под которой продолжается жизнь в воде. Именно этот прирост объема на 10 % разрывает стеклянную посуду с замерзшей в ней водой.