Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

148. Невидимый пар

На этот вопрос очень хочется ответить: «Конечно! Я видел его тысячу раз!» Струйки пара над чашкой горячего чая, струя пара из носика кипящего чайника, пар после дождя на сохнущем горячем асфальте… Однако в действительности водяной пар невидим – он совершенно прозрачен. Все перечисленное выше – это сконденсировавшийся водяной пар, то есть туман. Это уже не вода в газообразном состоянии, а вода в жидком состоянии в виде мелких капелек, висящих в воздухе.

149. Чем наполнены пузыри?

Частый и неправильный ответ на этот вопрос – «пузыри наполнены воздухом». Вы наверняка видели, как бурлят пузырьки воздуха в аквариуме над трубочкой компрессора. Возможно, вы развлекались в детстве, набирая в грудь воздух, ныряя и выпуская воздух под водой. Подобный опыт вынуждает нас думать, что пузыри под водой – это воздух, но в действительности любой газ под водой будет выглядеть как пузыри. Кипение воды похоже на бурление воздуха, выпущенного под водой, но это внешнее сходство. В воде, конечно, сеть некоторое количество растворенных газов из воздуха, но их мало, чтобы вызвать бурление при кипении, так что кипение не имеет отношения к этим газам. Кипение – это процесс интенсивного испарения воды, когда пар образуется во всей ее толще. Всплывающие при кипении пузырьки наполнены водяным паром.

150. Кипение под крышкой

Вода с поверхности испаряется, причем это происходит тем интенсивнее, чем выше температура воды. Объяснить это просто: испарение – это «убегание» молекул воды, которые оказались близко к поверхности и при столкновении с другими молекулами получили достаточно энергии, чтобы разорвать межмолекулярные связи. Поскольку «убегают» самые быстрые молекулы, испарение мешает жидкости нагреваться (или, немного другими словами, часть тепловой энергии, которую плита передает воде, тратится не на нагрев основной массы воды, а на снабжение испаряющихся молекул энергией, достаточной для «убегания»). С ростом температуры воды быстрых молекул становится больше, так что испарение ускоряется.

Закрыв кастрюлю крышкой, мы препятствуем испарению и тем самым ускоряем нагрев. Каждая хозяйка знает, что под крышкой вода закипает быстрее.

151. Прачечные тонкости

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.