Плотность насыщенного пара

Прочитайте текст и выполните задания.

Туманы

Текст 1

Всё – словно в полусне. Над серою водою
Сползает с гор туман, холодный и густой,
Под ним гудит прибой, зловеще расстилаясь,
А темных голых скал прибрежная стена,
В дымящийся туман погружена,
Лениво курится, во мгле небес теряясь.

И. А. Бунин
отрывок из стихотворения «Сумерки»

В наше время туманами интересуются не только поэты и художники. Пожалуй, особенно сильно туманы волнуют сегодня диспетчеров аэропортов, работников морских и речных портов, лётчиков, капитанов кораблей, водителей автомашин и, конечно же, огромную армию метеорологов, синоптиков. «Внимание! Видимость на дорогах до 1 км», – предупреждает нас по радио служба погоды. Это значит, что ожидается слабый туман. При умеренном тумане видимость уменьшается до сотен метров, а при сильном – до нескольких десятков метров. И тогда временно закрываются аэродромы, встают на якорь суда, включаются сирены маяков.

Когда и где образуется туман? Все знают, что туман часто образуется в низинах, оврагах, болотистых местах, где воздух достаточно влажный. Возникает он и над поверхностью воды (морские, озёрные, речные туманы). Туман может образоваться утром, но может появиться и вечером – после захода солнца.

Текст 2

Туман под микроскопом

При температурах, не опускающихся ниже –20°С, туман состоит в основном из мелких капелек воды, а при более низких температурах из мелких ледяных кристалликов. Капельки тумана имеют диаметр примерно от 0,5 мкм [1] до 100 мкм. В обычном тумане диаметр водяных капелек в основном порядка 10 мкм. Если в тумане преобладают очень мелкие капельки (диаметр менее 1 мкм), то такой туман называют дымкой. Если же капли тумана относительно велики (диаметр порядка 100 мкм), то это так называемая морось. Количество капелек в 1 см3 тумана примерно от 100 до 1000.

Общая масса всех водяных капелек в единице объема тумана называется водностью тумана; эта величина измеряется в единицах плотности. Водность тумана обычно не превышает 0,1 г/м3. В особо плотных туманах она может достигать 1 г/м3.

Текст 3

Насыщенный водяной пар

При данной температуре над поверхностью воды устанавливается своеобразное равновесие (его называют динамическим), когда число молекул воды, покидающих за единицу времени жидкость, в среднем равно числу молекул воды, возвращающихся за то же время обратно. Можно сказать, что процессы испарения и конденсации взаимно компенсируются. Водяной пар, находящийся в этом случае над поверхностью воды, называют насыщенным.

Если температура вдруг повысится, пар станет ненасыщенным: процесс испарения начнёт преобладать над процессом конденсации, в результате давление пара начнёт расти. Если, напротив, температура вдруг понизится, пар станет перенасыщенным – теперь уже конденсация начнёт преобладать над испарением. В результате давление пара будет понижаться.

Давление насыщенного пара зависит от температуры: оно возрастает с увеличением температуры и падает с её уменьшением. Часто вместо давления пара рассматривают его плотность. Ясно, что плотность насыщенного пара растёт с увеличением температуры и падает с её уменьшением. На рисунке 1 приведён график зависимости плотности насыщенного пара от температуры.

Рис. 1

Текст 4

Возникновение тумана есть явление выпадения росы. Существенно, однако, что выпадение росы происходит в данном случае не на поверхности земли или воды, не на поверхностях листьев или травинок, а в объёме воздуха. При определённых условиях водяные пары, находящиеся в воздухе, частично конденсируются, в результате чего и возникают водяные капельки тумана. Сразу же отметим, что лишь очень небольшая часть (примерно 1%) массы водяных паров превращается в воду, содержащуюся в капельках тумана.

При каких условиях возникает туман? Таких условий два. Во-первых, необходимо, чтобы в воздухе содержалось достаточно большое число так называемых ядер конденсации – центров, на которых происходит конденсация пара. Наряду с отдельными молекулами воздуха или пара, а также со случайно образующимися скоплениями молекул, роль ядер конденсации играют ионы, капельки воды, пылинки, частички сажи и вообще всевозможные мелкие загрязнения; которые по тем или иным причинам могут появиться в воздухе.

Во-вторых, для возникновения тумана необходим не просто насыщенный, а пересыщенный пар; его плотность должна быть в несколько раз больше плотности насыщенного пара. Для получения пересыщенного пара можно использовать два способа.

Рис. 2

В первом случае (рис. 2, слева) воздух имеет определённую и притом достаточно большую абсолютную влажность; температура воздуха постепенно понижается. По достижении температуры, соответствующей точке росы пар насыщается; при дальнейшем охлаждении он становится пересыщенным. Выпадающий в этом случае туман называют туманом охлаждения.

Во втором случае (рис. 2, справа) воздух имеет какую-то определённую и притом достаточно низкую температуру. С относительно тёплой поверхности в холодный воздух испаряется дополнительное количество пара – в результате абсолютная влажность воздуха повышается. За счёт указанного испарения абсолютная влажность повышается до значения, в несколько раз превышающего значение плотности насыщенного пара, которое соответствует данной температуре. Выпадающий при этом туман называют туманом испарения.

Приведём примеры.

1) Прилегающий к воде остывший утренний воздух имеет более низкую температуру, чем вода. Поэтому с теплой водной поверхности в холодный воздух испаряется дополнительное количество пара. В результате возникает туман испарения.

2) Тёплый воздух, нагревшийся зимой над речной водой или летом над берегом, обогащается влагой, а затем охлаждается над заснеженным берегом или над морской водой. И в том, и в другом случае возникает туман охлаждения.

3) Тёплые слои воздуха, обогатившиеся влагой, поднимаются вверх и сильно охлаждаются. Возникает туман охлаждения, который затем опускается по склону горы обратно к морю.

4) Вследствие перехода теплоты от нагретого слоя приповерхностного воздуха к быстро остывшей земле происходит охлаждение воздуха и возникает типичный туман охлаждения.

По материалам книги Л.В. Тарасова «Физика в природе»

1 мкм = 10-3 мм = 10-6 м