Здравствуйте, уважаемые читатели! Тема «Влажность» (раздел кодификатора 2.1.13 и 2.1.14) — это традиционно камень преткновения для школьников. Полную теорию я расскажу в рамках другой подборки позже, а вот по трудным местам давайте пройдемся. Сразу говорю — чтобы не делать длинный текст - разобью статью на несколько частей. Уж больно недоученная- недопонятая эта тема в школе). (Не во всех).
Раздел 2.1.13 звучит в кодификаторе так - «Насыщенные и ненасыщенные пары. Качественная зависимость плотности и давления насыщенного пара от температуры, их независимость от объёма насыщенного пара».
Фишка 1. При решении задач обязательно обращайте внимание — насыщенный или ненасыщенный у вас изначально пар. Если при температуре 100 градусов Цельсия влажность составляет, например 70% - такой пар ненасыщенный, и в сосуде присутствует еще и сухой воздух. Тогда при каких — либо превращениях следует учитывать, что поведение пара подчиняется уравнению Менделеева-Клапейрона только до состояния насыщения.
Пример 1. В некотором сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают медленно выдвигать из сосуда. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Конечно, уменьшаться. Почему — потому что при увеличении объема (медленном) пар стремится оставаться насыщенным и будет «вытягивать» воду из жидкости «к себе в гости». В случае обратного процесса — все наоборот. Гости стали лишними, возвращайтесь-ка вы назад, в жидкое состояние). И еще кое-кого с собой прихватите, из дальних родственников). То есть, в данной ситуации: при увеличении объема количество жидкой воды уменьшается, паров воды — растет.
Пример 2. В стеклянном цилиндре под поршнем при комнатной температуре находится только водяной пар. Первоначальное состояние системы показано точкой на pV-диаграмме. Медленно перемещая поршень, объем Vпод поршнем уменьшают от 6V0 до V0 при постоянной температуре. Когда объем Vдостигает значения 3V0 на внутренней стороне стенок цилиндра выпадает роса. Построим график зависимости давления pв цилиндре от объема Vна отрезке отV0 до 6V0.
Теперь поиграемся с температурой и определением влажности. Из теории понятно, что влажность относительная - это отношение давления паров воды при данной температуре к давлению насыщенных паров при той же температуре. Упругость воздуха — это, по сути, способность его при данной температуре «принять в гости» пары воды. Представьте большое застолье. Каким бы большим оно не было, место для гостей ограничено. Вот и в случае испарения также - «место под молекулы» паров воды в данном объеме воздуха при данной температуре как бы заканчивается. Это очень упрощенно, зато запоминается хорошо). Продолжим про застолье: когда его «градус» повышается, все становятся добрыми и душевными — и теснятся за столом, принимая новых гостей). Так и с воздухом, при росте его температуры способность принимать молекулы паров воды увеличивается. Отсюда вывод — давление насыщенных паров зависит от температуры. Значит, и относительная влажность в разных обстоятельствах должна меняться.
Пример 3. Ситуация следующая. В вертикальном цилиндрическом сосуде под поршнем находится воздух, водяной пар и капли воды на стенках сосуда. Объем сосуда начинают медленно увеличивать при постоянной температуре. Когда объем под поршнем достигает 1,5 от исходного, капельки воды на стенках исчезают. После этого поршень в сосуде фиксируют и сосуд нагревают. Разберемся, что происходит с влажностью воздуха в сосуде по пути следования процессов.
Раз в начале на стенках сосуда есть капельки воды — испаряться ей некуда, воздух "гостей не принимает" — пар насыщен. Значит, начальная влажность воздуха равна 100%. При увеличении объема сосуда сначала пар остается насыщенным, вытягивая воду из жидкого состояния в парообразное, а затем переходит в ненасыщенное состояние и испытывает просто изотермическое расширение. Смотрим пояснения.
Следующее, что мы делаем, это нагреваем емкость нашу, а поршень — закрепили. Тогда в этом процессе изохорного нагревания пара плотность пара остается неизменной. Но способность «принимать гостей» - давление насыщенного пара, а значит, и его плотность при увеличении температуры увеличивается. Следовательно, при нагревании относительная влажность воздуха уменьшается (см .формула на рисунке).
Напоследок сегодня поиграемся в чиселки (для продвинутых решателей второй части)))
Пример 4. Две емкости объемами V1 и V2, соединенные трубкой с краном, содержат влажный воздух при комнатной температуре. Относительная влажность в сосудах равна соответственно ф1 и ф2. Если кран открыть, то какой будет относительная влажность воздуха в сосудах после установления теплового равновесия, считая температуру постоянной? Смотрим пояснения.
Для расчётных задач высокого уровня сложности средний процент выполнения заданий по молекулярной физике в прошлом 2023 году составил 12,9%. Согласно методическим рекомендациям с портала ФИПИ на 23 линии может оказаться задача на определение массы водяных паров в воздухе комнаты с известными площадью и высотой потолка при заданной температуре, если известна относительная влажность воздуха в комнате. Она решается на основании двух формул: определение относительной влажности и уравнение Клапейрона – Менделеева. При этом давление насыщенного водяного пара для заданной температуры определяется по стандартной таблице зависимости этого давления от температуры. А также есть указание на задачу по определению производительности увлажнителя воздуха и массы выдыхаемого воздуха, например. О них- завтра!