Введение
Человек, как и большинство других живых существ, не может долго обходиться без воды. Поэтому, оказавшись в пустыне, в первую очередь надо попытаться найти оазис. А что делать, если не удалось? Оказывается, воду можно добыть из воздуха. В любом воздухе, даже в горячем и сухом, находится некоторое количество воды в виде пара. И если воздух охладить, то часть водяного пара сконденсируется и мы получим некоторое количество воды.
Растения берут воду из воздуха
Чтобы растения не засохли, мы их поливаем. Значит, воду они получают из земли через корневую систему.
Но некоторые растения значительную долю воды получают из воздуха, особенно в тропиках, где воздух особенно влажный. В процессе эволюции преимущество получили те растения, строение листа которых оказалось наиболее выгодным для этого процесса: широкий лист, расположенный горизонтально, чтобы улавливать восходящие потоки испарений с земли, с нижней стороны листа клетки рыхлые, расположены неплотно. Таким образом, растение даже экономит энергию на доставку воды к листьям: не нужно качать воду по стеблю вверх, пар от земли поднимается сам.
Влажность воздуха
В пустыне можно найти камни, которые остались холодными с ночи. Днем температура воздуха больше, чем температура этих камней, поэтому воздух вокруг камня будет передавать тепло самому камню. Отдавая тепло, воздух будет охлаждаться. Растворенный в нем водяной пар будет конденсироваться, и на поверхности камня появятся капли воды.
Другие способы добыть воду
Мы говорили о конденсации водяного пара на холодных после ночи камнях. Можно усовершенствовать этот способ и специально собрать гору камней, например щебня. Щебень при суточных перепадах температуры охлаждается, и водяные пары из теплого воздуха при контакте с более холодным щебнем конденсируются. Эту гору щебня опытные дачники помещают на основание со сливом, чтобы вода собиралась в сосуде (см. рис. 1).
Рис. 1. Разновидность конструкции для получения воды
Такая конструкция может дать десятки и даже сотни литров воды в сутки, в зависимости от количества щебня, влажности воздуха и перепадов температуры.
Для охлаждения воздуха можно использовать не остывшие ночью камни, а перепад температуры в почве (или песке, если речь идет о пустыне). Солнечные лучи сильнее всего нагревают верхний слой песка. Более глубокие слои за день не успевают прогреться, их температура ниже. Эту разность температур можно использовать для охлаждения воздуха. Например, так: закопать воздуховод специальной формы, чтобы при малейшем ветре прохладная область продувалась теплым воздухом и пар конденсировался. Остается добавить насос, чтобы извлекать воду изнутри воздуховода.
Можно еще изменить метод: использовать не обычный окружающий воздух, а специально насыщенный влагой. Для этого нужно вырыть яму и закрыть ее сверху прозрачной пленкой. Песок в пустыне хоть и сухой, но некоторое количество влаги в нем все же есть, особенно глубже, не у поверхности. Под действием солнечного излучения влага будет испаряться, а температура в яме – повышаться.
В итоге в яме будет горячий влажный воздух. Воздух снаружи ямы холоднее, чем внутри. Таким образом, вследствие теплопередачи верхние слои воздуха под пленкой будут охлаждаться. И снова при охлаждении влажного воздуха на пленке будет конденсироваться водяной пар. А чтобы легче было собрать полученные капли воды, на пленку кладут тяжелый предмет, а на дно ямы ставят сосуд (см. рис. 2).
Рис. 2. Вода испаряется из нагретого влажного песка и конденсируется на прохладной пленке
Итак:
1) В воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.
2) Раз в воздухе есть вода в газообразном состоянии, значит, ее оттуда можно как-то получить в жидком состоянии. Для этого нужно охладить воздух, и тогда часть пара сконденсируется.
Явления, связанные с наличием водяного пара в воздухе
Мы не видим водяной пар в воздухе, но часто наблюдаем, как это присутствие проявляется.
Облака, туманы – это сконденсировавшийся водяной пар, только капельки воды конденсируются не на какой-то поверхности, а остаются висеть в воздухе. В этом случае мы видим их как белый пар. Когда эти капли увеличиваются в размерах, они уже не могут висеть в воздухе, и идет дождь. Вообще и дождь, и снег идут только потому, что в воздухе содержится вода. Когда сохнет белье, высыхают лужи – это испарение воды. Но она не может исчезнуть бесследно – вода превращается в пар и смешивается с воздухом.
Как еще понять, что в воздухе содержится вода? Водяной пар из воздуха конденсируется не только на прохладных камнях в пустыне, но и на очках, когда человек заходит с мороза в теплое помещение, на бутылке воды, которую достают из холодильника, на зеркале в душе, на холодных стеклах окон зимой. Все это свидетельства того, что в воздухе содержится водяной пар.
Абсолютная влажность
Откуда берется вода в воздухе? Как вы знаете, испарение жидкости происходит при любой температуре. Поэтому с поверхности любых водоемов постоянно испаряется вода, превращаясь в водяной пар. Кроме того, влага содержится в земле, поэтому испарение происходит также с поверхности земли.
Часто говорят: «влажный воздух», «сухой воздух». Те, кто заходил в теплицу, в горячий душ без вытяжки, бывал в тропическом климате, знают, что такое «влажный воздух». Мы ощущаем, когда воды в воздухе много. А бывает сухой воздух – тогда некомфортно глазам, шелушится кожа, першит в горле. В таких случаях мы ощущаем, что воды в воздухе мало.
На бытовом уровне такой оценки – много или мало воды в воздухе – достаточно. Но, например, книги во влажном воздухе портятся. Как и многие музейные экспонаты, например картины. В сыром помещении могут «отойти» обои или отвалиться штукатурка. Зерно и многие другие продукты нельзя хранить в воздухе с большим содержанием водяного пара. Значит, нужно научиться измерять количество воды в воздухе, ввести некоторую численную характеристику этого количества. Такая физическая величина называется абсолютной влажностью.
Эту величину ввели как массу водяного пара, которая содержится в 1 кубическом метре воздуха. Поскольку речь идет о смеси воздуха и пара, то объем воздуха – это и объем пара. Получается, что абсолютная влажность – это аналог плотности: масса в единице объема, поэтому часто ее называют плотностью водяного пара. Абсолютную влажность принято обозначать буквой ρ. Исходя из определения, ее можно вычислить как отношение массы водяного пара к объему воздуха, в котором находится этот пар:
В СИ абсолютная влажность измеряется в кг/м3. Но часто эту величину указывают в г/м3.
Конденсация
Почему же при уменьшении температуры водяной пар из воздуха начинает конденсироваться? В газах молекулы находятся на больших расстояниях и движутся с большой скоростью. Расстояния между молекулами газов обычно достаточно большие, поэтому взаимодействием между ними можно пренебречь. По мере приближения молекул друг к другу силы их взаимодействия увеличиваются и ими уже нельзя пренебрегать (см. рис. 3).
Рис. 3. Взаимодействие молекул
Когда молекулы находятся на достаточно малом расстоянии друг от друга, между ними возникает связь, как связь между молекулами в жидком состоянии. Это можно сравнить со столкновением липких шариков: они при столкновении могут склеиться. Причем если молекулы движутся с большой скоростью и их кинетическая энергия достаточна для разрыва связи, то связь тут же разрушается и молекулы после столкновения разлетаются. Если кинетической энергии не хватит, молекулы так и останутся сцепленными. Получится микрокапля воды. Другие молекулы водяного пара, сталкиваясь с этой микрокаплей, также будут сцепляться с ней, и капля в итоге будет расти (см. рис. 4).
Рис. 4. Образование капли из молекул воды
Образуется или не образуется капля, зависит от кинетической энергии молекул, а мера средней кинетической энергии молекул – это температура.
Концентрация молекул пара
Теперь становится понятно, почему на холодном камне в пустыне образуются капли воды. Ведь вблизи камня воздух охлаждается, значит, кинетическая энергия его частиц уменьшается. Из-за этого вероятность того, что молекулы водяного пара будут «сцепляться» и образовывать капли воды, возрастает. Эти капли мы и видим на камне (см. рис. 5).
Рис. 5. Конденсат
Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. Но энергии молекул отличаются: у каких-то может быть энергия больше средней, у каких-то – меньше. Поэтому важен еще один фактор: концентрация молекул пара. Даже если температура высокая, но концентрация молекул пара большая, они чаще сталкиваются, и среди них найдутся молекулы, которые образуют связь и образуют каплю. А если температура невысокая, то даже небольшой концентрации молекул достаточно, чтобы среди них попались те, что образуют каплю.
Вероятность такого столкновения, при котором молекулы воды образуют связь, увеличивается и с увеличением концентрации молекул, и с уменьшением их температуры. Как видим, максимально возможное количество молекул воды, которое может содержаться в воздухе, не конденсируясь, зависит от температуры.
Теперь рассмотрим закрытый сосуд с водой и воздухом. С поверхности воды будут испаряться молекулы, концентрация водяного пара в воздухе будет возрастать, а с ней и вероятность столкновений молекул водяного пара. При большом количестве столкновений найдутся такие молекулы, которые образуют связь и в виде капли вернутся обратно в жидкость.
Получается два противоположных друг другу процесса, которые происходят одновременно: чем больше молекул воды испаряется в воздух, тем больше молекул водяного пара конденсируются в воду. Рано или поздно эти процессы уравновесятся и количества молекул, которые испаряются из воды, а также тех молекул, которые конденсируются в воду из воздуха, будут приблизительно одинаковы и будут колебаться около одного и того же значения.
В таком случае говорят, что пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это и будет так называемое состояние насыщения при данной температуре. А пар, который при этом будет в воздухе, называют насыщенным паром(см. рис. 6).
Рис. 6. Динамическое равновесие
Т. е. насыщенный пар – это такое его состояние, при котором при данных параметрах в воздухе находится максимально возможное количество водяного пара. Если добавить еще немного пара в воздух, он не сможет там находиться, он конденсируется обратно в жидкость – фактически мы говорим о количестве воды, которое максимально может содержаться при данной температуре. В состоянии до насыщения конденсация не происходит, так как испарение преобладает.
Относительная влажность
Мы рассмотрели на молекулярном уровне, что происходит с водяным паром в воздухе. Чтобы численно описать все эти процессы, ввели следующие физические величины и термины.
1. Абсолютная влажность. Об этой величине мы уже говорили. Она показывает, какая масса пара находится в объеме воздуха.
2. Есть просто воздух, в котором содержится водяной пар, его мы описываем абсолютной влажностью. А нам бывает нужно знать, сколько в воздухе при данной температуре должно быть пара (то есть какая должна быть плотность водяного пара), чтобы он стал насыщенным. Для этого ввели плотность насыщенного пара – это абсолютная влажность воздуха, которая была бы, если бы пар был насыщенным. Это характеристика воздуха при данной температуре, равная максимальной массе водяного пара, который может находиться в 1 кубометре воздуха при данной температуре.
Значения плотности насыщенного пара для различных температур вычислены и занесены в таблицы:
Видим, что с ростом температуры эта величина увеличивается, и это можно объяснить. Поскольку с увеличением температуры больше вероятность, что связи между молекулами водяного пара не образуются, значит, в воздухе сможет содержаться больше водяного пара, который не будет конденсироваться.
3. Теперь мы можем сравнивать фактическое содержание пара в воздухе с максимально возможным.
Представьте себе лифт, в котором 400 кг груза. Это много или мало? Если он рассчитан на 500 кг, то это много, 80% от максимума, а если рассчитан на тонну, то еще можно грузить и грузить. Плотность насыщенного пара можно сравнить с максимальной грузоподъемностью лифта. И чтобы описать, насколько водяной пар близок к насыщенному, удобно ввести величину «относительная влажность». Это отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара, выраженное в процентах.
По сути, это отношение фактического количества водяного пара к максимально возможному. Если пар насыщенный, то его абсолютная влажность – это и есть плотность насыщенного пара 
. Тогда относительная влажность равна 100%:
Если пара меньше, то относительно влажность меньше 100%. Это как раз те проценты, которые мы слышим в прогнозе погоды и которыми чаще всего пользуемся в быту. Больше 100% относительная влажность быть не может, потому что в состоянии насыщенного пара по определению содержание воды в воздухе максимально, и любой избыточный пар конденсируется.
Если воздух абсолютно сухой, то есть он вообще не содержит водяных паров, то его относительная влажность равна 0%. Но в действительности это означает, что в данном объеме воздуха нет ни одной молекулы воды, что в обычных условиях недостижимо.
4. Мы связываем процессы конденсации, насыщения водяного пара со столкновением молекул. Чем чаще молекулы при данной температуре сталкиваются со стенкой сосуда, тем большее давление они на нее создают.
Значит, можно определить влажность воздуха и через давление водяных паров. Чем больше молекул водяного пара содержится в воздухе, тем больше относительная влажность. То есть относительная влажность пропорциональна количеству молекул водяного пара в воздухе:
Чем больше молекул, тем больше будет давление. Эти величины тоже пропорциональны:
То есть абсолютная влажность пропорциональна давлению паров воды при прочих равных условиях, а именно постоянном объеме и температуре.
Тогда относительную влажность можно определить как отношение давления водяных паров к давлению насыщенного пара при данной температуре:
Как и плотность, давление насыщенных паров определено для каждой температуры. Значения этой величины можно найти в таблице:
Точка росы
Рассмотрим воздух с постоянным количеством водяного пара в закрытой комнате. При понижении температуры плотность насыщенных паров 
уменьшается. Конденсации не происходит, пока пар не станет насыщенным (относительная влажность не станет равна 100%), количество воды в воздухе не меняется, значит, абсолютная влажность 
постоянна. Значит, относительная влажность будет увеличиваться:
Изменение относительной влажности при изменении температуры
Казалось бы, как может увеличиваться относительная влажность воздуха, если абсолютная влажность не меняется, количество воды в кубометре воздуха не меняется? Чтобы легче было представить, почему так происходит, рассмотрим следующую аналогию.
Говоря о плотности насыщенного пара, мы сравнили ее с максимальной грузоподъемностью лифта, а абсолютную влажность с фактической загруженностью лифта. Так вот, при уменьшении температуры абсолютная влажность воздуха или плотность пара не меняется, а уменьшается максимально возможная плотность пара. Это как если бы груз в лифте не менялся, а менялась бы грузоподъемность самого лифта: в лифте как было 400 кг, так и осталось, а грузоподъемность была 1000 кг, а стала 500. Тогда загруженность лифта (а это аналог относительной влажности) была равна 40%, а стала 80%, хотя груз тот же. Если грузоподъемность достигнет 400 кг и будет дальше уменьшаться, то лифт станет загружен на 100% и еще придется убирать лишний груз (в нашем случае лишний груз – это пар, который будет конденсироваться).
При некоторой температуре влажность станет равной 100%, то есть пар станет насыщенным.
Это пороговое состояние, при котором конденсация еще не преобладает над испарение и при дальнейшем охлаждении из молекул пара начнут образовываться капли и выпадать в виде росы. Поэтому вот эту пороговую температуру назвали точкой росы.
Таким образом, зная точку росы, можно узнать абсолютную влажность воздуха. Если мы знаем, что роса выпадет к примеру, при 10 ºС, это значит, что при 10 ºС пар станет насыщенным. Плотность насыщенного пара при этой температуре (исходя из таблицы) 
, значит, это и есть абсолютная влажность нашего воздуха.
Воздух на улице можно рассматривать как воздух с постоянной абсолютной влажностью. Если рассмотреть небольшой промежуток времени, то количество водяного пара в нем изменится незначительно и абсолютную влажность можно считать постоянной. Ночью температура воздуха понижается. И если она достигнет точки росы, то утром вы увидите эту росу – капли воды на земле и растениях.
Измерение влажности воздуха
Мы рассмотрели основные понятия и величины, которые относятся к теме «влажность». Теперь поговорим, как можно измерить или вычислить эти величины.
Для измерения влажности существуют специальные приборы – гигрометры (см. рис. 7).
Рис. 7. Гигрометр
В их принципе действия используются те свойства веществ, которые зависят от влажности воздуха. Например, принцип действия волосяного гигрометра основан на том, что длина обезжиренного волоса изменяется в зависимости от влажности воздуха.
Гигрометр позволяет определить относительную влажность воздуха, а абсолютную влажность можно вычислить, зная его температуру.
Рассмотрим пример: абсолютная влажность воздуха равна 
, а температура 17 ºС. По таблице находим, что при данной температуре плотность насыщенных паров равна 
. Из определения относительной влажности можно выразить абсолютную влажность и найти ее значение:
Если относительная влажность 100%, то пар насыщенный и испарение воды не происходит. Чем меньше относительная влажность, чем суше воздух, тем интенсивнее происходит испарение (см. рис. 8).
Рис. 8. Зависимость интенсивности испарения от влажности воздуха
На этом принципе создали прибор для определения влажности – психрометр (см. рис. 9).
Рис. 9. Психрометр
Он состоит из психрометрической таблицы и двух термометров: один обмотан пропитанной водой тканью, а второй остается сухим и показывает обычную температуру воздуха.
Порядок работы с психрометром следующий:
1) найти разность показаний термометров;
2) найти в таблице строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствующий разности показаний;
3) на пересечении этих строки и столбца будет указано значение относительной влажности.
При испарении воды ее температура уменьшается, поэтому показания влажного термометра будут ниже, чем у сухого. Чем меньше влажность, тем интенсивнее испарение и тем больше разность температур – это видно в таблице. Если же пар уже насыщенный, влажность 100%, то вода с ткани испаряться не будет. В этом случае показания термометров будут совпадать.
Нам важно знать о влажности воздуха, поскольку наш организм реагирует на ее изменения. Так, терморегуляция в нашем организме происходит благодаря испарению пота с поверхности кожи: чем больше влаги испаряется с поверхности кожи, тем сильнее она охлаждается. Если воздух очень влажный, то испарение происходит слабо, организму сложнее регулировать температуру. Поэтому во влажном климате и холод, и жара ощущается намного сильнее, чем в сухом.
Кроме того, влажность воздуха стоит учитывать при работе различного электрооборудования. Чем выше влажность воздуха, тем больше вероятность возникновения электрической дуги в воздухе (так как вода – проводник), которая может вывести из строя оборудование (см. рис. 10).
Рис. 10. Возникновение электрической дуги при большой влажности воздуха
Границы применимости модели
В наших рассуждениях мы считали, что отдельные молекулы водяного пара – это газ. Когда они соединяются вместе и образуют каплю воды – это уже жидкость. А сколько молекул должно соединиться, чтобы образовать каплю, есть ли тут четкая граница? Нет, ее нет. Ведь это аналогично «парадоксу кучи»: одно зерно – это не куча; два тоже нет. И если прибавлять по одному зерну, когда их можно будет считать кучей? Очевидно, что четкого раздела тут найти невозможно.
Когда мы видим туман – это практически насыщенный пар, то есть газ. Если температура воздуха еще понизится, то пар достигнет точки росы. Начнут образовываться небольшие капли, которые будут оставаться в воздухе. Будет ли это еще газ? Или уже смесь жидкости с газом? Или это можно уже считать жидкостью? Однозначного ответа тут нет. Все зависит от того, как вы определите рамки понятий «газ» и «жидкость».
Почему мы рассматривали только водяной пар? Все эти же размышления, формулы, всю эту модель можно применить к любому другому газу. Возьмем азот, кислород и другие газы, которые есть в атмосфере. У нас на планете нет таких условий, в которых мы бы наблюдали динамическое равновесие жидкого и газообразного кислорода, например. Или жидкого и газообразного железа. Можно применить рассмотренную нами модель к парам ртути, и, возможно, где-то на производстве ее в этих целях и используют.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
1. Запишите ответы на следующие вопросы:
а. Какие существуют единицы измерения объема?
б. Какие существуют единицы измерения массы?
в. В каких единицах измерения удобнее выразить плотность водяных паров?
г. Выразите единицы измерения влажности (абсолютной и относительной).
2. Относительная влажность воздуха в помещении 60%, температура 18 °С. До какой температуры необходимо охладить металлический предмет, чтобы его поверхность запотела?
