Piesātināts un nepiesātināts tvaiks
Iztvaikošana un tvaiks
Ar šķidrumu iztvaikošanas mehānismu varam iepazīties nodaļā ''Iztvaikošana un kondensācija''. Aplūkosim šķidrumu iztvaikošanu tuvāk.
Ir iespējamas trīs atšķirīgas situācijas (1. attēls).
1.att.
No šķidruma laika vienībā iztvaiko vairāk molekulu, nekā tajā pašā laikā atgriežas atpakaļ šķidrumā, iztvaikošanas intensitāte ir lielāka, kā kondensēšanās intensitāte (1. att. a). Šajā gadījumā tvaiku virs šķidruma sauc par nepiesātinātu tvaiku.
Ja iztvaikošana un kondensācija notiek ar vienādu intensitāti (tad saka, ka šķidrums atrodas dinamiskā līdzsvarā ar savu tvaiku). Šajā gadījumā tvaiku sauc par piesātinātu tvaiku (1. att. b). Tad molekulu skaits, kas laika vienībā atstāj šķidrumu, ir atkarīgs tikai no temperatūras, un, tvaiku saspiežot, tas nemainās.
Saskaņā ar gāzes spiediena formulu \(p=nkT\) , tās spiediens ir tieši proporcionāls molekulu koncentrācijai, bet piesātināta tvaika blīvums (tātad arī molekulu koncentrācija) nav atkarīga no tilpuma. Piesātinātu tvaiku saspiežot, noteikts daudzums tvaika pāriet šķidrā stāvoklī. Šķidrums aizņem mazāku tilpumu nekā tādas pašas masas tvaiks. Tāpēc, lai arī tvaika tilpums samazinās, tā blīvums nemainās.
Piesātināta tvaika spiediens
Tātad piesātināta tvaika spiediens nav atkarīgs no tilpuma. Tas nozīmē, ka piesātinātam tvaikam nevar lietot Boila—Mariota likumu \(pV=const\) (3. attēls). Šo, no tilpuma neatkarīgo, tvaika spiedienu, kad šķidrums atrodas līdzsvarā ar savu tvaiku, sauc par piesātināta tvaika spiedienu.
Ja no šķidrumu laika vienībā aiziet mazāk molekulu, nekā tajā pašā laika intervālā atgriežas atpakaļ šķidrumā - kondensācija pārsniedz iztvaikošanu (1. att. c). Tad tvaiku virs šķidruma sauc par pārsātinātu tvaiku. Pārsātinātu tvaiku var iegūt, ja tvaiks nav saskarē ar atbilstošo šķidrumu. Šāds tvaiks var pastāvēt tikai tikmēr, kamēr molekulu koncentrācija tvaikā ir lielāka par piesātinātā tvaika molekulu koncentrāciju konkrētajā temperatūrā. Pārsātinātam tvaikam kondensējoties, rodas garaiņi (migla) vai rasa. Ir iespējams sasniegt pārsātinājumu, kurā tvaika blīvums un spiediens pat 5 reizes pārsniedz piesātināta tvaika blīvumu un spiedienu.
Ja tvaiks atrodas saskarē ar šķidrumu, tad kondensācija notiek vienmēr. Lai kondensācija varētu sākties gadījumā, kad tvaiks nesaskaras ar savu šķidrumu, nepieciešami kondensācijas centri. Par tiem var kalpot cietu ķermeņu daļiņas vai trauka sieniņas, ja šķidrums tās slapina. Pārsātināta tvaika stāvoklis ir ļoti nestabils. Līdzko rodas kondensācijas centrs, tūlīt sākas intensīva, strauja kondensēšanās. Sevišķi efektīvi kondensāciju veicina lādētas daļiņas, kas pievelk tvaika molekulas (dipolus) un izveido kondensācijas centru. Šo parādību izmanto, piemēram, Vilsona kamerās elementārdaļiņu reģistrācijai.
Ja traukā ielej nedaudz šķidruma un to saspiež ar virzuli (2. att. a), tad var novērot tvaika raksturlielumu maiņu. Ja virzuli lēnām sāks vilkt uz augšu, tad virs šķidruma izveidosies piesātināts tvaiks (2. att. b). Jo augstāk virzuli pārvieto, jo lielāka daļa no šķidruma kļūst par piesātinātu tvaiku, līdz brīdim, kad viss šķidrums ir iztvaikojis un trauku zem virzuļa piepilda piesātināts tvaiks (1. att. c). Ja virzuli turpina virzīt uz augšu, tad tvaiks kļūst nepiesātināts (2. att. d).
2.att. Tvaiks virs šķidruma noslēgtā sistēmā
Ja iepriekš aplūkotajai situācijai uzzīmē grafiku tvaika spiediena atkarībai no trauka tilpuma, tad iegūst 3. attēlā redzamo ainu. Līdz pat stāvoklim c (2. att, c) tvaika spiediens nemainās, jo tas visu šo posmu ir piesātināts, un piesātināta tvaika spiediens ir nemainīgs – tas atkarīgs no temperatūras, kas šajā gadījumā nemainās. Pēc tam tvaiks kļūst nepiesātināts un tā spiediens pakļaujas Boila – Mariota likumam, līdzīgi kā ideāla gāze.
3.att. Tvaika spiediena izmaiņa noslēgtā traukā
Tvaika spiediena atkarība no temperatūras
Kā jau minēts, piesātināta tvaika spiediens un arī nepiesātināta tvaika spiediens ir atkarīgi no temperatūras. Ja mēs iepriekš aplūkotajā iekārtā virzuli nofiksējam, lai tilpums \(V\) nemainītos, bet, pievadot siltumu, mainām sistēmas temperatūru (4. attēls a), tad tvaika spiediens atkarībā no temperatūras mainās aptuveni tā, kā parādīts 4. attēlā b.
Tas izskaidrojams šādi: paaugstinot temperatūru, kamēr tvaiks ir nepiesātināts, spiediens mainās divu iemeslu dēļ: palielinās tvaika molekulu haotiskās kustības ātrums un palielinās tvaika molekulu skaits. Arī kad tvaiks kļūst piesātināts, augot temperatūrai, šķidruma iztvaikošana kļūst intensīvāka, tādēļ jaunajā dinamiskajā līdzsvarā tvaika blīvums un spiediens kļūst lielāki.
Tādēļ posmā a-b spiediens pieaug strauji. Posmā b-c, kad viss šķidrums ir iztvaikojis, tvaiks vairs nav piesātināts, tādēļ spiediens palielinās tikai uz molekulu haotiskās kustības ātruma pieauguma rēķina un spiediena atkarība no temperatūras kļūst lineāra, līdzīgi kā ideālai gāzei.
4.att. Tvaika spiediena izmaiņa nemainīgā tilpumā pieaugot temperatūrai
5.att. Vielas kritiskais stāvoklis
Turklāt, ja hermētiskā nemainīga tilpuma traukā karsē šķidrumu, virs kura ir piesātināts tvaiks, tad, temperatūrai pieaugot, šķidruma blīvums samazinās (izplešanās dēļ), bet piesātinātā tvaika spiediens palielinās, jo tvaikā nonāk aizvien jaunas molekulas.
Ja vienā kopējā grafikā attēlo šķidruma un tā tvaika blīvuma atkarību no temperatūras (5.attēls.), tad noteiktā grafika punktā —temperatūrā, kuru sauc par kritisko temperatūru \(T_\mathrm{K}\), abas līknes savienojas - šķidruma blīvums kļūst vienāds ar tvaika blīvumu \(\rho_\mathrm{k}\) . Atšķirība starp šķidrumu un tvaiku izzūd.
Tātad - par kritisko temperatūru sauc temperatūru, kurā izzūd atšķirības starp šķidruma un tā tvaika fizikālajām īpašībām.
Kritiskajā temperatūrā piesātinātā tvaika blīvums (arī spiediens) kļūst maksimāls, bet līdzsvarā ar tvaiku esošā šķidruma blīvums — minimāls. Šajā temperatūrā īpatnējais iztvaikošanas siltums un šķidruma virsmas spraiguma koeficients kļūst vienādi ar nulli.
Katrai vielai ir sava kritiskā temperatūra, piemēram, ūdenim tā ir 374,2 °C, gaisam — 140,7 °C. Temperatūrā, kas ir augstāka par pār kritisko temperatūru, gāzi nevar sašķidrināt saspiežot - gāzi vispirms ir jāatdzesē (vairāk skatīt nodaļā ''Vielas stāvokļa diagramma'').
Vārīšanās
Gadījumā, ja piesātinātā tvaika (skatīt nodaļu ''Piesātināts un nepiesātināts tvaiks'') spiediens kļūst vienāds ar ārējo (atmosfēras) spiedienu, iztvaikošanas mehānisms ir būtiski atšķirīgs — iztvaikošana notiek ne tikai no šķidruma virsmas, bet arī visā tā tilpumā. Šķidruma iekšienē veidojas tvaika burbulīši, kas uzpeld šķidruma virspusē un tad pārplīst. Šo procesu sauc par vārīšanos.
Vārīšanās laikā šķidruma temperatūra paliek nemainīga.
Šo temperatūru sauc par vārīšanās temperatūru.
Šķidruma vārīšanās temperatūra ir atkarīga no ārējā spiediena — jo augstāks spiediens, jo augstāka ir vārīšanās temperatūra.
Vārīšanās mehānisms
Šķidruma vārīšanos sekmē iztvaikošanas centri - gaisa burbulīši, kas atrodas šķidrumā un veidojas no šķidrumā izšķīdušā gaisa. Šie burbulīši ir brīva telpa šķidruma iekšienē, uz kuru notiek iztvaikošana. Šajos burbulīšos ir piesātināts tvaiks. Kamēr tvaika spiediens burbulītī ir mazāks par ārējo spiedienu, gaisa burbulīši ir saspiesti. Temperatūrai pieaugot, piesātinātā tvaika spiediens kļūst lielāks, aug burbulīšu izmēri, un tie, Arhimēda spēka iedarbībā, uzpeld.
Var novērot, ka tad, ja šķidrumu tējkannā silda no apakšas, sākumā augšējo šķidruma slāņu temperatūra ir zemāka, piesātinātais tvaiks uzpeldējušajos burbulīšos kondensējas un tie tiek saspiesti. (1. att. a). Daudzu šādu burbulīšu vienlaicīga izzušana rada skaņu — tējkanna pirms vārīšanās sīc. Kad, notiekot konvekcijai, šķidruma temperatūra visa tilpumā kļūst vienāda, burbulīšu tilpums uzpeldot pieaug. Burbulīši nokļūst šķidruma virspusē, kur tie pārplīst. Piesātinātais tvaiks, kas atrodas burbulīšos, nonāk apkārtējā vidē (1. att. b) - šķidrums vārās. Šķidrumam vāroties, pazūd sīcošā skaņa un ir dzirdama šķidruma burbuļošana.
1.att.
No kā atkarīga vārīšanās temperatūra?
Noskaidrosim, pie kādiem nosacījumiem burbulīši uzpeldēs un vārīšanās notiks.
Aplūkosim piedienu p, kas darbojas uz burbulīti šķidrumā. Pirmkārt, p ietekmē apkārtējās vides spiediens \(p_0\), kas vaļēja trauka gadījumā ir atmosfēras spiediens \(p_0\) (2. attēls). Atkarībā no pūslīša atrašanās dziļuma \(h\) uz to darbojas arī hidrostatiskais spiediens \(p_\mathrm{H}=\rho{gh}\) , kur
\(\rho\) - šķidruma blīvums
\(g\) – brīvās krišanas paātrinājums
\(h\) - burbulīša dziļums
\(p_\mathrm{H}\) - hidrostatiskais spiediens
Burbulīša virsma ir sfēriska, un liektā virsma rada papildspiedienu \(p_\mathrm{p}=\frac{2\sigma}{R}\) , kur
\(\sigma\) - virsmas spraiguma koeficients
\(R\) - burbulīša rādiuss
Šo spiedienu summa veido burbulītī esošā tvaika spiedienu \(p=p_0+p_\mathrm{H}+p_\mathrm{p}\) .
2.att. Spiediena līdzsvars vārīšanās laikā
Līdzsvara stāvoklī, lai burbulītis netiktu saspiests, piesātināta tvaika spiedienam \(p_\mathrm{tv}\) burbulītī jābūt vienādam ar šo ārējo spiedienu.
\(p_\mathrm{tv}=p_0+p_\mathrm{H}+p_\mathrm{p}\)
Pieaugot temperatūrai virsmas spraiguma koeficients samazinās, ka arī, uzpeldot, pieaug burbulīšu diametrs. Papildspiediens zem liektas virsmas kļūst neievērojami mazs.
Uzpeldot, līdz nullei samazinās arī hidrostatiskais spiediens.
Secinājums – vārīšanās nosacījums: lai burbulītis varētu uzpildēt šķidruma virspusē, piesātināta tvaika spiedienam tajā jābūt vienādam ar ārējo spiedienu: \(p_\mathrm{tv}\approx{p_0}\) .
Tā kā piesātināta tvaika spiediens ir jo lielāks, jo augstāka temperatūra (skatīt nodaļu ''Piesātināts un nepiesātināts tvaiks''), jo lielāks ir ārējais spiediens, jo augstāka ir šķidruma vārīšanās temperatūra.
Līdz ar to ikvienam šķidrumam vienas atmosfēras spiedienā ir sava noteikta vārīšanās temperatūra, kas atkarīga no šā šķidruma piesātināta tvaika spiediena. Jo lielāks ir konkrētā šķidruma piesātināta tvaika spiediens, jo zemāka ir tā vārīšanās temperatūra - jau zemākā temperatūrā piesātināta tvaika spiediens kļūst vienāds ar atmosfēras spiedienu.
Palielinoties augstumam virs jūras līmeņa, atmosfēras spiediens samazinās un līdz ar to samazinās ūdens vārīšanās temperatūra (3. attēls). Augstākajā Zemes kalnā Everestā ūdens vārīšanās temperatūra ir tikai 70 °C.
3.att. Ūdens vārīšanās temperatūras atkarība no spiediena
Šo faktu izmanto arī tehnikā, lai paaugstinātu šķidruma vārīšanās temperatūru (augstspiediena tvaika mašīnās, ātrvāres katlos utt.).
Dažādiem šķidrumiem vienādā spiedienā ir atšķirīga vārīšanās temperatūra (4. attēls).
4.att. Dažādu šķidrumu vārīšanās temperatūras
Lai šķidruma molekulas izrautos no šķidruma un kļūtu par tvaiku, ir nepieciešama enerģija.
Lai kādā konkrētā spiedienā notiktu vārīšanās, šķidruma temperatūra nedrīkst pazemināties zem vārīšanās temperatūras, tātad enerģiju ir jāpievada no ārpuses. Šķidrumam vāroties, visa tam no ārpuses pievadītā enerģija (siltuma daudzums) tiek iztērēta starpmolekulu saišu saraušanai un ārējā spiediena spēka pārvarēšanai. Šķidruma un iztvaikojošo molekulu vidējā kinētiskā enerģija nepalielinās un tā ir vienāda, tādēļ, šķidrumam vāroties, temperatūra paliek nemainīga.
Kamēr šķidrums vēl nevārās, temperatūra pieaug (5. attēls). Sasniedzot vārīšanās temperatūru, tā nemainās, līdz viss šķidrums ir iztvaikojis - izvārījies. Ja siltumu pievada arī pēc tam, kad viss šķidrums ir iztvaikojis, tad temperatūra atkal pieaug - silst šķidruma tvaiks.
Īpatnējais iztvaikošanas siltums
Siltuma daudzumu \(Q\), kas nepieciešams šķidruma pārvēršanai tvaikā, nosaka šķidruma masa m un īpatnējais iztvaikošanas siltums \(L\), proti, \(Q=Lm\) . (Skatīt nodaļu ''Iztvaikošana'') Dažādu šķidrumu īpatnējie iztvaikošanas siltumi aplūkoti nodaļās ''Siltuma daudzums'' un ''Iztvaikošana un kondensācija''.
5.att. Šķidruma temperatūras maiņa sildīšanas procesā
Šķidrums, kas nesatur gaisa (gāzes) burbulīšus vai citus piemaisījumus, sāk vārīties augstākā temperatūrā nekā vārīšanās temperatūra. Šķidrums atrodas pārkarsētā stāvoklī. Tas ir nestabils stāvoklis. Ja uzrodas vārīšanās centri (veidojas nehomogenitātes, piemēram, šķidrumu sakrata, vai tajā ieber sāli), šķidrums sāk strauji vārīties un turpina vārīties vārīšanās temperatūrā (skatīt arī nodaļu ''Siltuma procesu grafiki'').
Gaisa mitrums
Ar šķidrumu iztvaikošanas mehānismu varam iepazīties nodaļās ''Iztvaikošana'' un ''Piesātināts un nepiesātināts tvaiks''. Aplūkosim tuvāk ūdens iztvaikošanu gaisā.
Gaiss ir dažādu gāzu (slāpekļa, skābekļa, ogļskābās gāzes, dažādu cēlgāzu utt., kā arī ūdens tvaika maisījums. Zeme ir ūdeņiem bagāta planēta. Ūdens nemitīgi iztvaiko gan no upēm, gan ezeriem, gan jūrām, okeāniem un citām ūdens krātuvēm, nonākot atmosfērā. Mēs šo ūdens tvaiku sajūtam kā gaisa mitrumu. Okeānu, jūru, ezeru un upju ūdens virsma ir ļoti liela, tomēr ūdens tvaiks atmosfērā vairumā gadījumu nav piesātināts. Vēju dēļ Zemeslodes dažās vietās ūdens iztvaikošana ir pārsvarā pār kondensāciju, kamēr citās vietās ūdens tvaiks intensīvi kondensējas. Ūdens tvaika daudzums gaisā pastāvīgi mainās, tomēr gaiss vienmēr satur noteiktu ūdens tvaika daudzumu – gaiss ir ''mitrs''.
Gaisa mitrumu var raksturot ar šādiem raksturlielumiem:
Absolūtais gaisa mitrums \(a\) . Faktiski tas ir ūdens tvaika blīvums gaisā. Absolūto gaisa mitrumu aprēķina pēc formulas \(a=\frac{m}{V}\) , kur m ir ūdens tvaika masa, bet \(V\) ir apskatītais gaisa tilpums (1. attēls).
1.att. Gaisa absolūtais mitrums
Visbiežāk lietotā mērvienība ir grami uz kubikmetru (\(g/m^3\)). Šo lielumu visbiežāk nosaka eksperimentāli ar pilnās absorbcijas metodi, izmantojot higroskopiskas vielas un tas ir samērā grūti eksperimentāli nosakāms lielums.
Ūdens tvaika parciālspiediens (\(p\)). Tas ir spiediens, kādu radītu ūdens tvaiks, ja pārējo gāzu gaisā nebūtu.
Mērvienība ir paskāls (\(Pa\)). Zinot tikai šo lielumu, nav iespējams pateikt, cik tālu gaisā esošais ūdens tvaiks ir no piesātinājuma stāvokļa - gaiss ir sauss vai mitrs. Jāņem vērā arī gaisa temperatūra, jo katrai temperatūrai atbilst noteikta piesātināta tvaika spiediena vērtība (maksimālais gaisa mitrums \(p_0\)). Ja temperatūra ir zema, tad gaisā esošais ūdens tvaiks var būt piesātināts, bet augstākā temperatūrā pie tā paša ūdens tvaika daudzuma gaisā tvaiks var būt tālu no piesātinājuma. Piesātināta ūdens tvaika parciālspiediena vērtības dažādās temperatūrās ir atrodamas tabulās. Tvaika parciālspiedienu sauc arī par ''tvaika elastību'', lietojot apzīmējumu \(e\).
Absolūto gaisa mitrumu un ūdens tvaika parciālspiedienu saista empīriska sakarība \(a\approx{2,2}(p/T)\) , kur \(T\) – gaisa temperatūra Kelvinos.
Maksimālais gaisa mitrums (\(a_0\) un \(p_0\)). Pastāv divi varianti, kā to definē. Tas ir ūdens tvaika blīvums un ūdens tvaika parciālspiediens gadījumā, kad ūdens tvaiks gaisā ir piesātināts. Maksimālais gaisa mitrums ir atkarīgs tikai no temperatūras. Tabulā redzams, ka 20 °C temperatūrā \(a_0=17,3 \) \(g/m^3\) un \(p_0=2,33\) \(kPa\).
Paaugstinoties temperatūrai, maksimālais gaisa mitrums palielinās – piesātinātā tvaikā ir lielāks ūdens tvaika daudzums gaisā.
2.att. Piesātināta tvaika spiediens
Relatīvais gaisa mitrums (\(\Phi\)). Par gaisa relatīvo mitrumu \(\Phi\) sauc absolūtā gaisa mitruma un maksimālā gaisa mitruma tajā pašā temperatūrā attiecību, tātad:
\(\phi=\frac{a}{a_0}\) vai \(\phi=\frac{p}{p_0}\)
Relatīvais gaisa mitrums rāda ūdens tvaika piesātinājuma pakāpi noteiktos apstākļos. Parasti relatīvo mitrumu izsaka procentos: \(r\approx{\Phi\cdot100}\)%
3. attēlā ir ilustrēts relatīvais gaisa mitrums. Ar zilu krāsu ir atzīmēts ūdens tvaika parciālspiediens, bet ar dzelteno krāsu maksimāli iespējamais ūdens tvaika spiediens. Pieaugot temperatūrai, pieaug maksimāli iespējamais ūdens tvaika spiediens, tādēļ, ja ūdens tvaika spiediens nemainās, tad relatīvais mitrums samazinās.
Apskaties arī pārbaudītu Wikipedia.org rakstu par gaisa mitrumu!
3.att. Gaisa relatīvais mitrums
Rasas punkts (\(t_\mathrm{R}\)) ir temperatūra, kurā ūdens tvaiks gaisā kļūst piesātināts. Gaisam atdziestot līdz rasas punktam, sākas tvaika kondensācija — parādās migla, rodas rasa. Tātad temperatūrā, kas ir zemāka par rasas punkta temperatūru, ūdens tvaiks gaisā ir pārsātināts, bet augstākā temperatūrā — nepiesātināts.
Rasas punkta sasniegšanu var novērot skaidrās vasaras naktīs, kad, pazeminoties gaisa temperatūrai, rasa veidojas gan uz augiem, gan, piemēram, zirnekļu tīkliem (4. attēls).
4.att. Gaisa temperatūrai sasniedzot rasas punktu, sāk veidoties rasa
Rasas punktu var izmantot, lai noteiktu gaisa mitrumu. Šādas mitruma noteikšanas ierīces sauc par kondensācijas higrometriem (skatīt nodaļu ''Higrometri'').
Gaisa mitrums ir viens no svarīgākajiem raksturlielumiem (faktoriem) meteoroloģijā laika noteikšanā.
Gaisa mitrumam ir milzu nozīme visu dzīvības procesu norisē dabā. Gaisa mitrums ietekmē daudzus tehnoloģiskos procesus, kur jāuztur noteiktu gaisa relatīvo mitrumu. Arī muzeju telpās jāuztur kādu konkrētu, nemainīgu gaisa relatīvais mitrumu. Gaisa mitrums ir viens no svarīgākajiem raksturlielumiem laika apstākļu prognozēšanā.
Cilvēka organismā, kas satur aptuveni 65% ūdens, ūdens iztvaikošanai ir būtiska nozīme. Diennakts laikā no cilvēka ādas un plaušām iztvaiko 0,2...2 kg ūdens. Iztvaikošanai ir liela nozīme cilvēka ķermeņa termoregulācijā. Cilvēkam vislabvēlīgākais relatīvais gaisa mitrums ir 60% līdz 70%.
Ziemā telpās gaisa mitrums parasti nepārsniedz 30%. Sausajā gaisā notiek pastiprināta iztvaikošana, izžūst gļotādas, saasinās elpceļu slimības. Savukārt pārāk augsts gaisa mitrums telpās var veicināt pelējuma rašanos.
Lai regulētu gaisa mitrumu telpās, izmanto ierīces – gaisa mitrinātājus vai žāvētājus, nereti apvienotus vienā mikroklimata regulēšanas iekārtā.
Par gaisa mitrumu skatīt arī video.
Higrometrs un psihrometrs
Gaisa mitrumu mēra ar speciālām ierīcēm — higrometriem.
Pastāv divu veidu higrometri – tādi, ar kuriem gaisa mitrumu (ūdens daudzumu gaisā) nosaka tieši, un tādi, kas būtībā mēra kādu ķermeņa īpašību, kura atkarīga no gaisa mitruma.
Absorbcijas higrometri
1. Sorbcijas metode pamatojas uz ķermeņu spēju absorbēt ūdeni atkarībā no gaisa mitruma pakāpes. Tā rezultātā mainās ķermeņa īpašības – masa, elektrovadītspēja vai krāsa. Visvienkāršākā no šīm ierīcēm ir mata higrometrs, kas izmanto mata spēju absorbēt ūdeni (1. attēls).
1.att. Mata higrometri
Tā darbības pamatā ir attaukota cilvēka mata \(M\) īpašība - mats maina savu garumu līdz ar gaisa relatīvā mitruma — mitrumam pieaugot, mats pagarinās. Gaisa relatīvajam mitrumam mainoties robežās no 0% līdz 100% mata garums mainās par aptuveni 2%, turklāt šī izmaiņa nav lineāra. Arī sauss koka zariņš varētu kalpot kā gaisa relatīvā mitruma indikators. Saprotams, ka šīm ierīcēm ir viens trūkums – tās ir ļoti neprecīzas – parasti kļūda ir vismaz 10%.
2. Var izmantot arī pilnās absorbcijas metodi. Mitro gaisu sūknē caur U veida caurulīti, kurā atrodas absorbējoša viela. Nosverot caurulīti pirms un pēc tam var noteikt absolūto ūdens daudzumu gaisā. Ja t;ādai pašai caurulītei sūknēts cauri gaiss ar 100% mitrumu, salīdzinot caurulīšu masas pieaugumus var noteikt relatīvo gaisa mitrumu. Šāda metode ir precīza, bet darbietilpīga un lēna.
Kondensācijas higrometrs
3. Tālāk aplūkosim rasas punkta jeb kondensācijas higrometru. Šāda tipa ierīce ir parādīta 2. attēlā a,b.
Kondensācijas higrometru veido metāla kastīte K, kuras viena gala virsma S ir pulēta. Šo spoguļgludo kastītes galu aptver pulēta gredzenveida metāla apmale A, kas piestiprināta kārbiņai ar siltuma izolatoru I. Kārbiņā ielej viegli iztvaikojošu šķidrumu, piemēram, spirtu, acetonu vai ēteri (E), un ievieto kastītē termometru T.
Ja caur kastīti, izmantojot gumijas ''bumbieri'' B pūš gaisu, tad ēteris strauji iztvaiko un atdziest. Atdziest arī pulētā kastītes virsma, savukārt pulētā siltumizolētā apmale neatdziest. Brīdī, kad virsmas S temperatūra kļūst vienāda ar apkārtējā gaisa rasas punktu, tā noraso.
2.att. Rasas punkta higrometrs
Salīdzinot ar apmali A rasas parādīšanos var uzreiz pamanīt. Tiklīdz parādās rasa, nolasa termometra rādījumu. Izmantojot šo temperatūru un apkārtējā gaisa temperatūru, pēc tabulām vai grafikiem (3. att. a un b) var noteikt gaisa relatīvo mitrumu un arī absolūto mitrumu.
3.att. Rasas punkts – gaisa mitruma tabulas
Piemēram, ja rasa parādās 15 °C temperatūrā, un apkārtējā gaisa temperatūra ir 25 °C, no tabulas nolasa, ka relatīvais gaisa mitrums ir ūdens tvaika parciālspiediens ir 80%. 1,71 \(kPa\). Šādai apkārtējā gaisa temperatūra atbilst maksimālais gaisa mitrums 3,62 \(kPa\).
Tātad ūdens tvaika parciālspiediens \(p=p_{0}\cdot\Phi=\) \(3,62\cdot0,80=2,20\) \(kPa\) .
Piemēram, ja rasa parādās 15 °C temperatūrā, un apkārtējā gaisa temperatūra ir 25 °C, no tabulas (3. att. a) nolasa, ka relatīvais gaisa mitrums ir 54%. Šādai apkārtējā gaisa temperatūra atbilst maksimālais gaisa mitrums 3,85 \(kPa\). Tātad ūdens tvaika parciālspiediens \(p=p_0\cdot\Phi=3,85\cdot{0,54}=2,08\) \(kPa\). Šādu vērtību iegūst, arī, nolasot no grafika (3. att. b).
Psihrometrs
4. Vienkārša un plaši izmantota gaisa mitruma mērierīce ir psihrometrs (divu termometru higrometrs). (4. attēls).
4.att. Psihrometrs
Tas veidots no diviem termometriem, viens no kuriem mēra apkārtējā gaisa temperatūru (to sauc par sauso termometru), bet otra termometra (mitrā termometra) dzīvsudraba vai spirta rezervuārs ir aptīts ar auduma (marles) gabaliņu, kura viens gals iegremdēts traukā ar ūdeni. Ūdens no auduma iztvaiko ar dažādu intensitāti, atkarībā no apkārtējā gaisa relatīvā mitruma — jo mazāksu gaisa relatīvais mitrums, jo straujāk notiek iztvaikošana, jo vairāk atdziest ūdens un jo zemāku temperatūru termometrs rāda.
Zinot sausā un mitrā termometra rādījumu starpību un sausā termometra rādījumu, pēc psihrometriskajām tabulām vai grafikiem nosaka gaisa relatīvo mitrumu. Piemēram, ja sausais termometrs rāda 23 °C un mitrais termometrs 20 °C, tad no tabulas iegūst, ka gaisa relatīvais mitrums ir 76%. (Konkrēto ierīču higrometriskās tabulas var atšķirties, atkarībā no tā, vai, tabulu veidojot, par ''atmosfēras spiedienu'' pieņemts \(1\)\(bar\) (\(1000hPa=1bar\)) - tad 74,7%, vai 1 atmosfēra (\(101325Pa=1atm\)), tad - 76%)
Psihrometrus uzstāda vietās, kur ir būtiski kontrolēt gaisa mitrumu – piemēram, gleznu galerijās.
Vielas stāvokļa diagramma
Vielas fāzes jēdziens un fāžu pārejas aplūkotas nodaļā ''Pirmā un otrā veida fāžu pārejas''.
Pietiekami sarežģītai sistēmai (piemēram, divu metālu sakausējumam) iespējamo tā stāvokļu pilns apraksts būtu ļoti garš un nepārskatāms. Tomēr pastāv ērts paņēmiens, kā uzskatāmi parādīt daudz būtiskas informācijas par sistēmu, iekļaujot to vienā attēlā – vielas stāvokļa diagrammā – grafiski attēlojot visas iespējamās fāžu pārejas, kas norisinās dažādās temperatūrās un spiedienos. Stāvokļa diagrammu var zīmēt arī vienai vielai (vienkomponenta sistēmai).
Stāvokļa diagrammas var būt kā divdimensiju, tā telpiskas. Divdimensiju stāvokļa diagrammā uz koordinātu asīm iespējams attēlot spiedienu \(p\) un temperatūru \(T\) vai temperatūru un sistēmas sastāvu. Tad stāvokļa diagrammas jebkura līnija attēlo, piemēram, fāžu pārejas temperatūru atkarībā no spiediena (1. att. a, b) vai atkarībā no sastāva konstantā spiedienā (7. attēls). Trīsdimensiju variants ļauj pievienot vēl atkarību no trešā lieluma, piemēram, \(pTV\) diagramma (9. att. a) vai vielas sastāva un temperatūras diagramma noteiktā spiedienā trīskomponentu sistēmai (9. att. b).
Visienkāršākās stāvokļa diagrammas ir vienai vielai, kura var būt trīs agregātstāvokļos: gāzveida, šķidrā un cietā ar vienu polimorfo modifikāciju. Visbiežāk vienkomponenta sistēmas stāvokļa diagrammas attēlo koordinātēs \(p\) un \(T\). Tad stāvokļa diagramma (fāžu līdzsvara diagramma) ir visu dažādās temperatūrās un spiedienos līdzsvarā esošu vielas fāžu attēlojums.
Tipisks piemērs ir ūdens stāvokļa diagramma (1. att. a un b - piedāvāti divi varianti).
1.att. Ūdens stāvokļa diagramma (\(pT\) asīs)
Līkne AB (1. att. a) parāda līdzsvaru starp piesātinātu tvaiku un šķidrumu jeb, kas ir tas pats, vārīšanās temperatūras atkarību no spiediena (skatīt nodaļu ''Vārīšanās'') un to sauc par vārīšanās līniju. Augsto temperatūru virzienā vārīšanās līnija izbeidzas punktā B, kuram atbilst kritiskā temperatūra. Pa labi no vertikālās līnijas, kas iet caur punktu B, viela, neatkarīgi no spiediena, var būt tikai gāzveida stāvoklī. Arī pa kreisi no šīs līnijas zem līknes AB viela atrodas gāzveida stāvoklī – tas ir tvaika apgabals.
Kritiskā temperatūra
Sasniedzot kritisko temperatūru, šķidruma virsmas spraiguma koeficients kļūst vienāds ar nulli, jo izgaist robežvirsma starp šķidrumu un tvaiku (skatīt arī nodaļu ''Piesātināts un nepiesātināts tvaiks''). Ūdens kritiskā temperatūra ir 374 °C, un piesātināta tvaika blīvums 300 \(kg/m^3\) (2. att. a). Tas nozīmē: ja noslēgtā traukā būtu ūdens un to uzsildītu virs 374 °C, tad šajā traukā vairs nepastāvētu šķidrs ūdens (2. att. b).
2.att. Ūdens kritiskais punkts
Ja vielas temperatūra pārsniedz kritisko temperatūru, tad viela atrodas gāzveida stāvoklī un to nekādi nevar pārvērst šķidrumā, lai arī kādu spiedienu izmantotu. Tas ir iemesls, kādēļ mēs normālos dabā sastopamos fizikālos apstākļos sakām, ka gaiss satur, piemēram, skābekļa un slāpekļa gāzi, nevis tvaiku. Skābekļa kritiskā temperatūra ir -118 °C, bet slāpeklim tā ir -146 °C. Tas nozīmē, ka dabā sastopamajās temperatūrās šīs vielas var pastāvēt tikai gāzveida fāzē. Turpretī, atšķirībā no nosauktajiem piemēriem, ūdens kritiskā temperatūra ir 374 °C, tādēļ varam teikt, ka gaiss satur ūdens tvaiku, nevis gāzi. Dažādu vielu kritiskās temperatūras dotas 3. attēlā.
3.att. Dažādu vielu kritiskās temperatūras
Zemo temperatūru virzienā vārīšanās līnija izbeidzas punktā A, no kura sākas divas citas fāžu līdzsvara līnijas AC un AD. Līnija AC atbilst līdzsvaram starp šķidru un cietu agregātstāvokli, to parasti sauc par kušanas līniju.
Apgabals starp līnijām AB un AC atbilst šķidram agregātstāvoklim, bet pa kreisi no līnijas DAC — cietam (kristāliskam) agregātstāvoklim. Līnija AD parāda līdzsvaru starp cietu un gāzveida stāvokli un to sauc par sublimācijas līniju.
Redzams, ka punktā A krustojas visas trīs fāžu līdzsvara līnijas - tas ir vienīgais punkts, kurā vienlaikus var pastāvēt un atrasties termodinamiskā līdzsvarā visas trīs fāzes (ūdens agregātstāvokļi). Šo punktu A sauc par vielas, šajā gadījumā ūdens, trīskāršo punktu. Ūdens trīskāršais punkts ir pie spiediena \(p=610Pa\) un temperatūras \(T=273,16K\) (4. attēls). Interesanti, ka ūdens trīskāršā punkta temperatūra ir tikai par \(0,01K\) augstāka nekā ūdens kušanas temperatūra normālā spiedienā.
4.att. Ūdens fāžu diagramma trīskāršā punkta tuvumā
Dažādām vielām trīskāršo punktu ''koordinātas'' uzskatāmi parādītas 5. attēlā.
Trīskāršā punkta parametru vērtības neietekmē dažādi citi faktori, tāpēc eksperimentāli tās var noteikt ļoti precīzi. Ūdens trīskāršais punkts ir pieņemts par absolūtās termodinamiskās temperatūras skalas (Kelvina skalas) atbalsta punktu.
5.att. Dažādu vielu trīskāršie punkti
Stāvokļa diagramma un polimorfisms
Jāievēro vēl viens svarīgs apstāklis. Divdimensiju stāvokļa diagrammās var attēlot arī to, ka vielai cietā agregātstāvoklī noteiktā temperatūrā un spiedienā vielas kristālrežģa struktūra var mainīties - vielai piemīt polimorfisms. Piemēram, sērs, ogleklis, dzelzs, kobalts, volframs un daudzi citi metāli ir polimorfi. Sēra stāvokļa diagrammas piemērs redzams 6. attēlā.
6.att. Sēra stāvokļa diagramma
Divdimensiju fāžu diagrammā iespējams sniegt informāciju arī par divkomponentu sistēmu īpašībām, piemēram, divu metālu sakausējumiem (7. attēlā).
7.att. Divkomponentu sistēmas stāvokļa diagramma
Jāpiebilst, ka arī zīmējot vairākas izotermas \(pV\) koordinātu plaknē var novilkt līnijas, kas atdala fāžu apgabalus (8. attēla raustītā līnija). Tad katram šādas līnijas punktam atbilst stāvokļa parametru vērtības, pie kurām ir līdzsvarā vismaz divas fāzes. Arī šādas līnijas sauc par fāžu līdzsvara līnijām.
8.att. Reālas gāzes izotermas
Koordinātu plaknē \(pV\) iezīmējas vairāki apgabali: I - virs izotermas, kas atbilst kritiskajai temperatūrai, viela eksistē tikai gāzveida stāvoklī. II - viela ir tikai šķidrā stāvoklī. III - termodinamiskā līdzsvarā var atrasties šķidruma un gāzes maisījums (ir piesātināts tvaiks). IV - viela atrodas tikai gāzveida stāvoklī, tāpat kā virs ''kritiskās'' izotermas, bet, lai skaidri parādītu, ka šādā stāvoklī var pāriet šķidrums, nemainoties tā temperatūrai, vielu šajā apgabalā sauc par tvaiku.
Trīsdimensiju stāvokļa diagrammas vidusskolas kursā neaplūko, tomēr piedāvājam pāris piemērus (9. attēls).
Attēlā a redzama ūdens stāvokļa diagramma \(pVT\) asīs, kas faktiski ietver informāciju, kura attēlota stāvokļa līdzsvara divdimensiju diagrammās (1. un 8. attēls).
9.att. Trīsdimensiju stāvokļa diagrammas
9. attēlā b piedāvāta trīskomponentu sistēmas (metālu sakausējuma) stāvokļa diagramma nemainīgā spiedienā, parādot iespējamo kušanas temperatūras atkarību no sastāva proporcijām.