Опишите процесс конденсации водяного пара. В качестве примера можно использовать механизм возникновения тумана.

Конденсация — это переход водяного пара в жидкую фазу при охлаждении или при увеличении содержания влаги до состояния пересыщения. Ключевая идея: тёплый воздух может удерживать больше водяного пара, чем холодный. Когда воздух охлаждается до температуры точки росы (или становится пересыщенным другим образом), молекулам воды «выгоднее» собратьcя в каплю, чем оставаться в газе.

Что должно произойти, чтобы пар сконденсировался

1. Достичь насыщения: относительная влажность ≈ 100 %. Это бывает из-за:

   • Охлаждения воздуха (ночью, при подъёме, при контакте с холодной поверхностью).

   • Добавления влаги (испарение с водной поверхности, «подмешивание» влажного воздуха).

2. Появиться центры конденсации: мельчайшие аэрозоли (пылинки, соли, дым). На них капле «легче» зародиться (гетерогенная конденсация). Без ядер нужна более сильная пересыщенность (гомогенная конденсация), что в атмосфере практически не встречается.

3. Выделение скрытой теплоты: когда пар становится водой, выделяется тепло; оно немного «тормозит» дальнейшее охлаждение и влияет на устойчивость тумана/облака.

4. Рост капель: после зарождения капли растут за счёт диффузии водяного пара к их поверхности, могут слипаться (коалесценция). В тумане типичный размер капель — десятки микрометров.

Почему туман — это пример конденсации

Туман — это «облако у поверхности», взвесь множества капелек воды в приземном слое воздуха. Он возникает, когда у земли создаются условия насыщения и есть ядра конденсации. Основные механизмы:

• Радиационный (ночной) туман: ясной ночью земная поверхность быстро теряет тепло излучением, приземный воздух охлаждается, достигает точки росы — на аэрозолях образуются капельки. Чаще в долинах и при штиле: турбулентность слабая, охлаждение концентрируется у земли.

• Адвективный туман: тёплый влажный воздух перемещается над холодной поверхностью (например, над холодным морем или снежным полем), резко охлаждается — и конденсируется.

• Испарительно-смешивающийся («паровой») туман: над относительно тёплой водой в холодный воздух добавляется влага; при смешении тёплого насыщенного и холодного ненасыщенного воздуха их «средняя» смесь может оказаться пересыщенной — образуется туман (эффект видимого «пара» над реками осенью, «дыхание» в мороз).

• Подъёмный (склоновый) туман: воздух поднимается по склону, расширяется и адиабатически охлаждается; при достижении точки росы — конденсация.

Детали процесса на уровне капли

• Роль кривизны и растворённых веществ: маленьким каплям из-за кривизны сложнее «удержать» молекулы (эффект Кельвина), а растворённые соли облегчают конденсацию (эффект растворённости). Поэтому «соляные» аэрозоли — отличные ядра.

• Баланс появления/исчезновения: туман держится, пока приток влаги/охлаждение поддерживают насыщение. Как только воздух прогревается, усиливается ветер (смешение) или подсушивается — капли испаряются, туман рассеивается.

Краткая схема механизма тумана

1. Охлаждаем влажный воздух до точки росы или добавляем в него влагу → 2) на аэрозолях зарождаются капли → 3) выделяется скрытая теплота, рост капель идёт за счёт диффузии пара → 4) при массовом образовании капель видим «молочную» взвесь — туман → 5) при прогреве/подсушивании капли испаряются, видимость восстанавливается.

Так конденсация водяного пара из абстрактного термодинамического процесса превращается в знакомое явление — туман у земли.