При каких условиях происходит конденсация пара?

Коротко: пар конденсируется, когда его парциальное давление становится не меньше равновесного (насыщенного) давления при данной температуре. Эквивалентно — когда температура пара опускается до его точки росы. Дальше — подробности «что это значит на практике».

Физическое условие

• Равновесие «пар–жидкость» описывается соотношением
  $p_v = p_{\text{sat}}(T)$,
  где $p_v$ — парциальное давление пара, $p_{\text{sat}}(T)$ — насыщенное давление при температуре $T$.

• Если $p_v > p_{\text{sat}}(T)$, пар пересыщен и лишняя часть конденсируется, пока снова не станет $p_v = p_{\text{sat}}(T)$.

• Удобный бытовой критерий — относительная влажность $\varphi = p_v/p_{\text{sat}}(T)$. Конденсация начинается при $\varphi \ge 100\%$ (или при охлаждении до точки росы $T_d$, такой, что $p_{\text{sat}}(T_d)=p_v$).

Как довести систему до конденсации

1. Охлаждение при примерно постоянном давлении. Самый частый случай: тёплый влажный воздух соприкасается с холодным стеклом, трубой, землёй ночью → поверхность холоднее точки росы → выпадает роса, иней, «запотевание» стекла.

2. Сжатие при постоянной температуре. Повышаем $p_v$ без изменения $T$ → достигаем насыщения. Так, при компримировании влажного газа в аппаратах часто образуется конденсат.

3. Добавление пара (испарение) без изменения температуры. Например, в бане: интенсивное испарение повышает $p_v$ до насыщения → туман.

4. Смешение потоков разной температуры/влажности. Даже если оба по отдельности ненасыщены, их смесь может иметь точку росы выше своей температуры → туман у устья тёплых источников, «дыхание» в мороз.

5. Адиабатическое охлаждение (расширение/подъём воздуха). При подъёме воздух расширяется и остывает; $p_{\text{sat}}(T)$ падает быстрее, чем $p_v$ — начинается конденсация → облака.

Роль поверхностей и ядер конденсации

• Гетерогенная конденсация (на стенках, пыли, аэрозолях) начинается уже при $\varphi \approx 100\%$ — именно так образуются облака и туман.

• Гомогенная конденсация (в идеально чистом паре, «в объёме») требует существенного пересыщения из-за барьера зародышеобразования: без центров капелькам трудно «родиться».

• Кривизна поверхности важна (уравнение Кельвина): на очень малых каплях давление насыщения выше, чем над плоской поверхностью, поэтому для их роста нужно большее пересыщение. Зато в микропорах/капиллярах возможна «капиллярная конденсация» даже при $\varphi<100\%$.

Тепловой баланс

• Конденсация выделяет скрытую теплоту; чтобы процесс продолжался, это тепло надо отводить (холодной поверхностью, теплообменом или за счёт расширения/перемешивания). Если тепло не отводится, температура растёт, $p_{\text{sat}}(T)$ повышается — и конденсация приостанавливается.

Итоговые условия в одной строке

Конденсация наступает, когда система достигает насыщения ($p_v \ge p_{\text{sat}}(T)$ или $T \le T_d$), в среде есть центры конденсации (или обеспечено достаточное пересыщение для гомогенного зарождения), и присутствует отвод выделяющегося тепла.