Пересичена пара

Переси́чена (перенаси́чена) па́ра (англ. supersaturated vapor) — пара, тиск якої перевищує тиск насиченої пари за даної температури^[1]. Може отримуватися шляхом збільшення тиску пари в об'ємі, вільному від центрів конденсації (пилинок, іонів, краплинок рідини малих розмірів тощо). Інший спосіб отримання — охолодження насиченої пари за тих же умов. Насичену пару, отриману останнім способом, ще називають переохолодженою парою^[2][3]. Крім того, іноді в літературі зустрічається термін перенасичена пара.

Ізотерми реального газу (схематично)
Лінії:
Сині — ізотерми за температури нижчої від критичної. Зелені ділянки на них — метастабільні стани.
Червона — критична ізотерма.
Блакитні — надкритичні ізотерми.
Точки:
Точка F — точка кипіння.
Точка K — критична точка.
Точка G — точка роси.
Ділянки:
Ділянка, що лежить лівіше від точки F — нормальна рідина.
Пряма FG — рівновага рідкої і газоподібної фази.
Ділянка FA — перегріта рідина.
Ділянка F′A — розтягнена рідина (p<0)
Ділянка AC — аналітичне продовження ізотерми, фізично неможливий стан.
Ділянка CG — пересичена (переохолоджена) пара.
Ділянка, що лежить правіше від точки G — нормальний газ (перегріта пара).
Примітка: Площі фігур FAB і GCB однакові.

Стан пересичення пари є метастабільним, тобто такий стан пари здатен існувати тривалий час, проте він є термодинамічно нестійким^[4]. Так, при появі будь-яких центрів конденсації частина пари конденсується, тиск пари, яка залишилася падає, і вона переходить у стійкий стан насиченої пари над сконденсованою рідиною. Встановлюється динамічна рівновага між рідкою і газоподібною фазами.

Застосування

Охолодити пару і отримати в результаті пересичену пару можна шляхом швидкого розширення насиченої або навіть перегрітої пари у процесі, близькому до адіабатичного. При швидкому розширенні суттєвий теплообмін з навколишнім середовищем відбутись не встигає, тому у такому процесі пара охолоджується. Цей спосіб отримання пересиченої пари використовується у камері Вільсона — лабораторному пристрої, що призначений для візуалізації траєкторій заряджених часток^[3].

Швидка заряджена частка^[5], що влетіла в камеру, наповнену перенасиченою парою, при зіткненнях з молекулами газу викликає їх іонізацію. Іони, які утворюються, виступають в ролі центрів (зародків) конденсації, і пересичена пара, що знаходиться в камері, починає конденсуватися на них. Поступово в результаті конденсації розмір крапельок рідини збільшується, досягаючи розмірів порівнянних з довжиною хвилі світла і починають досить добре розсіювати видиме світло. Ці крапельки розташовуються ланцюжком (треком) вздовж траєкторії частинки, роблять її добре видимою і доступною для спостереження і фотографування. Після реєстрації треків частинок в камері Вільсона її необхідно знову активувати, тобто знову створити в ній пересичену пару. Це досягається підвищенням тиску в камері, наприклад, рухом поршня на стиск. При адіабатичному стисненні, що супроводжується нагріванням газу, пересичена або насичена пара переходить в перегріту пару, при цьому крихітні крапельки рідини, завислі в газі, швидко випаровуються. Подальше адіабатичне розширення газу в камері готує її до повторної реєстрації нових треків часток.

Інший спосіб отримання пересиченої пари використовується в дифузійних камерах (вперше використана американським фізиком А. Лангсдорфом у 1936 році), призначених для тих же цілей, що і камера Вільсона. У цих камерах пересичення пари відбувається в результаті безперервного руху потоку пари від відносно гарячої кришки камери до підтримуваної при зниженій температурі поверхні дна. У просторі між кришкою і дном формується область наповнена пересиченою парою. Поблизу кришки — перегріта пара, поблизу дна — насичена пара. На відміну від камери Вільсона, в дифузійної камері пересичена пара існує постійно, тому вона може використовуватися для спостережень треків заряджених часток безперервно.

Див. також

• Конденсація
• Кипіння
• Насичена пара