§ 290. Что происходит при изменении объема жидкости и насыщенного пара

Рассмотрим, что означает утверждение: давление насыщенного пара при неизменной температуре постоянно. Чтобы уяснить суть дела, рассмотрим два опыта.

1. Сосуд 1 (рис. 478) закрыт резиновой пробкой, в которую вставлена воронка 2 с узким концом 3. Верхнее отверстие в воронке можно закрывать резиновой пробкой 4. Нальем в воронку примерно наполовину воды и немедленно закроем ее пробкой. Вода будет некоторое время перетекать из воронки 2 в сосуд 1, но затем перетекание воды прекратится. Это произойдет потому, что по мере перетекания воды из воронки в сосуд объем воздуха в воронке 2 возрастает, а его давление уменьшается (закон Бойля — Мариотта). В то же время объем воздуха в сосуде 1 уменьшается и давление его увеличивается. Наконец, разность давлений в сосуде 1 и в воронке 2 уравновесит давление жидкости и ее течение прекратится.

Рис. 478. В сосуде 1 и воронке 2 находятся вода и воздух; перетекание воды из воронки в сосуд скоро прекращается

2. Теперь рассмотрим специальный прибор (рис. 479). Цилиндрический сосуд 1 соединен узкой трубкой с сосудом 2. Сосуд 2 запаян. Воздух из обоих сосудов перед запаиванием сосуда 2 был удален и в приборе находится только вода и ее пар. Как теперь происходит течение воды? Опрокидывая прибор, мы видим, что вода из сосуда 2 в сосуд 1 перетекает сквозь узкое место полностью, ничуть не задерживаясь. Это значит, что при перетекании воды давление пара ни в сосуде 1, ни в сосуде 2 не меняется, хотя при этом объем пара в сосуде 1 уменьшается, а в сосуде 2 увеличивается. Но в таком случае очевидно, что при опускании уровня воды в сосуде 2 и увеличении объема пара происходит испарение воды как раз в такой мере, что плотность пара и его давление остаются неизменными. Наоборот, в сосуде 1 при уменьшении объема, не занятого жидкостью, пар все время конденсируется как раз настолько, что его плотность и давление тоже остаются постоянными.

Рис. 479. В сосудах 1 и 2 находятся вода и ее пар, воздух отсутствует; вода из сосуда 2 полностью стекает в сосуд 1

С прибором, изображенным на рис. 479, можно произвести  еще следующий поучительный опыт. Если резким движением поднять прибор кверху, то столб воды в сосуде 1 поднимется, а внизу под ним образуется объем, заполненный паром. Затем поднявшийся столб воды упадет вниз. Когда он коснется дна сосуда, то раздастся резкий звенящий звук, как будто на дно упало твердое тело. Этот звук получается потому, что водяной столб, двигаясь в сосуде, не встречает никакого сопротивления со стороны пара. Действительно, на обе поверхности столба действуют одинаковые, но противоположно направленные силы — силы давления насыщенного пара, одинаковые при разных положениях столба в трубке. При перемещении столба жидкости с одной его стороны пар конденсируется в жидкость, а с другой стороны жидкость испаряется, давление же пара остается все время одним и тем же.

Повторив этот опыт с прибором, изображенным на рис. 478, в котором, кроме пара, есть еще и воздух, мы не услышим никакого стука. Воздух оказывает жидкости возрастающее по мере его сжатия, как говорят, «пружинящее» сопротивление. Подобно тому, как при сжатии пружины сила, с которой она действует, увеличивается по мере ее сжатия (по закону Гука), так и здесь сила давления воздуха возрастает по мере уменьшения его объема (по закону Бойля — Мариотта) и потому тормозит движение воды. В отличие от воздуха, насыщенный пар имеет постоянное, не зависящее от объема давление и потому «пружинить» не может.

Этот опыт поясняет нам, почему при исчезновении пузырей пара внутри жидкости получаются резкие удары, иногда ведущие к повреждениям. Примером могут служить пароходные винты, на лопастях которых нередко образуются выбоины от частых ударов воды при исчезновении пузырей, возникающих при работе винта на поверхности лопастей (так называемая кавитация). При неправильной форме пароходного винта кавитация может разрушить его за несколько часов хода.