Возь­мем в руки кусок са­ха­ра и кос­нем­ся им по­верх­но­сти ки­пят­ка. Ки­пя­ток втя­нет­ся в сахар и дой­дет до наших паль­цев. Од­на­ко мы не по­чув­ству­ем ожога, как по­чув­ство­ва­ли бы, если бы вме­сто са­ха­ра был кусок ваты. Это на­блю­де­ние по­ка­зы­ва­ет, что рас­тво­ре­ние са­ха­ра со­про­вож­да­ет­ся охла­жде­ни­ем рас­тво­ра. Если бы мы хо­те­ли со­хра­нить тем­пе­ра­ту­ру рас­тво­ра не­из­мен­ной, то долж­ны были бы под­во­дить к рас­тво­ру энер­гию. От­сю­да сле­ду­ет, что при рас­тво­ре­нии са­ха­ра внут­рен­няя энер­гия си­сте­мы сахар-вода уве­ли­чи­ва­ет­ся.

То же самое про­ис­хо­дит при рас­тво­ре­нии боль­шин­ства дру­гих кри­стал­ли­че­ских ве­ществ. Во всех по­доб­ных слу­ча­ях внут­рен­няя энер­гия рас­тво­ра боль­ше, чем внут­рен­няя энер­гия взя­тых в от­дель­но­сти кри­стал­ла и рас­тво­ри­те­ля при той же тем­пе­ра­ту­ре.

В при­ме­ре с са­ха­ром не­об­хо­ди­мое для его рас­тво­ре­ния ко­ли­че­ство теп­ло­ты от­да­ет ки­пя­ток, охла­жде­ние ко­то­ро­го за­мет­но даже по не­по­сред­ствен­но­му ощу­ще­нию.

Если рас­тво­ре­ние про­ис­хо­дит в воде при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, то тем­пе­ра­ту­ра по­лу­чив­шей­ся смеси в не­ко­то­рых слу­ча­ях может ока­зать­ся даже ниже 0 °C, хотя смесь и оста­ет­ся жид­кой, по­сколь­ку тем­пе­ра­ту­ра за­сты­ва­ния рас­тво­ра может быть зна­чи­тель­но ниже нуля. Этот эф­фект ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния силь­но охла­жден­ных сме­сей из снега и раз­лич­ных солей.

Снег, на­чи­ная таять при 0 °C, пре­вра­ща­ет­ся в воду, в ко­то­рой рас­тво­ря­ет­ся соль; не­смот­ря на по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, со­про­вож­да­ю­щее рас­тво­ре­ние, по­лу­чив­ша­я­ся смесь не за­твер­де­ва­ет. Снег, сме­шан­ный с этим рас­тво­ром, про­дол­жа­ет таять, за­би­рая энер­гию от рас­тво­ра и, со­от­вет­ствен­но, охла­ждая его. Про­цесс может про­дол­жать­ся до тех пор, пока не будет до­стиг­ну­та тем­пе­ра­ту­ра за­мер­за­ния по­лу­чен­но­го рас­тво­ра. Смесь снега и по­ва­рен­ной соли в от­но­ше­нии 2 : 1 поз­во­ля­ет, таким об­ра­зом, по­лу­чить охла­жде­ние до −21 °C; смесь снега с хло­ри­стым каль­ци­ем (СаСl₂) в от­но­ше­нии 7 : 10 — до −50 °C.

При опре­де­лен­ных усло­ви­ях во­дя­ные пары, на­хо­дя­щи­е­ся в воз­ду­хе, ча­стич­но кон­ден­си­ру­ют­ся, в ре­зуль­та­те чего и воз­ни­ка­ют во­дя­ные ка­пель­ки ту­ма­на. Ка­пель­ки воды имеют диа­метр от 0,5 до 100 мкм.

Возь­мем сосуд, на­по­ло­ви­ну за­пол­ним водой и за­кро­ем крыш­кой. Наи­бо­лее быст­рые мо­ле­ку­лы воды, пре­одо­лев при­тя­же­ние со сто­ро­ны дру­гих мо­ле­кул, вы­ска­ки­ва­ют из воды и об­ра­зу­ют пар над по­верх­но­стью воды. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся ис­па­ре­ни­ем воды. С дру­гой сто­ро­ны, мо­ле­ку­лы во­дя­но­го пара, стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха, слу­чай­ным об­ра­зом могут ока­зать­ся у по­верх­но­сти воды и пе­рей­ти об­рат­но в жид­кость. Это кон­ден­са­ция пара. В конце кон­цов, при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния и кон­ден­са­ции вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, то есть уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. Во­дя­ной пар, на­хо­дя­щий­ся в этом слу­чае над по­верх­но­стью жид­ко­сти, на­зы­ва­ет­ся на­сы­щен­ным.

Если тем­пе­ра­ту­ру по­вы­сить, то ско­рость ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и. рав­но­ве­сие уста­нав­ли­ва­ет­ся при боль­шей плот­но­сти во­дя­но­го пара. Таким об­ра­зом, плот­ность на­сы­щен­но­го пара воз­рас­та­ет с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры (см. рис.).

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы пар стал не про­сто на­сы­щен­ным, а пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным (и пе­ре­сы­щен­ным) при до­ста­точ­ном охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния и ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

Вто­рое усло­вие, не­об­хо­ди­мое для об­ра­зо­ва­ния ту­ма­на,  — это на­ли­чие ядер (цен­тров) кон­ден­са­ции. Роль ядер могут иг­рать ионы, мель­чай­шие ка­пель­ки воды, пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния. Чем боль­ше за­гряз­нен­ность воз­ду­ха, тем боль­шей плот­но­стью от­ли­ча­ют­ся ту­ма­ны.

Гей­зе­ры рас­по­ла­га­ют­ся вб­ли­зи дей­ству­ю­щих или не­дав­но уснув­ших вул­ка­нов. Для из­вер­же­ния гей­зе­ров не­об­хо­ди­ма теп­ло­та, по­сту­па­ю­щая от вул­ка­нов.

Чтобы по­нять фи­зи­ку гей­зе­ров, на­пом­ним, что тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды за­ви­сит от дав­ле­ния (см. рис.).

За­ви­си­мость тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния воды от дав­ле­ния

Пред­ста­вим себе 20-мет­ро­вую гей­зер­ную труб­ку, на­пол­нен­ную го­ря­чей водой. По мере уве­ли­че­ния глу­би­ны тем­пе­ра­ту­ра воды рас­тет. Од­но­вре­мен­но воз­рас­та­ет и дав­ле­ние  — оно скла­ды­ва­ет­ся из ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния и дав­ле­ния стол­ба воды в труб­ке. При этом везде по длине труб­ки тем­пе­ра­ту­ра воды ока­зы­ва­ет­ся не­сколь­ко ниже тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, со­от­вет­ству­ю­щей дав­ле­нию на той или иной глу­би­не. Те­перь пред­по­ло­жим, что по од­но­му из бо­ко­вых про­то­ков в труб­ку по­сту­пи­ла пор­ция пара. Пар вошел в труб­ку и под­нял воду до не­ко­то­ро­го но­во­го уров­ня, а часть воды вы­ли­лась из труб­ки в бас­сейн. При этом тем­пе­ра­ту­ра под­ня­той воды может ока­зать­ся выше тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния при новом дав­ле­нии, и вода не­мед­лен­но за­ки­па­ет.

При ки­пе­нии об­ра­зу­ет­ся пар, ко­то­рый еще выше под­ни­ма­ет воду, за­став­ляя ee вы­ли­вать­ся в бас­сейн. Дав­ле­ние на ниж­ние слои воды умень­ша­ет­ся, так что за­ки­па­ет вся остав­ша­я­ся в труб­ке вода. В этот мо­мент об­ра­зу­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство пара; рас­ши­ря­ясь, он с огром­ной ско­ро­стью устрем­ля­ет­ся вверх, вы­бра­сы­вая остат­ки воды из труб­ки  — про­ис­хо­дит из­вер­же­ние гей­зе­ра.

Но вот весь пар вышел, труб­ка по­сте­пен­но вновь за­пол­ня­ет­ся охла­див­шей­ся водой. Время от вре­ме­ни внизу слы­шат­ся взры­вы  — это в труб­ку из бо­ко­вых про­то­ков по­па­да­ют пор­ции пара. Од­на­ко оче­ред­ной вы­брос воды нач­нет­ся толь­ко тогда, когда вода в труб­ке на­гре­ет­ся до тем­пе­ра­ту­ры, близ­кой к тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния.

Ве­ще­ства во­круг нас чаще всего на­хо­дят­ся в одном из трех ос­нов­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний  — твер­дом, жид­ком либо га­зо­об­раз­ном. При опре­де­лен­ных усло­ви­ях, своих для каж­до­го ве­ще­ства, воз­мож­ны пе­ре­хо­ды ве­ще­ства из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства часто на­зы­ва­ют фа­за­ми, а пе­ре­хо­ды между ними  — фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми. На­при­мер, вода при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. пе­ре­хо­дит из жид­кой фазы в твер­дую (при от­во­де теп­ло­ты) либо из твер­дой фазы в жид­кую (при под­во­де теп­ло­ты). При от­сут­ствии теп­ло­об­ме­на с окру­жа­ю­щи­ми те­ла­ми две фазы ве­ще­ства могут су­ще­ство­вать од­но­вре­мен­но (на­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. лед и вода могут на­хо­дить­ся в теп­ло­вом рав­но­ве­сии друг с дру­гом). Опыт по­ка­зы­ва­ет, что тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход, за­ви­сит от дав­ле­ния. На­при­мер, при по­ни­же­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды по­ни­жа­ет­ся, и по­это­му вы­со­ко в горах вода кипит при тем­пе­ра­ту­ре, мень­шей 100 °C.

Для того чтобы опре­де­лять, в какой фазе будет на­хо­дить­ся ве­ще­ство при дан­ных усло­ви­ях, а также на­хо­дить, как будут про­ис­хо­дить вза­им­ные пре­вра­ще­ния между фа­за­ми, ис­поль­зу­ют­ся спе­ци­аль­ные гра­фи­ки, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся фа­зо­вы­ми диа­грам­ма­ми. В ка­че­стве при­ме­ра на ри­сун­ке по­ка­за­на фа­зо­вая диа­грам­ма для воды.

Фа­зо­вая диа­грам­ма пред­став­ля­ет собой гра­фик, по го­ри­зон­таль­ной оси ко­то­ро­го от­ло­же­на тем­пе­ра­ту­ра t (в °С), а по вер­ти­каль­ной оси  — дав­ле­ние р (в атм.). Ли­ни­я­ми на диа­грам­ме по­ка­за­ны все воз­мож­ные на­бо­ры тем­пе­ра­ту­ры и дав­ле­ния, при ко­то­рых про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход. На нашем ри­сун­ке линия АО со­от­вет­ству­ет фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду лед-пар (и об­рат­но), линия ВО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду пар-жид­кость (и об­рат­но), линия СО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду жид­кость-лед (и об­рат­но). Со­от­вет­ствен­но, об­ла­сти I на диа­грам­ме со­от­вет­ству­ет твер­дое со­сто­я­ние воды, об­ла­сти II  — га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, а об­ла­сти III  — жид­кое со­сто­я­ние. Для того чтобы опре­де­лить, в каком со­сто­я­нии на­хо­дит­ся вода при дан­ных усло­ви­ях, нужно вы­яс­нить, в какой из этих об­ла­стей на диа­грам­ме лежит со­от­вет­ству­ю­щая точка. На­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре +70 °C и дав­ле­нии 0,2 атм. со­от­вет­ству­ю­щая точка 1 лежит на диа­грам­ме в об­ла­сти II, что со­от­вет­ству­ет га­зо­об­раз­но­му со­сто­я­нию. Также при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно опре­де­лять, какой фа­зо­вый пе­ре­ход будет со­вер­шать ве­ще­ство при из­ме­не­нии од­но­го из па­ра­мет­ров. На­при­мер, если при по­сто­ян­ном дав­ле­нии 1,3 атм. уве­ли­чи­вать тем­пе­ра­ту­ру от −50 °C до +40 °C, то вода будет пе­ре­хо­дить из твер­до­го со­сто­я­ния 2 в жид­кое со­сто­я­ние 3. На­ко­нец, при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно вы­яс­нить, как из­ме­ня­ет­ся тем­пе­ра­ту­ра фа­зо­во­го пе­ре­хо­да при из­ме­не­нии дав­ле­ния. На­при­мер, из диа­грам­мы видно, что при по­вы­ше­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся (кри­вая ОВ).

Из фа­зо­вой диа­грам­мы видно, что линии АО, ВО и СО схо­дят­ся в одной точке О. Это озна­ча­ет, что при тем­пе­ра­ту­ре и дав­ле­нии, со­от­вет­ству­ю­щих точке О, три фазы воды (твер­дая, жид­кая и га­зо­об­раз­ная) могут од­но­вре­мен­но су­ще­ство­вать в рав­но­ве­сии друг с дру­гом. Точка О на­зы­ва­ет­ся трой­ной точ­кой.

Не­об­хо­ди­мость в отоп­ле­нии воз­ник­ла в не­за­па­мят­ные вре­ме­на, од­но­вре­мен­но с тем, как люди на­учи­лись стро­ить для себя самые при­ми­тив­ные жи­ли­ща. Пер­вые жи­ли­ща отап­ли­ва­лись ко­стра­ми, потом их сме­ни­ли очаги, затем  — печи. В ходе тех­ни­че­ско­го про­грес­са си­сте­мы отоп­ле­ния по­сто­ян­но со­вер­шен­ство­ва­лись и улуч­ша­лись. Люди учи­лись при­ме­нять новые виды топ­ли­ва, при­ду­мы­ва­ли раз­ные кон­струк­ции ото­пи­тель­ных при­бо­ров, стре­ми­лись умень­шить рас­ход го­рю­че­го и сде­лать ра­бо­ту ото­пи­тель­ной си­сте­мы ав­то­ном­ной, не тре­бу­ю­щей по­сто­ян­но­го кон­тро­ля че­ло­ве­ка. В на­сто­я­щее время наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния, ко­то­рое при­ме­ня­ет­ся для обо­гре­ва как мно­го­квар­тир­ных домов в го­ро­дах, так и не­боль­ших зда­ний в сель­ской мест­но­сти. Прин­цип ра­бо­ты си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния (см. рис.) удоб­но по­яс­нить на при­ме­ре ото­пи­тель­ной си­сте­мы не­боль­шо­го жи­ло­го дома.

Ис­точ­ни­ком теп­ло­ты для ото­пи­тель­ной си­сте­мы слу­жит печь 1, в ко­то­рой могут сго­рать раз­лич­ные виды ор­га­ни­че­ско­го топ­ли­ва  — дрова, торф, ка­мен­ный уголь, при­род­ный газ, неф­те­про­дук­ты и пр. Печь на­гре­ва­ет воду в котле 2. При на­гре­ва­нии вода рас­ши­ря­ет­ся и ее плот­ность умень­ша­ет­ся, в ре­зуль­та­те чего она под­ни­ма­ет­ся из котла вверх по вер­ти­каль­но­му глав­но­му сто­я­ку 3. В верх­ней части глав­но­го сто­я­ка рас­по­ло­жен име­ю­щий выход в ат­мо­сфе­ру рас­ши­ри­тель­ный бак 4, ко­то­рый не­об­хо­дим из-за того, что объем воды уве­ли­чи­ва­ет­ся при на­гре­ва­нии. От верх­ней части глав­но­го сто­я­ка от­хо­дит труба 5 («го­ря­чий тру­бо­про­вод»), по ко­то­ро­му вода по­да­ет­ся к ото­пи­тель­ным при­бо­рам  — ба­та­ре­ям 6, со­сто­я­щим из не­сколь­ких сек­ций каж­дая. После про­те­ка­ния через ба­та­реи остыв­шая вода по об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду 7 вновь по­па­да­ет в котел, опять на­гре­ва­ет­ся и снова под­ни­ма­ет­ся по глав­но­му сто­я­ку. При наи­бо­лее про­стой од­но­труб­ной схеме все ба­та­реи со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом таким об­ра­зом, что все сек­ции ока­зы­ва­ют­ся па­рал­лель­но под­со­еди­нен­ны­ми к го­ря­че­му и к об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду. По­сколь­ку вода при про­те­ка­нии через ба­та­реи по­сте­пен­но осты­ва­ет, для под­дер­жа­ния оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ры в раз­ных по­ме­ще­ни­ях в них де­ла­ют ба­та­реи с раз­ным чис­лом сек­ций (то есть с раз­ной пло­ща­дью по­верх­но­сти). В тех ком­на­тах, в ко­то­рые вода по­сту­па­ет рань­ше и по­это­му имеет более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, ко­ли­че­ство сек­ций в ба­та­ре­ях де­ла­ют мень­ше, и на­о­бо­рот. Вода в такой ото­пи­тель­ной си­сте­ме цир­ку­ли­ру­ет ав­то­ма­ти­че­ски, до тех пор пока в печи горит топ­ли­во. Для того чтобы цир­ку­ля­ция была воз­мож­на, все го­ря­чие тру­бо­про­во­ды и об­рат­ные тру­бо­про­во­ды в си­сте­ме де­ла­ют либо вер­ти­каль­ны­ми, либо с не­боль­шим укло­ном в нуж­ную сто­ро­ну  — так, чтобы вода по ним шла от глав­но­го сто­я­ка об­рат­но к котлу под дей­стви­ем силы тя­же­сти («са­мо­те­ком»). Ско­рость цир­ку­ля­ции воды и сте­пень обо­гре­ва можно ре­гу­ли­ро­вать, умень­шая или уве­ли­чи­вая ко­ли­че­ство топ­ли­ва, сго­ра­ю­ще­го в печи в еди­ни­цу вре­ме­ни. Вода цир­ку­ли­ру­ет в ото­пи­тель­ных си­сте­мах та­ко­го типа тем лучше, чем боль­ше рас­сто­я­ние по вы­со­те между кот­лом и го­ря­чим тру­бо­про­во­дом. По­это­му печь с кот­лом ста­ра­ют­ся рас­по­ла­гать как можно ниже -обыч­но их ста­вят в под­ва­ле либо, при его от­сут­ствии, опус­ка­ют до уров­ня земли, а го­ря­чий тру­бо­про­вод про­во­дят по чер­да­ку.

Для нор­маль­ной ра­бо­ты ото­пи­тель­ной си­сте­мы очень важно, чтобы внут­ри нее не было воз­ду­ха. Для вы­пус­ка воз­душ­ных про­бок, ко­то­рые могут воз­ни­кать в тру­бах и в ба­та­ре­ях, слу­жат спе­ци­аль­ные воз­ду­хо­от­вод­чи­ки, ко­то­рые от­кры­ва­ют­ся при за­пол­не­нии си­сте­мы водой (на ри­сун­ке не по­ка­за­ны). Также на тру­бах в ниж­ней части си­сте­мы уста­нав­ли­ва­ют­ся краны 8, при по­мо­щи ко­то­рых из ото­пи­тель­ной си­сте­мы при не­об­хо­ди­мо­сти сли­ва­ет­ся вода.