Если на морозе зажечь спичку и выдохнуть на неё воздух, то образуется туман. Как объяснить это явление?

Для объяснения этого явления необходимо понять процессы, связанные с изменением температуры, влажности воздуха и фазовыми переходами воды. Рассмотрим основные теоретические аспекты, которые помогут объяснить образование тумана:

1. Состав выдыхаемого воздуха:

   • В процессе дыхания человек вдыхает атмосферный воздух, который содержит азот (~78%), кислород (~21%), углекислый газ (~0,04%) и водяной пар (~1%, в зависимости от влажности).
   • Выдыхаемый воздух насыщен водяным паром, поскольку в организме происходит испарение воды с поверхности лёгких, слизистых оболочек и дыхательных путей. Таким образом, в выдыхаемом воздухе содержание водяного пара значительно выше, чем в окружающем холодном воздухе.

2. Температура окружающего воздуха:

   • На морозе температура воздуха ниже 0°C. Холодный воздух способен содержать гораздо меньше водяного пара, чем тёплый, поскольку с понижением температуры уменьшается ёмкость воздуха для водяного пара. Это связано с тем, что парциальное давление насыщенного водяного пара (максимальное давление, при котором пар может находиться в равновесии с жидкой водой) уменьшается с уменьшением температуры.

3. Охлаждение выдыхаемого воздуха:

   • Выдыхаемый воздух, насыщенный водяным паром, имеет температуру, близкую к температуре тела человека (~36,6°C). Когда этот тёплый воздух выходит изо рта, он быстро смешивается с холодным наружным воздухом.
   • При этом температура выдыхаемого воздуха быстро падает из−за теплообмена с окружающей средой.

4. Конденсация водяного пара:

   • Если температура воздуха падает ниже определённого значения (точка росы), водяной пар из выдыхаемого воздуха начинает конденсироваться. Это происходит потому, что холодный воздух не способен удерживать такое количество водяного пара в газообразной форме.
   • В результате избыточный водяной пар превращается в мельчайшие капельки воды. Эти капельки взвешены в воздухе и образуют видимый туман.

5. Роль пламени спички:

   • При горении спички выделяется тепло и продукты сгорания, среди которых также содержатся водяной пар и углекислый газ.
   • Пламя дополнительно нагревает воздух и насыщает его водяным паром. Когда человек выдыхает на пламя, выдыхаемый воздух смешивается с продуктами горения, а затем охлаждается на морозе.
   • Это способствует более интенсивной конденсации водяного пара, так как смесь становится перенасыщенной водяным паром, и избыточный пар конденсируется в виде тумана.

6. Механизм образования тумана:

   • Туман представляет собой аэрозоль — систему, состоящую из мельчайших капелек воды, равномерно распределённых в воздухе.
   • Эти капельки достаточны по размеру, чтобы отражать свет, делая туман видимым для глаза. Чем больше разница температур между выдыхаемым воздухом и окружающей средой, тем интенсивнее происходит процесс охлаждения и конденсации, что приводит к более плотному туману.

Таким образом, образование тумана при выдохе на пламя спички связано с физическими процессами теплообмена, насыщения воздуха водяным паром, охлаждения и последующей конденсации пара в капельки воды.