21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #215700

$1)$ Наличие тумана означает образование в объеме под колпаком множества мелких капелек воды, то есть конденсацию водяного пара. Конденсация возможна, когда газ становится пересыщенным по паре воды, то есть когда отношение парциального давления водяного пара $p$ к давлению насыщенных паров при данной температуре $p_{\mathrm{нас}}(T)$ достигает или превышает единицу: $$\varphi=\dfrac{p}{p_{\mathrm{нас}}(T)}\ge 1$$

$2)$ Что происходит при откачивании воздуха. При быстрой откачке суммарное давление воздуха под колпаком уменьшается. В реальном процессе имеют место два важных эффекта, приводящих к образованию пересыщения и конденсации:
-адиабатическое охлаждение оставшегося газа при быстром уменьшении давления (для ближайших слоев газа происходит разрежение и температура уменьшается), и
-интенсификация испарения с мокрой ваты при пониженном парциальном давлении воды, что требует подвода теплоты в виде тепла парообразования и, как следствие, вызывает охлаждение поверхности ваты и окружающего воздуха (испарительное охлаждение).
Оба эффекта понижают местную температуру $T$ и/или повышают локальную парциальную плотность пара так, что отношение $$\varphi=\dfrac{p}{p_{\mathrm{нас}}(T)}$$ возрастает и может превысить единицу, что ведет к конденсации капелек.

$3)$ Роль центров конденсации. Для превращения пересыщенного пара в видимые капельки нужна гетерогенная нуклеация на взвешенных частицах (пыль, сажа, дым). Частицы дыма дают поверхности, на которых при невысоком пересыщении пар легко конденсируется. В отсутствие таких центров (без дыма) требуется значительно более высокая степень пересыщения для однородной нуклеации, которую в данном эксперименте обычно не достигают, поэтому туман не появляется.

$4)$ Почему при напускании воздуха туман почти мгновенно исчезает. При впуске наружного воздуха давление и температура в колпаке быстро возвращаются к исходным значениям, увеличивается $p_{\mathrm{нас}}(T)$ и/или уменьшается относительное пересыщение, поэтому условия для существования капелек нарушаются и они быстро испаряются. Кроме того с потоком приходящего воздуха и за счет повышения температуры капли быстро испаряются и туман рассеивается.

Использованные физические закономерности и соображения:
$1)$ связь насыщенного парциального давления и температуры (параметры насыщенного пара зависят от $T,$ описывается уравнением Клапейрона — Менделеева и зависимостью $p_{\mathrm{нас}}(T),$ а также эмпирическими кривыми насыщения),
$2)$ закон адиабатического расширения / сжатия газа (изменение температуры при быстром изменении давления),
$3)$ принцип сохранения энергии при испарении (испарение требует теплоты и приводит к охлаждению поверхности),
$4)$ теория нуклеации: для образования капелек требуются центры конденсации (гетерогенная нуклеация), которыми служат частицы дыма.

Итог: при напускании воздуха туман исчезает потому, что давление и температура возвращаются к таким значениям, при которых существование мелких капелек несостоятельно, и капли быстро испаряются. Дым от спички играет роль центров конденсации, без которых образование тумана при откачивании не происходит в данных условиях.