§ 9. Испарение и конденсация. Насыщенный пар
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 10 класс |
| Книга: | § 9. Испарение и конденсация. Насыщенный пар |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Среда, 15 Январь 2025, 16:47 |
Почему в плотно закрытом сосуде горячая вода остывает медленнее, чем в открытом? Почему зимой на деревьях иногда появляется иней? Чем идеальный газ отличается от пара?
Испарение и конденсация. Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние — испаряются. Причём скорость испарения зависит от рода жидкости, её температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха. Вследствие испарения воды с поверхности водяной оболочки Земли (гидросферы), с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака, выпадать в виде осадков. Процессы испарения и конденсации распространены в природе и технике, и изучение их особенностей имеет большое практическое значение.
Рассмотрим плотно закрытый сосуд, в котором вода занимает нижнюю часть, а остальное пространство заполнено паром. Молекулы в воде и паре находятся в непрерывном движении и могут как вылетать из воды в пар, так и из пара возвращаться в воду. Таким образом, в сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — переход воды в газообразное состояние (испарение) и переход водяного пара в жидкость (конденсация) (рис. 58).
После герметизации сосуда в течение некоторого промежутка времени испарение жидкости преобладает над конденсацией её пара. Если при этом из окружающей среды к системе «жидкость — пар» не поступает энергия, то жидкость охлаждается. Это происходит вследствие того, что поверхностный слой жидкости покидают молекулы, обладающие наибольшей скоростью. Такие молекулы имеют и наибольшую кинетическую энергию теплового движения, что позволяет им преодолеть силы притяжения, действующие в поверхностном слое жидкости. Работа сил притяжения обеспечивает то, что скорость каждой вылетающей из жидкости молекулы уменьшается, а скорость каждой влетающей в неё молекулы, наоборот, увеличивается. Такие изменения скорости, а значит, и кинетической энергии молекул, пересекающих поверхность жидкости, позволяют системе «жидкость — пар» достичь состояния теплового равновесия, при котором температуры жидкости и её пара одинаковы.
При испарении жидкости в плотно закрытом сосуде плотность пара над ней увеличивается, и одновременно растёт число молекул, влетающих обратно в жидкость. Концентрация молекул пара возрастает до тех пор, пока число N1 молекул, покидающих жидкость (рис. 59), не станет равным числу N2 молекул, возвращающихся в неё за тот же промежуток времени: N1 = N2. Уровень жидкости в сосуде при этом не изменяется с течением времени. Между жидкостью и её паром устанавливается состояние динамического равновесия. Оно будет существовать до тех пор, пока не изменится температура или объём системы.
1. Обычно при испарении жидкость охлаждается. Когда возможно испарение жидкости при постоянной температуре?
2. Если сосуд с водой плотно закрыть, то сначала количество воды уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. Почему?
Насыщенный пар.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называют насыщенным паром.
Давление такого пара называют давлением насыщенного пара.
Насыщенный пар обладает свойствами, отличающимися от свойств идеального газа.
Первое отличие состоит в том, что давление насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Число молекул, переходящих из жидкости в пар через единичную площадку за единичный промежуток времени, зависит только от состава жидкости и её температуры. Число молекул, переходящих из пара в жидкость, зависит от концентрации пара, а значит, от его давления. Поэтому сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию числа молекул, переходящих в жидкость. В результате число молекул пара уменьшается и спустя некоторый промежуток времени устанавливается прежнее давление, если температура жидкости сохранялась неизменной. При увеличении объёма пара его давление, наоборот, уменьшается. Вместе с этим уменьшается и число молекул, переходящих из пара в жидкость. В результате число молекул, которые покидают поверхность жидкости (оно не изменяется при T = const), превышает число молекул, возвращающихся в жидкость. Равновесие опять восстанавливается при достижении первоначального значения давления.
Второе отличительное свойство: при увеличении температуры давление pн насыщенного пара возрастает значительно быстрее, чем давление ри.г идеального газа. В случае идеального газа рост давления обусловлен только увеличением его температуры (p = nkT, V = const). В случае же насыщенного пара рост температуры приводит к увеличению числа молекул, переходящих из жидкости в пар, т. е. к росту концентрации молекул пара. В соответствии с формулой p = nkT давление пара увеличивается не только в результате непосредственного повышения температуры, но и в результате увеличения концентрации молекул пара, вызванного всё тем же повышением.
Давление насыщенного пара зависит также и от рода жидкости. Чем меньше силы взаимодействия между молекулами жидкости, тем больше концентрация молекул насыщенного пара, а значит, тем больше его давление и плотность.
При изменении объёма насыщенного пара его масса также изменяется. Поэтому законы идеального газа для изопроцессов можно применять к пару только в том случае, если он далёк от насыщения и его масса остаётся неизменной.
Однако уравнение Клапейрона–Менделеева можно использовать для нахождения любых параметров (p, V, T, m, ρ) насыщенного пара.
Давление (плотность) насыщенного пара при данной температуре — максимальное давление (плотность), которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью при этой температуре.
1. В сосуде находится жидкость и её насыщенный пар. Зависит ли давление насыщенного пара от: а) рода жидкости; б) объёма сосуда; в) температуры жидкости; г) площади свободной поверхности жидкости?
2. Значение температуры жидкости, находящейся в динамическом равновесии со своим паром, t = 100 C°. Как изменится давление пара, если при неизменной температуре его объём медленно: а) вдвое увеличить; б) вдвое уменьшить?
Ненасыщенный пар. Если сосуд с водой и её насыщенным паром открыть, то пар начнёт выходить наружу, и концентрация его молекул в сосуде уменьшится. Это приведёт к тому, что процесс испарения будет преобладать над процессом конденсации (рис. 60), и уровень жидкости в сосуде понизится. При этом нарушится динамическое равновесие (N1 > N3) между водой и её паром. Давление (плотность) пара уменьшится, и пар станет ненасыщенным.
Ненасыщенный пар — пар, давление (плотность) которого меньше давления (плотности) насыщенного пара при той же температуре.
Процесс испарения воды с поверхности морей и океанов, как правило, преобладает над процессом конденсации. Это означает, что над морями и океанами обычно находится ненасыщенный водяной пар, который, поднимаясь вверх, охлаждается и конденсируется, образуя облака и тучи.
Интересно знать
Воздушная оболочка Земли — атмосфера — представляет собой смесь газов. Атмосферный воздух всегда содержит водяной пар, концентрация молекул которого у поверхности Земли колеблется от 3% в тропиках до 2 · 10–5 % в Антарктиде. Из океанов, морей и рек, а также суши за год испаряется свыше 5 · 1014 м3 воды, что приблизительно равно объёму воды в чёрном море. На испарение затрачивается около половины всей поглощённой поверхностью Земли энергии солнечного излучения. При конденсации пара в атмосферу выделяется такое же количество теплоты, которое ранее потребовалось для испарения жидкости. Это приводит к нагреванию атмосферы и предотвращает резкие колебания температуры. При перемещении водяных паров в атмосфере на большие расстояния происходит их конденсация в областях с более низкой температурой, т. е. в одних областях поверхности и атмосферы Земли преобладают процессы испарения воды, а в других — процессы конденсации водяного пара.
1. Каковы общие черты процессов испарения и конденсации? Чем они отличаются?
2. Почему при испарении жидкость обычно охлаждается?
3. Какой пар называют насыщенным?
4. Какие физические процессы обусловливают состояние динамического равновесия между жидкостью и её паром?
5. Какие свойства насыщенного пара отличают его от идеального газа?
