§ 9. Выпарэнне і кандэнсацыя. Насычаная пара
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Фізіка. 10 клас |
| Книга: | § 9. Выпарэнне і кандэнсацыя. Насычаная пара |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Суббота, 27 Апрель 2024, 15:05 |
Чаму ў шчыльна закрытай пасудзіне гарачая вада астывае павольней, чым у адкрытай? Чаму зімой на дрэвах часам з’яўляецца іней? Чым ідэальны газ адрозніваецца ад пары?
Выпарэнне і кандэнсацыя. З паўсядзённага досведу мы ведаем, што вадкасці, напрыклад вада, знаходзячыся ў адкрытых пасудзінах, з цягам часу пераходзяць у газападобны стан — выпарваюцца. Прычым хуткасць выпарэння залежыць ад роду вадкасці, яе тэмпературы, плошчы свабоднай паверхні і ад прытоку паветра. У выніку выпарэння вады з паверхні вадзяной абалонкі Зямлі (гідрасферы), з паверхні глебы і расліннага покрыва ў паветры заўсёды знаходзіцца вадзяная пара, якая можа кандэнсавацца, утвараць воблакі, вяртацца на зямлю ў выглядзе ападкаў. Працэсы выпарэння і кандэнсацыі распаўсюджаны ў прыродзе і тэхніцы, і вывучэнне іх асаблівасцей мае вялікае практычнае значэнне.
Разгледзім шчыльна закрытую пасудзіну, у якой вада займае ніжнюю частку, а астатняя прастора запоўнена парай. Малекулы ў вадзе і пары знаходзяцца ў бесперапынным руху і могуць як пераходзіць з вады ў пару, так і вяртацца з пары ў ваду. Такім чынам, у пасудзіне адначасова адбываюцца два процілегла накіраваныя працэсы — пераход вады ў газападобны стан (выпарэнне) і пераход вадзяной пары ў вадкасць (кандэнсацыя) (мал. 58).
Пасля герметызацыі пасудзіны на працягу некаторага прамежку часу выпарэнне вадкасці пераважае над кандэнсацыяй яе пары. Калі пры гэтым з навакольнага асяроддзя да сістэмы «вадкасць — пара» не паступае энергія, то вадкасць ахалоджваецца. Гэта адбываецца ў выніку таго, што паверхневы слой вадкасці пакідаюць малекулы, якія валодаюць найбольшай скорасцю. Такія малекулы маюць і найбольшую кінетычную энергію цеплавога руху, што дазваляе ім пераадолець сілы прыцяжэння, якія дзейнічаюць у паверхневым слоі вадкасці. Работа сіл прыцяжэння ўплывае такім чынам, што скорасць кожнай малекулы, якая вылятае з вадкасці, памяншаецца, а скорасць кожнай малекулы, якая ўлятае ў яе, наадварот, павялічваецца. Такое змяненне скорасці, а значыць, і кінетычнай энергіі малекул, якія перасякаюць паверхню вадкасці, дазваляе сістэме «вадкасць — пара» дасягнуць стану цеплавой раўнавагі, пры якой тэмпературы вадкасці і яе пары аднолькавыя.
Пры выпарэнні вадкасці ў добра закрытай посудзіне шчыльнасць пары над ёй павялічваецца, і адначасова расце колькасць малекул, што ўлятаюць назад у вадкасць. Канцэнтрацыя малекул пары ўзрастае да таго часу, пакуль колькасць N1 малекул, якія пакідаюць вадкасць (мал. 59), не стане роўнай колькасці N2 малекул, якія вяртаюцца ў яе за той самы прамежак часу: N1 = N2. Узровень вадкасці ў пасудзіне пры гэтым не змяняецца з цягам часу. Паміж вадкасцю і яе парай устанаўліваецца стан дынамічнай раўнавагі. Ён будзе існаваць да таго часу, пакуль не зменіцца тэмпература ці аб’ём сістэмы.
1. Звычайна пры выпарэнні вадкасць ахалоджваецца. У якім выпадку магчыма выпарэнне вадкасці пры пастаяннай тэмпературы?
2. Калі пасудзіну з вадой шчыльна закрыць, то спачатку колькасць вады паменшыцца, а затым будзе заставацца пастаяннай. Чаму?
Насычаная пара.
Пару, якая знаходзіцца ў стане дынамічнай раўнавагі з вадкасцю, называюць насычанай парай.
Ціск такой пары называюць ціскам насычанай пары.
Насычаная пара валодае ўласцівасцямі, якія адрозніваюцца ад уласцівасцей ідэальнага газу.
Першае адрозненне заключаецца ў тым, што ціск насычанай пары не залежыць ад яе аб’ёму пры пастаяннай тэмпературы. Лік малекул, якія пераходзяць з вадкасці ў пар праз адзінкавую пляцоўку за адзінкавы прамежак часу, залежыць толькі ад складу вадкасці і яе тэмпературы. Колькасць малекул, якія пераходзяць з пары ў вадкасць, залежыць ад канцэнтрацыі пары, а значыць, ад яе ціску. Таму адразу пры памяншэнні аб’ёму пары яе ціск павялічваецца, што вядзе да ўзрастання колькасці малекул, якія пераходзяць у вадкасць. У выніку колькасць малекул пары памяншаецца і праз некаторы прамежак часу ўстанаўліваецца ранейшы ціск, пры ўмове, што тэмпература вадкасці захоўвалася нязменнай. Пры павелічэнні аб’ёму пары яе ціск, наадварот, памяншаецца. Разам з гэтым памяншаецца і колькасць малекул, якія пераходзяць з пары ў вадкасць. У выніку колькасць малекул, што пакідаюць паверхню вадкасці (яна не змяняецца пры T = const), перавышае колькасць малекул, якія вяртаюцца ў вадкасць. Раўнавага зноў аднаўляецца пры дасягненні першапачатковага значэння ціску.
Другая адметная ўласцівасць: пры павелічэнні тэмпературы ціск pн насычанай пары ўзрастае значна хутчэй, чым ціск рі.г ідэальнага газу. У выпадку ідэальнага газу рост ціску абумоўлены толькі павелічэннем яго тэмпературы (p = nkT, V = const). У выпадку ж насычанай пары рост тэмпературы прыводзіць да павелічэння колькасці малекул, якія пераходзяць з вадкасці ў пару, гэта значыць да росту канцэнтрацыі малекул пары. У адпаведнасці з формулай p = nkT ціск пары павялічваецца не толькі ў выніку непасрэднага павышэння тэмпературы, але і ў выніку павелічэння канцэнтрацыі малекул пары, выкліканага зноў жа павышэннем тэмпературы.
Ціск насычанай пары залежыць таксама і ад роду вадкасці. Чым меншыя сілы ўзаемадзеяння паміж малекуламі вадкасці, тым большая канцэнтрацыя малекул насычанай пары, а значыць, тым большыя яе ціск і шчыльнасць.
Пры змене аб’ёму насычанай пары яе маса таксама змяняецца. Таму законы ідэальнага газу для ізапрацэсаў можна прымяняць да пары толькі ў тым выпадку, калі яна далёкая ад насычэння і яе маса застаецца нязменнай. Аднак ураўненне Клапейрона — Мендзялеева можна выкарыстоўваць для знаходжання любых параметраў (p, V, T, m, ρ) насычанай пары.
Ціск (шчыльнасць) насычанай пары пры дадзенай тэмпературы — максімальны ціск (шчыльнасць), які можа мець пара, што знаходзіцца ў стане дынамічнай раўнавагі з вадкасцю пры гэтай тэмпературы.
1. У пасудзіне знаходзіцца вадкасць і яе насычаная пара. Ці залежыць ціск насычанай пары ад: а) роду вадкасці; б) аб’ёму пасудзіны; в) тэмпературы вадкасці; г) плошчы свабоднай паверхні вадкасці?
2. Значэнне тэмпературы вадкасці, якая знаходзіцца ў дынамічнай раўнавазе са сваёй парай, t = 100 °С. Як зменіцца ціск пары, калі пры нязменнай тэмпературы яе аб’ём павольна: а) у два разы павялічыць; б) у два разы паменшыць?
Ненасычаная пара. Калі пасудзіну з вадой і яе насычанай парай адкрыць, то пара пачне выходзіць, і канцэнтрацыя яе малекул у пасудзіне паменшыцца. Гэта прывядзе да таго, што працэс выпарэння будзе пераважаць над працэсам кандэнсацыі (мал. 60), і ўзровень вадкасці ў пасудзіне панізіцца. Пры гэтым парушыцца дынамічная раўнавага (N1 > N3) паміж вадой і яе парай. Ціск (шчыльнасць) пары паменшыцца, і пара стане ненасычанай.
Ненасычаная пара — пара, ціск (шчыльнасць) якой меншы, чым ціск (шчыльнасць) насычанай пары пры той самай тэмпературы.
Працэс выпарэння вады з паверхні мораў і акіянаў, як правіла, пераважае над працэсам кандэнсацыі. Гэта азначае, што над морамі і акіянамі звычайна знаходзіцца ненасычаная вадзяная пара, якая ўзнімаецца ўверх, ахалоджваецца і кандэнсуецца, утвараючы воблакі і хмары.
Цікава ведаць
Паветраная абалонка Зямлі — атмасфера — з’яўляецца сумессю газаў. Атмасфернае паветра заўсёды змяшчае вадзяную пару, канцэнтрацыя малекул якой каля паверхні Зямлі вагаецца ад 3 % у тропіках да 2 · 10–5 % у Антарктыдзе. З акіянаў, мораў і рэк, а таксама сушы за год выпараецца звыш 5 · 1014 м3 вады — прыблізна столькі, як аб’ём вады ў Чорным моры. На выпарэнне затрачваецца каля паловы ўсёй энергіі сонечнага выпраменьвання, паглынутай паверхняй Зямлі. Пры кандэнсацыі пары ў атмасферу выдзяляецца такая колькасць цеплаты, якая раней спатрэбілася на выпарэнне вадкасці. Гэта прыводзіць да награвання атмасферы і прадухіляе рэзкія ваганні тэмпературы. Пры перамяшчэнні вадзяной пары ў атмасферы на вялікія адлегласці адбываецца яе кандэнсацыя на ўчастках з больш нізкай тэмпературай, гэта значыць, што на адных участках паверхні і атмасферы Зямлі пераважаюць працэсы выпарэння вады, а на другіх — працэсы кандэнсацыі вадзяной пары.
1. Якія агульныя рысы працэсаў выпарэння і кандэнсацыі? Чым яны адрозніваюцца?
2. Чаму пры выпарэнні вадкасць звычайна ахалоджваецца?
3. Якую пару называюць насычанай?
4. Якія фізічныя працэсы абумоўліваюць стан дынамічнай раўнавагі паміж вадкасцю і яе парай?
5. Якія ўласцівасці насычанай пары адрозніваюць яе ад ідэальнага газу?
