Физика. Уровень стандарта. 10 класс. Барьяхтар

§ 31. Парообразование и конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар. Кипение

Любое вещество при определенных условиях может переходить из одного фазового (агрегатного) состояния в другое. Влажная одежда может «замерзнуть», а может высохнуть, водяной пар может собраться в капельки воды, образуя туман или росу, а может превратиться в иней. Вспомним, при каких условиях происходит переход вещества из жидкого состояния в газообразное и наоборот.

1. Каковы особенности испарения жидкости

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием.

Есть два способа перехода жидкости в газ: испарение и кипение.

Испарение — это процесс парообразования с поверхности жидкости.

С точки зрения МКТ парообразование — это такой процесс, когда с поверхности жидкости вылетают быстрые молекулы. Действительно, молекулы жидкости непрерывно движутся (колеблются около положений равновесия, время от времени перепрыгивают с места на место), но силы притяжения не дают им разлететься. Однако в жидкости всегда есть молекулы, кинетическая энергия которых в несколько раз превышает ее среднее значение. Когда эти «быстрые» молекулы оказываются на поверхности жидкости, их энергии хватает для того, чтобы, преодолев притяжение соседних молекул, покинуть жидкость.

Зная механизм испарения, отметим некоторые его особенности.

1. Испарение происходит при любой температуре. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней «быстрых» молекул, поэтому с увеличением температуры скорость испарения увеличивается. Поскольку жидкость покидают молекулы, кинетическая энергия которых выше средней, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, то есть при отсутствии теплообмена процесс испарения вызывает охлаждение жидкости.

2. Испарение сопровождается поглощением энергии: энергия расходуется на совершение работы против сил межмолекулярного притяжения и сил внешнего давления. Чем меньше давление на свободную поверхность жидкости, тем быстрее жидкость испаряется.

3. Скорость испарения увеличивается при увеличении площади свободной поверхности жидкости (на поверхности жидкости будет больше молекул с достаточной кинетической энергией).

4. Разные жидкости испаряются с разной скоростью (спирт испаряется почти мгновенно, вода — медленнее, а капля ртути будет испаряться годами, отравляя воздух). Очевидно, что медленнее испаряются те жидкости, молекулы которых сильнее взаимодействуют друг с другом.

Рис. 31.1. К заданию в § 31

Какие особенности испарения жидкости иллюстрирует каждая ситуация на рис. 31.1? Приведите собственные примеры.

2. Какой пар называют насыщенным

Скорость испарения зависит от движения воздуха: волосы быстрее высохнут, если их сушить феном; лужи после дождя быстрее исчезнут в ветреную погоду. Такую зависимость легко объяснить с точки зрения теплового движения молекул. Около поверхности жидкости всегда существует «облако» покинувших ее молекул, то есть пар этой жидкости. Молекулы пара беспорядочно движутся, сталкиваясь друг с другом и с молекулами других газов.

Благодаря диффузии и движению воздуха некоторые молекулы пара удаляются от поверхности жидкости и уже никогда в нее не возвращаются. Другие молекулы, наоборот, могут оказаться так близко к поверхности, что силы межмолекулярного взаимодействия «захватывают» их и возвращают в жидкость (см. рис. 31.2). Если бы молекулы, покинувшие жидкость, не возвращались, то скорость испарения была бы огромной. Например, при комнатной температуре ведро воды испарилось бы менее чем за час.

Рис. 31.2. Молекулы, покинувшие жидкость, могут снова вернуться в нее вследствие теплового движения: а — пар над поверхностью жидкости ненасыщенный; б — пар над поверхностью жидкости насыщенный

Таким образом, наряду с процессом испарения, в ходе которого жидкость переходит в пар, существует обратный процесс, в ходе которого вещество из газообразного состояния переходит в жидкое.

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Испарение сопровождается поглощением энергии; при конденсации энергия выделяется.

Закроем крышкой сосуд с некоторым объемом жидкости (рис. 31.2, б). Поверхность жидкости по-прежнему будут покидать «быстрые» молекулы, масса жидкости будет уменьшаться, а концентрация молекул пара — увеличиваться. Одновременно часть молекул будет возвращаться из пара в жидкость. Очень быстро концентрация молекул пара над жидкостью станет настолько высокой, что число молекул, возвращающихся в жидкость, будет равно числу молекул, покидающих ее за то же время, — между процессами конденсации и испарения установится динамическое равновесие.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным паром.

Обратите внимание! Концентрация молекул насыщенного пара — наибольшая возможная концентрация молекул пара при данной температуре; пар, концентрация молекул которого меньше, чем в насыщенном, называют ненасыщенным паром.

3. От каких факторов зависит давление насыщенного пара

Для насыщенного пара, как и для любого газа, справедливо равенство p = nkT.

То есть при данной температуре T давление p насыщенного пара прямо пропорционально концентрации n его молекул. Поскольку концентрация молекул насыщенного пара зависит от рода жидкости, то и давление насыщенного пара зависит от рода жидкости (табл. 1). Чем больше силы межмолекулярного взаимодействия, тем меньше концентрация молекул насыщенного пара и, следовательно, тем меньше его давление.

Таблица 1

Давление насыщенного пара при 20 °C

Вещество

Давление, мм рт. ст.

Ртуть

0,0013

Вода

17,36

Хлороформ

160,5

Эфир

442,4

Хлор

5798 (7,63 атм)

Аммиак

6384 (8,4 атм)

Кроме того, давление насыщенного пара зависит от температуры. При увеличении температуры давление насыщенного пара растет гораздо быстрее, чем давление идеального газа (рис. 31.3). Дело в том, что одновременно с ростом температуры увеличивается концентрация молекул пара.

Рис. 31.3. Зависимость давления от температуры: а — для идеального газа; б — для насыщенного пара (точка А соответствует полному испарению жидкости)

Обратите внимание! Если повышение температуры приведет к полному испарению жидкости, то в дальнейшем пар станет ненасыщенным и его давление будет линейно зависеть от температуры.

Давление, создаваемое насыщенным паром, — наибольшее давление, которое может создать пар данной жидкости при данной температуре. Если уменьшить объем, занимаемый насыщенным паром, то на короткое время концентрация молекул пара увеличится, динамическое равновесие нарушится и число молекул, поступающих в жидкость, превысит число молекул, покидающих ее. Конденсация будет преобладать над испарением до тех пор, пока концентрация молекул пара не уменьшится до концентрации молекул насыщенного пара, а давление не станет равным давлению насыщенного пара. С увеличением объема, занимаемого насыщенным паром, наоборот, будет преобладать процесс испарения, и в результате снова установится начальное давление. Таким образом, в отличие от идеального газа, давление насыщенного пара не зависит от его объема (рис. 31.4).

Рис. 31.4. Зависимость давления от объема: а — для идеального газа; б — для насыщенного пара. Точка А соответствует полному испарению жидкости; пар становится ненасыщенным, и его давление уменьшается обратно пропорционально объему

4. Как и почему кипит жидкость

Если к сосуду с жидкостью подвести достаточное количество теплоты, температура жидкости будет увеличиваться, а дно и стенки сосуда покроются пузырьками*. Эти пузырьки содержат воздух и насыщенный пар, давление которых будет расти с ростом температуры. Как только давление газа внутри пузырьков превысит внешнее давление, пузырьки начнут увеличиваться в объеме (рис. 31.5, а). Наконец под действием архимедовой выталкивающей силы они оторвутся от дна сосуда и начнут всплывать; на месте оторвавшихся пузырьков останется небольшое количество газа — «зародыши» новых пузырьков (рис. 31.5, б).

* На самом деле микропузырьки газа присутствуют в жидкости всегда, но заметны только при достаточно высокой температуре. Дело в том, что в начале нагревания жидкость насыщена газом, растворимость которого уменьшается с ростом температуры, и «лишний» газ выделяется внутрь пузырьков.

Рис. 31.5. Механизм кипения жидкости

Пока верхние слои жидкости чуть холоднее нижних, в верхних слоях часть водяного пара в пузырьках конденсируется и они «схлопываются». Этот процесс сопровождается шумом и образованием многочисленных мелких пузырьков газа — жидкость «кипит белым ключом».

Когда жидкость полностью прогреется, пузырьки, поднимаясь, увеличиваются в объеме, ведь в их середину непрерывно испаряется жидкость (рис. 31.5, в). Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, выбрасывая пар в атмосферу; жидкость при этом бурлит и клокочет — кипит (рис. 31.5, г).

Кипение — процесс парообразования, который происходит по всему объему жидкости и сопровождается образованием и ростом пузырьков пара.

5. От каких факторов зависит температура кипения жидкости

Продолжая нагревать уже кипящую жидкость, можно заметить, что во время кипения температура жидкости не изменяется (рис. 31.6). Если увеличить количество теплоты, подводимой к жидкости, то увеличится количество пузырьков, то есть возрастет интенсивность парообразования. Таким образом, при кипении вся подводимая энергия идет на парообразование.

Рис. 31.6. График зависимости температуры жидкости от времени нагревания. После достижения температуры кипения температура жидкости не изменяется

Жидкость начинает кипеть (пузырьки начинают увеличиваться в объеме) только тогда, когда давление газа в пузырьках (pг) становится чуть больше давления в жидкости (pж). В пузырьках содержатся воздух и насыщенный пар, однако воздуха в них гораздо меньше, чем пара, поэтому давление газа в пузырьках примерно равно давлению насыщенного пара (pн.п): pг ≈ pн.п. Давление в жидкости складывается из внешнего давления (давления на поверхность жидкости) (pвнеш) и гидростатического давления столба жидкости (ρgh): pж = pвнеш + ρgh. Если глубина сосуда меньше метра, то гидростатическим давлением жидкости можно пренебречь, поэтому pж ≈ pвнеш.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара немного превышает внешнее давление.

Чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре кипит данная жидкость (рис. 31.7). Если налить в колбу воду и насосом откачивать из колбы воздух, то вода закипит даже при комнатной температуре. И наоборот, если необходимо повысить температуру кипения жидкости, ее нагревают в условиях повышенного давления (рис. 31.8).

Рис. 31.7. Температура кипения воды на разных высотах (и соответственно — при разном давлении)

Рис. 31.8. До высоких температур воду нагревают в автоклавах. При давлении свыше 100 атмосфер температура кипения воды увеличивается до 300 °С

Поскольку давление насыщенного пара зависит от рода жидкости, то при одинаковом внешнем давлении каждое вещество имеет свою температуру кипения (табл. 2). Чем меньше силы межмолекулярного притяжения в жидкости, тем ниже температура ее кипения.

Таблица 2

Температура кипения веществ при нормальном атмосферном давлении

Вещество

tкип, °С

Водород

-253

Эфир

35

Спирт

78

Вода

100

Глицерин

290

Ртуть

357

Свинец

1740

Температура кипения жидкости зависит от наличия в ней растворенного газа. Если долго кипятить воду и таким образом удалить из нее растворенный газ, то повторно при нормальном давлении эту воду можно будет нагреть до температуры выше 100 °С.

Подводим итоги

• Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Парообразование может происходить двумя путями: испарением и кипением.

  • Испарение — процесс парообразования с поверхности жидкости. Наряду с процессом испарения существует процесс конденсации — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
  • Кипение — процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости и сопровождающийся образованием и увеличением пузырьков пара. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках немного превышает внешнее давление.

• Если за одинаковое время число молекул, вылетевших с поверхности жидкости, равно числу молекул, вернувшихся в жидкость, то жидкость и ее пар находятся в состоянии динамического равновесия. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным.

Контрольные вопросы

1. Что такое парообразование? Какие способы парообразования вы знаете? 2. Что называют испарением? Каковы особенности испарения? 3. От каких факторов и почему зависит скорость испарения? Приведите примеры. 4. Что такое конденсация? 5. В чем заключается состояние динамического равновесия? 6. Какой пар называют насыщенным? 7. От каких факторов и почему зависит давление насыщенного пара? 8. Дайте определение кипения и опишите этот процесс. 9. От каких факторов и почему зависит температура кипения жидкости? 10. Почему при кипении температура жидкости не изменяется?

Упражнение № 31

1. Почему вода в открытом сосуде немного холоднее, чем окружающий воздух?

2. Приведите примеры испарения и конденсации воды в природе. Объясните эти явления. Объясните круговорот воды в природе.

3. Продолжительность варки мяса с момента закипания не зависит от мощности нагревателя. Почему? Почему в скороварке мясо готовится быстрее?

4. Почему образование тумана задерживает снижение температуры воздуха?

5. Можно ли кипением заставить воду замерзнуть? Если да, то как?

6. Кипит ли вода в кастрюле, плавающей в емкости с кипящей водой?

7. Узнайте, какими явлениями будет сопровождаться нагревание воды на космической станции в условиях невесомости.

Экспериментальные задания

1. В шприц без иглы наберите воду примерно до половины, плотно закройте отверстие и резко потяните за поршень. Объясните наблюдаемые явления.

2. Удельную теплоту парообразования жидкости (L) можно измерить достаточно точно, зная удельную теплоемкость (c) жидкости и имея только комнатный термометр и часы.

Попробуйте получить представленную выше формулу самостоятельно. Обратите внимание на то, что мощность нагревателя неизменна.