Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 13. Випаровування та конденсація
Чому, виходячи з річки спекотного літнього дня, ми відчуваємо прохолоду? Куди зникають калюжі після дощу? Для чого в спеку собака висуває язика? Чому, якщо хочемо остудити руки, ми на них дмемо, а якщо хочемо зігріти, то дихаємо? Щодня можна поставити собі безліч таких запитань. Опрацювавши цей параграф, ви зможете на них відповісти.
1. Знайомимося з процесом випаровування
Будь-яка речовина може переходити з одного агрегатного стану в інший. За певних умов тверде тіло може перетворитися на рідину, рідина може затверднути чи перетворитися на газ.
Процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називають пароутворенням.
Рідина може перетворитися на газ двома способами: випаровуванням і кипінням. Знайомство із пароутворенням почнемо з процесу випаровування.
Якщо розлити воду, то через якийсь час калюжа зникне; речі, що промокли під дощем, обов’язково із часом стануть сухими; навіть масний слід, який залишився на асфальті від несправної машини, згодом стає майже непомітним. Усі ці явища можна пояснити випаровуванням рідини.
Випаровування — це процес пароутворення з вільної поверхні рідини*.
* Процес пароутворення здійснюється і з поверхні твердих тіл (ви, напевно, помічали, що під час сильних морозів кудись зникають замерзлі калюжі). Цей процес називають сублімацією. Протилежний процес — перехід речовини з газоподібного стану в кристалічний — називають кристалізацією.
2. Пояснюємо процес випаровування та робимо висновки
Розглянемо процес випаровування з точки зору молекулярно-кінетичної теорії. Молекули рідини безперервно рухаються, постійно змінюючи як значення, так і напрямок швидкості свого руху. Серед молекул поверхневого шару рідини завжди є такі, що «намагаються» вилетіти з рідини. Ті молекули, що в певну мить рухаються повільно, не зможуть подолати притягання сусідніх молекул і залишаться в рідині. Якщо ж поблизу поверхні опиниться «швидка» молекула, то її кінетичної енергії буде достатньо, щоб виконати роботу проти сил міжмолекулярного притягання, і вона вилетить за межі рідини (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Молекула, яка вилітає з рідини, має подолати сили міжмолекулярного притягання, що тягнуть її назад у рідину
Після ознайомлення з механізмом випаровування можна зробити кілька висновків.
По-перше, той факт, що в рідині завжди є молекули, які рухаються досить швидко, дозволяє зробити висновок, що випаровування рідин відбувається за будь-якої температури.
По-друге, оскільки під час випаровування рідину залишають найшвидші молекули, то середня кінетична енергія решти молекул зменшується. Тому, якщо рідина не отримує енергії ззовні, вона охолоджується.
Крім того, під час випаровування виконується робота проти сил міжмолекулярного притягання та проти сил зовнішнього тиску, тому процес випаровування супроводжується поглинанням енергії (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Після купання на тілі людини є крапельки рідини. Випаровуючись, рідина поглинає енергію, і людина відчуває прохолоду навіть спекотного дня
3. З’ясовуємо, від чого залежить швидкість випаровування
Чим вища температура рідини, тим швидше рідина випаровується. Адже зі збільшенням температури рідини збільшується кількість «швидких» молекул, тому дедалі більша їх кількість має змогу подолати сили міжмолекулярного притягання й вилетіти за межі рідини.
Рис. 13.3. До запитання в § 13
Щоб висушити речі, ми інколи кладемо їх на гарячу батарею (рис. 13.3) або прасуємо. Чому в таких випадках речі висихають порівняно швидко?
Звернемо увагу ще на один момент. Намагаючись швидко висушити одяг, ми не покладемо його на батарею жмутом, а розправимо, бо зім’ятий одяг висихає набагато повільніше. Чому? Тому що швидкість випаровування залежить від площі вільної поверхні рідини: чим більша площа вільної поверхні рідини, тим вища ймовірність, що «швидка» молекула опиниться на поверхні, і тим швидше рідина випаровується (рис. 13.4).
Намалюємо на склі або класній дошці три фігурки. Одну зобразимо серветкою, змоченою в спирті, другу — серветкою, змоченою у воді, третю — серветкою, змоченою в олії (рис. 13.5). «Спиртова» фігурка миттю випарується, «водяна» протримається трохи довше, натомість «олійна» радуватиме нас кілька днів. Річ у тім, що сили притягання між молекулами різних рідин є різними, тому швидкість випаровування залежить від роду рідини. Очевидно, що повільніше випаровуються ті рідини, молекули яких сильніше взаємодіють одна з одною.
Життєвий досвід показує, що швидкість випаровування залежить також від руху повітря. Насправді, щоб швидко висушити волосся, ми вмикаємо фен на потужніший режим (рис. 13.6); щоб остудити обпечену руку, дмемо на неї. Білизна, вивішена на вітрі, сохне швидше, ніж у затишку. Таку залежність теж легко пояснити з погляду молекулярного руху. Біля поверхні рідини завжди існує «хмара» молекул, які повилітали з неї (рис. 13.7). Ці молекули хаотично рухаються, зіштовхуються одна з одною та з молекулами інших газів, які складають повітря. У результаті такого руху молекула рідини може так близько підлетіти до її поверхні, що молекулу «захоплять» сили міжмолекулярної взаємодії та знову повернуть у рідину. А якщо є вітер, то він відносить молекули, що вилетіли з рідини, і не дає їм змоги повернутися.
Рис. 13.4. Зі збільшенням площі вільної поверхні рідини (чай перелито із чашки в блюдце) швидкість випаровування збільшується. А оскільки під час випаровування чай утрачає енергію, він швидше холоне (Б. М. Кустодієв «Купчиха за чаєм»)
Рис. 13.5. Демонстрація залежності швидкості випаровування від роду рідини. Через хвилину фігурка, яку намальовано спиртом, повністю зникне; фігурка, намальована водою, залишиться частково; випаровування олії зовсім не буде помітним
Рис. 13.6. Швидкість випаровування залежить від руху повітря
Рис. 13.7. Багато молекул, які залишили рідину, повертаються в неї внаслідок теплового руху
Якби молекули, залишаючи рідину, зовсім не поверталися до неї, то швидкість випаровування була б величезною. Наприклад, за кімнатної температури повна склянка води випарувалася б за 4 хвилини, адже за цих умов з 1 см2 води щосекунди вилітає 1021молекул.
4. Знайомимося з процесом конденсації
Ви вже знаєте, що молекули весь час вилітають із рідини і що певна їх кількість повертається в цю рідину. Таким чином, поряд із процесом випаровування, в ході якого рідина перетворюється на пару, існує зворотний процес, коли речовина з газоподібного стану переходить у рідкий.
Процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.
Процеси конденсації (від латин. condensatio — згущення, ущільнення) води в природі ми спостерігаємо щодня. Так, літнього ранку на листі рослин ми бачимо прозорі краплинки роси (рис. 13.8, а). Це водяна пара, яка вдень накопичується в повітрі внаслідок випаровування, а вночі, охолоджуючись, конденсується.
Рис. 13.8. Прояви конденсації в природі: випадання роси (а); утворення хмар (б); поява туману (в)
Якщо вологе повітря піднімається у вищі шари атмосфери, то після його охолодження утворюються хмари (рис. 13.8, б). Якщо вологе повітря охолоджується поблизу поверхні Землі, то утворюється туман (рис. 13.8, в). І хмари, і туман складаються з дрібних краплинок води, що утворюються внаслідок конденсації водяної пари*. Оскільки процес конденсації супроводжується виділенням енергії, утворення туману затримує зниження температури повітря.
Підбиваємо підсумки
Тепловий процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називають пароутворенням. Процес пароутворення з вільної поверхні рідини називають випаровуванням.
Випаровування відбувається за будь-якої температури, і воно є тим інтенсивнішим, чим вища температура рідини. Швидкість випаровування збільшується також зі збільшенням площі вільної поверхні рідини та внаслідок руху повітря поблизу цієї поверхні. Крім того, інтенсивність випаровування залежить від роду рідини.
Тепловий процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.
Випаровування відбувається з поглинанням енергії. Конденсація, навпаки, супроводжується виділенням енергії.
Контрольні запитання
1. Що таке пароутворення? 2. Які способи пароутворення ви знаєте? 3. Що таке випаровування? 4. Від яких чинників і чому залежить швидкість випаровування? Наведіть приклади. 5. Що таке конденсація? Наведіть приклади конденсації в природі.
Вправа № 13
1. Коли калюжі після дощу висихають швидше — в теплу чи прохолодну погоду? Чому?
2. Чому після змочування руки спиртом відчуття холоду є сильнішим, ніж після змочування водою?
3. Залишаючись тривалий час у мокрому одязі чи взутті, можна застудитися. Чому?
4. Для чого собака висуває язика в спеку?
5. Перебуваючи на вулиці в морозяний день, ви можете спостерігати «пару», яка йде з рота. Що ви бачите насправді?
6. Навесні, коли інтенсивно тане сніг, над полями іноді утворюється туман. У міру його розсіювання стає помітним, що кількість снігу значно зменшилася. У народі кажуть: «Весняний туман сніг з’їдає». Поясніть це твердження з точки зору фізики.
* Хмари також можуть складатися (частково чи повністю) з кристаликів льоду.
7. Понад 4500 років тому єгиптяни використовували глечики, у яких вода залишалася прохолодною навіть спекотного дня. У Середньовіччі охолоджувальні глечики (алькараца) були поширені в народів Півдня. Наприкінці XX ст. схожий винахід наново зробив мешканець Нігерії Мохаммед Бах Абба. Його «холодильник» сьогодні називають «pot in pot» («глечик у глечику»), він працює без електрики і дозволяє тривалий час зберігати продукти (див. рисунок). Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про охолоджувальні посудини більше. Підготуйте повідомлення.
Експериментальне завдання
Візьміть добре зволожену та віджату бавовняну серветку, покладіть її на блюдце, а блюдце поставте в холодильну камеру. Переконайтеся, що через деякий час серветка затвердне, а через кілька днів висохне. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та підготуйте звіт про випаровування твердих тіл.
Фізика і техніка в Україні
Михайло Петрович Авенаріус (1835-1895) протягом 1865-1891 рр. працював у Київському університеті. Учений був організатором і керівником київської школи фізиків-експериментаторів — першої фізичної школи в Україні.
Основні наукові праці Μ. П. Авенаріуса стосуються термоелектрики та молекулярної фізики. Учений запропонував і обґрунтував одну з основних формул, яка описує явище термоелектрики (закон Авенаріуса). У галузі молекулярної фізики Μ. П. Авенаріус вивчав рідкий і газоподібний стани речовин в умовах змінення температури і тиску. Протягом 1873-1877 рр. Μ. П. Авенаріус разом зі своїми учнями виміряв критичні температури багатьох речовин, які ввійшли до фізичних довідників того часу. Учений першим указав на те, що в критичній точці питома теплота випаровування дорівнює нулю; запропонував оригінальну систему розподілу змінних струмів; був ініціатором вивчення сонячної радіації та атмосферної електрики.
Удосконалена Авенаріусом система освітлення демонструвалася на Паризькій електротехнічній виставці у 1881 р., де отримала срібну медаль. За це Михайло Петрович був відзначений найвищою нагородою Французької Республіки — орденом Почесного Легіону.