Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 21. Випаровування та конденсація
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Поміркуйте, чому, виходячи з річки спекотного літнього дня, ми відчуваємо прохолоду. Куди зникають калюжі після дощу? Для чого в спеку собака висовує язика? Чому, якщо хочемо остудити руки, ми на них дмемо, а якщо хочемо зігріти, то дихаємо?
1. Куди зникають калюжі?
Будь-яка речовина може переходити з одного агрегатного стану в інший. Тверде тіло може перетворитися на рідину, рідина може затверднути чи перетворитися на газ.
Процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називають пароутворенням.
Існує два способи пароутворення: випаровування та кипіння. Почнемо з процесу випаровування.
Якщо розлити воду, то за якийсь час калюжа зникне; вологі речі 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.
Що таке сублімація?
Ви, напевно, помічали, що під час сильних морозів кудись зникають замерзлі калюжі, іній з віток дерев тощо. Річ у тім, що процес пароутворення здійснюється і з поверхні твердих тіл. Цей процес називають сублімацією. Протилежний процес — перехід речовини з газоподібного стану в кристалічний — називають десублімацією (кристалізацією).
Випаровування — це процес пароутворення з вільної поверхні рідини.
2. Чому і як випаровується рідина?
Розглянемо процес випаровування з погляду молекулярно-кінетичної теорії. Молекули рідини безперервно рухаються, і серед молекул поверхневого шару рідини завжди є такі, що «намагаються» вилетіти з рідини. Ті з них, 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. 21.1).
Рис. 21.1. Поверхню рідини залишають найшвидші молекули, які здатні подолати сили міжмолекулярного притягання
Знаючи механізм випаровування, зробимо кілька висновків.
1. Випаровування рідин може відбуватися за будь-якої температури, адже в рідині завжди є молекули, які рухаються досить швидко.
2. Якщо рідина не отримує енергії ззовні, то внаслідок випаровування вона охолоджується, адже рідину залишають найшвидші молекули, тому середня кінетична енергія решти молекул зменшується.
3. Випаровування супроводжується поглинанням енергії, адже під час випаровування виконується робота проти сил міжмолекулярного притягання та проти сил зовнішнього тиску (рис. 21.2).
Рис. 21.2. Після купання на тілі людини є крапельки рідини. Випаровуючись, рідина поглинає енергію, і людина відчуває прохолоду навіть спекотного дня
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ ЩО...
Поглинання енергії під час випаровування людство застосовувало здавна. Понад 4500 років тому єгиптяни використовували глечики, в яких вода залишалася прохолодною навіть спекотного дня. Глечики виготовляли зі слабко обпаленої, а отже, пористої глини. Вода, просочуючись скрізь пори, швидко випаровувалась, тому температура всередині глечика знижувалась.
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 й дозволяє тривалий час зберігати продукти.
3. 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.
• Щоб висушити речі, ми інколи кладемо їх на гарячу батарею 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 збільшується зі збільшенням площі вільної поверхні рідини: чим більша площа поверхні рідини, тим більше «швидких» молекул можуть опинитися на її поверхні.
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. 21.3). «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.
Рис. 21.3. Демонстрація залежності швидкості випаровування від роду рідини
Життєвий досвід показує, що швидкість випаровування залежить також від руху повітря. Насправді, щоб швидко висушити волосся, ми вмикаємо фен на потужніший режим (рис. 21.4); 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. 21.5). 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. 21.4. Швидкість випаровування залежить від руху повітря
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 1021 молекул.
Рис. 21.5. Багато молекул, які залишили рідину, повертаються в неї внаслідок теплового руху
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: склянка з водою; склянка з невеликою кількістю спирту; кілька ватяних дисків.
За допомогою ватяних дисків на одну руку нанесіть невелику кількість води, на іншу руку — спирт. Зіставте ваші відчуття. Яка рідина випариться швидше? Що слід зробити, щоб рука швидше висохла?
Торкніться губами спочатку до ділянки руки, яку було змочено, а потім до тієї, що залишалася сухою. Зіставте температури ділянок. Поясніть результати дослідження.
4. Знайомимося з процесом конденсації
Ви вже знаєте, що молекули весь час вилітають із рідини і що певна їх кількість повертається в цю рідину. Отже, 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. 21.6, а). Річ у тім, що водяна пара, яка вдень накопичується в повітрі внаслідок випаровування, уночі, охолоджуючись, конденсується.
Якщо вологе повітря піднімається у вищі шари атмосфери, то після його охолодження утворюються хмари (рис. 21.6, б). Якщо вологе повітря охолоджується поблизу поверхні Землі, то утворюється туман (рис. 21.6, 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.
Рис. 21.6. Прояви конденсації в природі: випадання роси (а); утворення хмар (б); поява туману (в)
А ЯК НАСПРАВДІ?
Один із блогерів написав таке.
Чому в холодну погоду з рота йде пара? Ми ж не чайники! Річ у тім, що в нас завжди тепле дихання, але восени повітря холодне. Коли з ним зустрічається наше тепле дихання, то перетворюється на пару. Узимку на вулиці холодніше, тож і пару видно краще. Навесні повітря зігрівається, пара стає менш помітною. Потім приходить літо. Повітря стає теплим, як наше дихання, і пара зникає.
Як на вашу думку, що в поясненні блогера є правильним, а що — ні?
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
Добре зволожену та віджату бавовняну серветку покладіть на блюдце, а блюдце поставте в холодильну камеру. Переконайтеся, що за деякий час серветка затвердне, а за кілька днів висохне. Поясніть результати експерименту. Дізнайтеся про випаровування твердих тіл докладніше.
* Хмари також можуть складатися (частково чи повністю) з кристаликів льоду.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
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 № 21
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. 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 погляду фізики.
