Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары
Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.
Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако такое превращение может происходить только при температурах ниже определенной, так называемой критической температурыTкр. Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов.
Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).
Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.
В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.
Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давлениенасыщенного параp0данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема. Поэтому изотермы реальных газов на плоскости (p, V) содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе (рис. 3.4.1).
Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область II – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область III – газообразное вещество. K – критическая точка
При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре Tкр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T > Tкр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.
Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при T 6 –10 7 ) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа при условии, что для каждой температуры T давление p0 насыщенного пара определяется по кривой равновесияp0(T) для данного вещества.
Давление p0 насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры T. Зависимость p0 (T) нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.
Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.
В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до 70 °С.
В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия p0 (T) можно определять температуру кипения жидкости при различных давлениях.
Изображенная на рис. 3.4.1 картина изотерм реального газа описывает процессы испарения и конденсации, т. е. фазовый переход между газообразной и жидкой фазами вещества. На самом деле эта картина является неполной, т. к. из газообразного и жидкого любое вещество может перейти в твердое состояние. При заданной температуре T термодинамическое равновесие между двумя фазами одного и того же вещества возможно лишь при определенном значении давления в системе. Зависимость равновесного давления от температуры называется кривой фазового равновесия. Примером может служить кривая равновесия p0 (T) насыщенного пара и жидкости. Если кривые равновесия между различными фазами данного вещества построить на плоскости (p, T), то они разбивают эту плоскость на отдельные области, в которых вещество существует в однородном агрегатном состоянии – твердом, жидком или газообразном (рис. 3.4.2). Изображенные в координатной системе (p, T) кривые равновесия называются фазовой диаграммой.
Типичная фазовая диаграмма вещества. K – критическая точка, T – тройная точка. Область I – твердое тело, область II – жидкость, область III – газообразное вещество
Кривая 0T, соответствующая равновесию между твердой и газообразной фазами, называется кривой сублимации. Кривая TK равновесия между жидкостью и паром называется кривой испарения, она обрывается в критической точке K. Кривая TM равновесия между твердым телом и жидкостью называется кривой плавления.
Кривые равновесия сходятся в точке T, в которой могут сосуществовать в равновесии все три фазы. Эта точка называется тройной точкой.
Для многих веществ давление pтр в тройной точке меньше 1 атм ≈ 10 5 Па. Такие вещества при нагревании при атмосферном давлении плавятся. Например, тройная точка воды имеет координаты Tтр = 273,16 К, pтр = 6,02·10 2 Па и используется в качестве опорной для калибровки абсолютной температурной шкалы Кельвина. Существуют, однако, и такие вещества, у которых pтр превышает 1 атм. Так для углекислоты (CO2) давление pтр = 5,11 атм и температура Tтр = 216,5 К. Поэтому при атмосферном давлении твердая углекислота может существовать только при низкой температуре, а в жидком состоянии при p = 1 атм она вообще не существует. В твердом состоянии в равновесии со своим паром при атмосферном давлении углекислота находится при температуре 173 К или –80 °С. Это широко применяемый «сухой лед», который никогда не плавится, а только испаряется (сублимирует).
Жидкости могут превращаться в пар – такой процесс называют парообразованием. Существует и обратный процесс – конденсация, во время которого молекулы пара возвращаются в жидкость. Разберем эти процессы подробнее.
Процесс образования пара — парообразование
Жидкости имеют свойство переходить из жидкого состояния в газообразное — пар. Превращение жидкости в пар называется парообразованием.
Примечание: Словосочетание «Образование пара» физики часто заменяют словом «Парообразование».
Парообразование – это превращение жидкости в пар (газ).
Нальем в емкость какую-либо жидкость — например, воду, эфир, спирт, бензин, и т. п. Если не накрывать емкость крышкой, то через некоторое время количество жидкости в емкости уменьшается. Это происходит из-за парообразования.
Когда парообразование происходит на поверхности, его называют испарением.
Испарение – это образование пара на поверхности жидкости. Жидкости испаряются при любой температуре.
Примечание: Жидкости могут превращаться в пар с помощью двух процессов – испарения и кипения (ссылка).
Что происходит во время испарения
Во время испарения:
Почему при быстром испарении температура жидкости ощутимо понижается
Мы знаем, что температура влияет на скорость движения молекул.
При одной и той же температуре скорости соседних молекул немного различаются. Одни молекулы будут двигаться несколько быстрее других.
Часть молекул будет двигаться насколько быстро, что преодолеет притяжение соседних молекул жидкости и покинет ее. Такие молекулы испаряются и уносят с собой энергию.
Испарение – это эндотермический процесс. Он происходит с поглощением энергии.
Куда тратится полученная энергия? Ее забирают с собой испарившиеся молекулы, вылетевшие из жидкости.
Примечание: Из-за потерь тепловой энергии при испарении температура жидкости понижается. Чем быстрее испаряется жидкость, тем сильнее понижается ее температура.
Если же испарение происходит медленно, то потери теплоты успевают восполниться. Молекулы окружающего воздуха будут отдавать часть своей (тепловой) энергии молекулам жидкости и ее температура значительно понижаться не будет.
При быстром испарении температура жидкости понижается, а при медленном –значительно понижаться не успевает, так как теплопотеря восполняется из окружающей среды.
Могут ли испаряться твердые тела
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела.
Жителям северных районов известно, что кусочки льда, не прикрытые снегом, со временем уменьшаются в размерах. Происходит выветривание льда. Лед испаряется даже при минусовой температуре воздуха.
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение твердых тел физики называют словом «сублимация» (или взгонка).
От чего зависит скорость испарения
Скорость, с которой вещество испаряется, зависит от:
Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.
Как влияет на испарение род вещества
Из жизненного опыта известно, что некоторые жидкости испаряются быстрее, другие — медленнее.
Возьмем воду и ацетон при одинаковой температуре и сравним скорости их испарения.
Если капнуть ацетон на руку, он начнет быстро испаряться и в месте контакта мы будем ощущать холод.
Примечание: Ощущение холода возникает из-за того, что испаряющиеся молекулы уносят с собой тепловую энергию.
А если руку смочить водой, то значительного ощущения холода не возникает.
Вода будет испаряться медленнее, потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы ацетона. Из-за этого, скорость испарения воды меньше скорости, с которой испаряется ацетон.
Примечание: Обычно, вместо фразы «Молекулы притягиваются сильно» физики говорят: «Потенциальная энергия взаимодействия молекул велика».
Быстро испаряющиеся вещества химики иногда называют летучими. Примерами таких летучих веществ могут служить медицинский спирт, бензин, ацетон и т. п. Такие вещества хорошо испаряются, потому, что невелики силы притяжения между их молекулами.
Скорость испарения зависит от рода вещества. В быстро испаряющихся веществах малы силы притяжения между молекулами.
Как влияет на испарение движение воздуха над поверхностью
Скорость испарения жидкости возрастает, когда воздух над ее поверхностью приходит в движение.
Некоторые испаряющиеся молекулы не имеют запаса кинетической энергии, чтобы улететь подальше от своей жидкости. Они остаются близко к поверхности и спустя какое-то время возвращаются назад в жидкость. Движение воздуха эти вылетевшие молекулы подхватывает и уносит, не давая им вернуться назад. Из-за этого, скорость испарения жидкости увеличивается.
Если подуть на мокрую руку, мы почувствуем ощущение прохлады отчетливее. Возникшее движение воздуха увеличило количество испаряющихся молекул. И теперь из жидкости уходит больше тепловой энергии. Это повлияло на усиление ощущения холода.
Когда над поверхностью жидкости движется воздух, жидкость испаряется быстрее.
Как влияет на испарение площадь поверхности жидкости
Нальем одинаковое количество воды в стакан и в блюдечко. Оставим эти емкости на столе на некоторое время. Через несколько дней мы заметим, что в стакане количество воды уменьшилось, а из блюдца вода испарилась полностью. Вода из блюдца испарилась быстрее, потому, что имела большую площадь поверхности.
Процесс испарения происходит у поверхности жидкости. Поэтому, чем больше поверхность жидкости, тем быстрее будет испаряться жидкость.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем быстрее испаряется жидкость.
Как влияет на испарение температура
Жидкости испаряются при любой температуре. А с ростом температуры скорость испарения возрастает. Потому, что возрастает количество молекул, обладающих энергией, достаточной, чтобы покинуть жидкость.
Примечание: Зависимость испарения от температуры в некоторых учебниках описывают так: При повышении температуры все большее количество молекул жидкости имеют кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию взаимодействия с соседними молекулами. Поэтому, с ростом температуры, скорость испарения жидкости возрастает.
Скорость испарения жидкости зависит от ее температуры. Чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость.
Примечание: Процесс образования пара в одних случаях называют испарением, а в других – кипением (ссылка).
Какой пар называют насыщенным
Из-за испарения воздух над жидкостью всегда содержит какое-то количество молекул, вылетевших из жидкости. Некоторые из испарившихся молекул могут вернуться обратно в жидкость. Рассмотрим процесс испарения и возвращения молекул подробнее. Для этого сопоставим, как происходит испарение в закрытом и открытом сосудах.
Сравним испарение в открытом и закрытом сосудах
Рассмотрим сосуд, например, кастрюльку, в которой происходит испарение жидкости.
Поначалу накрывать крышкой ее не будем. Молекулы, вылетевшие из открытого сосуда, будут уноситься движением окружающего кастрюльку воздуха. Благодаря этому масса жидкости в открытом сосуде со временем уменьшится.
Если же емкость накрыта крышкой (пробкой), то часть испарившихся молекул будет возвращаться обратно в жидкость. Потому, что в закупоренном сосуде нет движения больших масс воздуха над жидкостью. Поэтому, некоторые из испарившихся молекул вернутся из воздуха обратно в жидкость.
Масса жидкости, находящейся в закупоренном сосуде, со временем не меняется. Поэтому, жидкости хранят в сосудах, плотно закупоренных пробками.
Что такое динамическое равновесие пара и жидкости
Пусть жидкость находится в закрытом сосуде и испаряется. Поначалу, количество испаряющихся молекул увеличивается. Плотность пара, находящегося над жидкостью, возрастает.
Некоторые из вылетевших молекул возвращаются обратно в жидкость. Но при этом число вылетевших молекул, больше числа вернувшихся обратно.
Пар над жидкостью ненасыщенный, когда число вылетевших молекул больше числа вернувшихся в жидкость.
Время течет и плотность пара над жидкостью продолжает возрастать. Будет возрастать и количество вернувшихся в жидкость молекул.
А когда число вылетевших молекул сравняется с числом вернувшихся, плотность пара станет максимальной.
Теперь, если несколько молекул вылетит из жидкости, то такое же количество других молекул из пара вернется обратно в жидкость.
Такое состояние пара и жидкости называют динамическим равновесием. А пар называют насыщенным.
Пар над жидкостью насыщенный, когда число вылетевших молекул равно числу вернувшихся в жидкость. Такое состояние пара и жидкости — динамическое равновесие. Плотность насыщенного пара – самая высокая при любой выбранной температуре. Чем выше температура, тем больше будет плотность насыщенного пара.
Примечание: Плотность – это масса в объеме. Плотность измеряют в килограммах, деленных на кубический метр. Плотность отвечает на вопрос: «Какова масса одного кубометра вещества?».
Где применяется испарение
Благодаря испарению высыхают развешенные для просушки постиранные вещи.
На электро- и теплостанциях используются большие испарительные колонны – градирни. Они, благодаря испарению, охлаждают большое количество воды, использующейся там для технических нужд.
В кондиционерах и холодильниках применяют высоко летучие жидкости. Испаряясь, эти жидкости охлаждают воздух в помещениях или продукты, хранящиеся внутри холодильника.
И даже в космонавтике процесс испарения играет важную роль. Корпуса спускаемых космических аппаратов покрывают веществами, способными быстро испаряться. Проходя через атмосферу, оболочка капсулы разогревается. А вещество покрытия, испаряясь, охлаждает капсулу и спасает находящихся внутри космонавтов от действия высоких температур.
Что такое конденсация
Если закупоренный прозрачный сосуд с водой из теплого места переместить в прохладное, то через некоторое время на стенках этого сосуда появятся капельки.
Капли жидкости на стенках появляются потому, что существует процесс, обратный испарению. Во время такого процесса молекулы из пара возвращаются обратно в жидкость.
Свое название – конденсация — этот процесс получил от латинского слова «Конденсаре» — сгущать.
Конденсация – это переход молекул из пара в жидкость, процесс обратный парообразованию.
Круговорот воды в природе происходит благодаря процессам конденсации и испарения. Конденсация – это причина появления росы и осадков.
Что происходит во время конденсации
Во время конденсации происходит смена агрегатного состояния вещества:
Дело в том, что молекулы, находящиеся в жидкости, будут двигаться медленнее молекул пара. Когда молекулы пара конденсируются в жидкость, их кинетическая энергия уменьшается. Излишки энергии передаются в окружающую среду.
Процесс конденсации – экзотермический процесс, потому, что при конденсации в окружающую среду выделяется энергия.
теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы
Испарение — переход молекул вещества из жидкого состояния в газообразное.
Процесс парообразования при испарении происходит только со свободной поверхности жидкости. Испарение бывает при любой температуре, так как всегда найдутся достаточно «быстрые» молекулы, способные преодолеть притяжение молекул жидкости.
Важно!В результате испарения жидкости вылетают самые быстрые молекулы. Поэтому средняя скорость молекул газа уменьшается. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии газа, а следовательно — и температуре.
Скорость испарения зависит от:
Конденсация— процесс, обратный испарению, т.е. молекулы из газообразного состояния переходят в жидкое.
В открытом сосуде всегда преобладает испарение. В герметично закрытом сосуде устанавливается равновесие между этими процессами.
Динамическое равновесие — это состояние, при котором число испарившихся за единицу времени молекул равно числу сконденсированных. пар, который находится в состоянии динамического равновесия, называется насыщенным.
Давление насыщенного пара в изотермическом процессе не зависит от объема. При уменьшении объема пара «лишние» молекулы воды конденсируются, а при увеличении объема недостаток молекул восполняется за счет испарения. В итоге через некоторое время снова наступает динамическое равновесие.
Пример №1. В сосуде под поршнем при температуре 100 o C находится 2 г водяного пара и такое количество воды. Не изменяя температуры, объем сосуда увеличили в 3 раза. Определить массу воды, перешедшей при этом в пар.
Вода и пар под поршнем находятся в динамическом равновесии. Поэтому при увеличении объема изменение (уменьшение) давления вызывает усиление испарения. Вода кипит при 100 о С только при условии, что давление равно 10 5 Па. Следовательно, давление насыщенного пара равно именно 10 5 Па.
Применим уравнение состояния идеального газа для первого и второго случая:
m1 — масса пара в состоянии 1, m2 — масса газа в состоянии 2.
Внимание!Несмотря на постоянство температуры, применять закон Бойля — Мариотта нельзя, так как в данном случае не сохраняется постоянство массы (количества молекул) пара.
Приравняем правые части и выразим массу пара в состоянии 2:
6 г — это масса пара в состоянии 2. Это значит, что в газообразное состояние должно перейти 6 – 2 = 4 г воды. Но под поршнем было лишь 2 г. Следовательно, испарится вся вода.
Влажность воздуха
Выделяют абсолютную и относительную влажности воздуха.
Абсолютная влажность воздуха— физическая величина, показывающая массу водяных паров, содержащихся в 1 м 3 воздуха.
Так как количество испаренных молекул зависит от температуры среды, при одинаковом объеме сосуда и количестве жидкости испарится больше там влаги, где температура выше. Поэтому абсолютная влажность воздуха не дает представления о том, насколько насыщенным является пар. В связи с этим было введено понятие относительной влажности воздуха.
Относительная влажность воздуха— отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
Относительная влажность воздуха обозначается буквой ϕ. Это безразмерная физическая величина. Математически ее можно вычислить по формуле:
p — парциальное давление водяного пара, p0 — давление насыщенного пара (при той же температуре).
Парциальное давление водяного пара — давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.
Относительную влажность воздуха можно также вычислить через плотности:
ρ — плотность водяного пара, ρ0 — плотность насыщенного пара при той же температуре (табличная величина).
Пример №2. Парциальное давление водяного пара в воздухе при 20 о С равно 699 Па, а давление насыщенных паров при этой температуре равно 2330 Па. Определить относительную влажность воздуха.
