Что такое насыщенные и ненасыщенные пары. Насыщенный пар

Процессы испарения и конденсации идут непрерывно и параллельно друг другу.

В открытом сосуде количество жидкости со временем уменьшается, т.к. испарение преобладает над конденсацией.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией или пар при отсутствии жидкости, называется ненасыщенным.

В герметически закрытом сосуде уровень жидкости со временем не изменяется, т.к. испарение и конденсация компенсируют друг друга: сколько молекул вылетает из жидкости, столько же их за тоже время возвращается в неё, наступает динамическое (подвижное) равновесие между паром и его жидкостью.

Пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

При данной температуре насыщенный пар какой-либо жидкости имеет наибольшую плотность ( ) и создаёт максимальное давление ( ), которое может иметь пар этой жидкости при этой температуре.

Давление и плотность насыщенного пара при одной и той же температуре зависит от рода вещества: большее давление создаёт насыщенный пар той жидкости, которая быстрее испаряется. Например, и

Свойства ненасыщенных паров: Ненасыщенные пары подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, к ним можно применять уравнение состояния идеального газа.

Свойства насыщенных паров: 1. При неизменном объёме с возрастанием температуры давление насыщенного пара увеличивается, но не прямо пропорционально (закон Шарля не выполняется), давление растёт быстрее, чем у идеального газа. , при возрастании температуры () , увеличивается масса пара, а поэтому возрастает концентрация молекул пара () и давление насыщенного пара растает по двум причинам (

3 1 – ненасыщенный пар (идеальный газ);

2 2 – насыщенный пар; 3 – ненасыщенный пар,

1 полученный из насыщенного пара в том же

Объёме при нагревании.

2. Давление насыщенного пара при неизменной температуре не зависит от занимаемого им объёма.

С увеличением объёма масса пара увеличивается, а масса жидкости уменьшается (часть жидкости переходит в пар), при уменьшении объёма пара становится меньше, а жидкости больше (часть пара переходит в жидкость), плотность же и концентрация молекул насыщенного пара остаются постоянными, следовательно, и давление остаётся постоянным ().

жидкость

(насыщ. пар + жидкость )

Ненасыщ. пар

Насыщенные пары не подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, т.к. масса пара в процессах не остаётся постоянной, а все газовые законы получены для неизменной массы. К насыщенному пару можно применять уравнение состояния идеального газа.

Итак, насыщенный пар можно перевести в ненасыщенный пар, либо нагревая его при постоянном объёме, либо увеличивая его объём при постоянной температуре. Ненасыщенный пар можно перевести в насыщенный пар, либо охлаждая его при постоянном объёме, либо сжимая его при постоянной температуре.

Критическое состояние

Наличие свободной поверхности у жидкости даёт возможность указать, где находится жидкая фаза вещества, а где газообразная. Резкое различие между жидкостью и её паром объясняется тем, что плотность жидкости во много раз больше, чем у пара. Если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения её плотность будет уменьшаться, а плотность пара над ней увеличиваться. Это означает, что различие между жидкостью и её насыщенным паром сглаживается и при достаточно высокой температуре исчезает совсем. Температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и её насыщенным паром, и их плотности становятся одинаковыми, называется критической температурой.

Критическая точка

Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость. Критическая температура зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и поэтому различна для разных газов. Из-за сильного взаимодействия молекул воды водяной пар можно превратить в воду даже при температуре . В то же время сжижение азота происходит лишь при температуре, меньшей =-147˚ , т.к. молекулы азота слабо взаимодействуют между собой.

Другим макроскопическим параметром, влияющим на переход пар - жидкость, является давление. С ростом внешнего давления при сжатии газа уменьшается среднее расстояние между частицами, возрастает сила притяжения между ними и соответственно средняя потенциальная энергия их взаимодействия.

Давление насыщенного пара при его критической температуре называется критическим . Это наибольшее возможное давление насыщенного пара данного вещества.

Состояние вещества с критическими параметрами называется критическим (критическая точка). У каждого вещества свои критические температура и давление.

В критическом состоянии обращаются в нуль удельная теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения жидкости. При температурах выше критической, даже при очень больших давлениях невозможно превращение газа в жидкость, т.е. выше критической температуры жидкость не может существовать. При сверхкритических температурах возможно только парообразное состояние вещества.

Сжижение газов возможно лишь при температурах ниже критической температуры. Для сжижения газы охлаждают до критической температуры, например, при адиабатном расширении, а затем изотермически сжимают.

Кипение

Внешне явление выглядит так: со всего объёма жидкости к поверхности поднимаются быстро растущие пузырьки, на поверхности они лопаются, и пар выбрасывается в окружающую среду.

МКТ объясняет кипение так: в жидкости всегда есть пузырьки воздуха, в них из жидкости происходит испарение. Замкнутый объём пузырьков оказывается заполненным не только воздухом, но и насыщенным паром. Давление насыщенного пара в них при нагревании жидкости растёт быстрее, чем давление воздуха. Когда в достаточно нагретой жидкости давление насыщенного пара в пузырьках становится больше внешнего давления, они увеличиваются в объёме, и выталкивающая сила, превосходящая их силу тяжести, поднимает пузырьки к поверхности. Всплывшие пузырьки начинают лопаться, когда при определённой температуре давление насыщенного пара в них превосходит давление над жидкостью. Температура жидкости, при которой давление её насыщенного пара в пузырьках равно или превышает внешнее давление на жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения различных жидкостей различна , т.к. давление насыщенного пара в их пузырьках сравнивается с одним и тем же внешним давлением при разных температурах. Например, давление насыщенного пара в пузырьках равно нормальному атмосферному давлению у воды при 100˚С, у ртути при 357˚С, у спирта при 78˚С, у эфира при 35˚С.

Температура кипения в процессе кипения остаётся постоянной, т.к. всё тепло, которое подводится к нагреваемой жидкости, тратится на парообразование.

Температура кипения зависит от внешнего давления на жидкость: с увеличением давления температура повышается; с уменьшением давления температура понижается. Например, на высоте 5км над уровнем моря, где давление в 2 раза ниже атмосферного, температура кипения воды 83˚С, в котлах паровых машин, где давление пара 15 атм. (), температура воды около 200˚С.

Влажность воздуха

В воздухе всегда есть водяной пар, поэтому можно говорить о влажности воздуха, которая характеризуется следующими величинами:

1.Абсолютная влажность – это плотность водяного пара, находящегося в воздухе ( или давление, которое этот пар создаёт ( .

Абсолютная влажность не даёт представление о степени насыщения воздуха водяными парами. Одно и то же количество водяного пара при разной температуре создаёт разное ощущение влажности.

2.Относительная влажность - это отношение плотности (давления) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к плотности (давлению) насыщенного пара при той же температуре : или

– абсолютная влажность при данной температуре; - плотность, давление насыщенного пара при той же температуре. Плотность и давление насыщенного водяного пара при любой температуре можно найти в таблице. Из таблицы видно, чем выше температура воздуха, тем больше должны быть плотность и давление водяного пара в воздухе, чтобы он был насыщенным.

Зная относительную влажность, можно понять, на сколько процентов водяной пар в воздухе при данной температуре далёк от насыщения. Если пар в воздухе насыщенный, то . Если , то до состояния насыщения в воздухе не хватает пара.

О том, что пар в воздухе становится насыщенным, судят по появлению влаги в виде тумана, росы. Температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.

Пар в воздухе можно сделать насыщенным, если добавить пары за счёт дополнительного испарения жидкости, не меняя температуры воздуха, или при имеющемся количестве пара в воздухе понизить его температуру.

Нормальная относительная влажность, наиболее благоприятная для человека 40 - 60%. Большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. В ткацком, кондитерском производстве для нормального течения процесса необходима определённая влажность. Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне.

Приборы для определения влажности:

1. Конденсационный гигрометр (позволяет определить точку росы).

2. Волосной гигрометр (принцип действия основан на зависимости длины обезжиренного волоса от влажности) измеряет относительную влажность в процентах.

3. Психрометр состоит из двух термометров сухого и увлажнённого. Резервуар увлажнённого термометра обмотан тканью, опущенной в воду. За счёт испарения с ткани температура увлажнённого ниже, чем сухого. Разность показаний термометров зависит от влажности окружающего воздуха: чем суше воздух, тем интенсивнее испарение с ткани, тем больше разность показаний термометров и наоборот. Если влажность воздуха 100%, то показания термометров одинаковые, т.е. разность показаний 0. Для определения влажности с помощью психрометра используют психрометрическую таблицу.

Плавление и кристаллизация

При плавлении твёрдого тела увеличивается расстояние между частицами, образующими кристаллическую решётку, и происходит разрушение самой решётки. На процесс плавления необходимо затрачивать энергию. При нагревании твёрдого тела возрастает кинетическая энергия колеблющихся молекул и соответственно амплитуда их колебаний. При определённой температуре, называемой температурой плавления, нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах, кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твёрдого состояния в жидкое состояние.

При кристаллизации происходит сближение молекул, которые образуют кристаллическую решётку. Кристаллизация может происходить только тогда, когда жидкость отдаёт энергию. При охлаждении расплавленного вещества средняя кинетическая энергия и скорость молекул уменьшаются. Силы притяжения могут удерживать частицы около положения равновесия. При определённой температуре, называемой температурой отвердевания (кристаллизации), все молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия, их расположение становится упорядоченным – образуется кристалл.

Плавление твёрдого тела происходит при той же температуре, при которой это вещество отвердевает

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. Например, температуры плавления у гелия -269,6˚С, у ртути -38,9˚С, у меди 1083˚С.

Во время процесса плавления температура остаётся постоянной. Подводимое извне количество теплоты идёт на разрушение кристаллической решётки.

Во время процесса отвердевания, не смотря на то, что тепло отводится, температура не меняется. Выделяющаяся при кристаллизации энергия расходуется на поддержание постоянной температуры.

Пока всё вещество не расплавится или всё вещество не отвердеет, т.е. пока существуют совместно твёрдая и жидкая фазы вещества, температура не изменяется.

Тв.+жид. жид.+тв.

, где – количество теплоты, - количество теплоты, необходимое для расплавления вещества выделяемое при кристаллизации вещества массой массой

- удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой 1кг при температуре плавления.

Какое количество теплоты затрачивается при плавлении определённой массы вещества, такое же количество теплоты выделяется при кристаллизации этой массы.

Называется также удельной теплотой кристаллизации .

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

У большого числа веществ объём при плавлении увеличивается, а плотность уменьшается. При отвердевании наоборот, объём уменьшается, а плотность увеличивается. Например, кристаллики твёрдого нафталина тонут в жидком нафталине.

Некоторые вещества, например, висмут, лёд, галлий, чугун и др. при плавлении сжимаются, а при отвердевании расширяются. Эти отклонения от общего правила объясняются особенностями строения кристаллических решёток. Поэтому вода оказывается плотнее льда, лёд плавает в воде. Расширение воды при замерзании ведёт к разрушению горных пород.

Изменение объёма металлов при плавлении и отвердевании имеет существенное значение в литейном деле.

Опыт показывает, что изменение внешнего давления на твёрдое вещество отражается на температуре плавления этого вещества . Для тех веществ, которые при плавлении расширяются, увеличение внешнего давления приводит к повышению температуры плавления, т.к. затрудняет процесс плавления. Если же вещества при плавлении сжимаются, то для них увеличение внешнего давления ведёт к понижению температуры плавления, т.к. помогает процессу плавления. Только очень большое увеличение давления заметно изменяет температуру плавления. Например, чтобы понизить температуру плавления льда на 1˚С, давление нужно повысить на 130 атм. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называют точкой плавления вещества.

ПАРООБРАЗОВАНИЕ.

НАСЫЩЕННЫЙ И НЕНАСЫЩЕННЫЙ ПАР.

1.Парообразование.

Между молекулами вещества, находящегося в жидком или твёрдом состоянии, действуют силы притяжения. Для твёрдого вещества они достаточно велики. Это приводит к тому, что молекулы твёрдого вещества малоподвижны, они могут только колебаться около своего положения равновесия. В жидкости молекулы не так сильно притягиваются друг к другу, они могут перемещаться на небольшие расстояния и перескакивать на соседние положения равновесия. Однако, в результате обмена энергиями при соударениях молекул или в результате поступления энергии извне, какая-то отдельная молекула может получить такое количество кинетической энергии, которое позволит ей преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул и покинуть поверхность жидкости или твёрдого вещества. Некоторые из этих молекул, потеряв свою энергию, возвращаются обратно в жидкость или твёрдое вещество, но самые энергичные, которые смогли удалиться на расстояние около 10 -9 м, где силы притяжения уже практически не действуют, становятся свободными.

Переход вещества из твёрдого или жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а совокупность молекул вещества, покинувших поверхность жидкости или твёрдого тела, называется паром этого вещества.

Чаще всего под парообразованием понимается переход вещества в газообразное состояние из жидкого. Парообразование, происходящее из твёрдого состояния, называется возгонкой или сублимацией .

Парообразование из жидкого состояния разделяют на испарение и кипение .

2.Испарение и его интенсивность.

Испарение – это парообразование, происходящее при любой температуре только со свободной поверхности жидкости в воздух или вакуум, сопровождающееся понижением температуры жидкости.

Механизм испарения и происходящее при этом охлаждение жидкости можно объяснить с точки зрения МКТ.

Как уже говорилось выше, поверхность жидкости покидают только те молекулы, кинетическая энергия которых превышает значение работы, необходимой для преодоления сил молекулярного притяжения со стороны соседних молекул и выхода молекулы с поверхности жидкости в воздух. Эта работа называется работой выхода . В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается и, следовательно, температура жидкости понижается.

Интенсивность испарения зависит от нескольких факторов:

от температуры жидкости;

от площади свободной поверхности;

от скорости удаления паров с поверхности жидкости;

от внешнего давления;

от рода жидкости.

Чем выше температура, чем больше площадь свободной поверхности, чем больше скорость удаления паров с поверхности жидкости, чем меньше внешнее давление, тем испарение идёт интенсивней.

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое называется конденсацией .

3.Насыщенные и ненасыщенные пары.

Рассмотрим два сосуда с жидкостью – один открытый, другой закрыт крышкой. В обоих сосудах происходит и испарение жидкости, и конденсация пара.

Однако в первом случае, испарение преобладает над конденсацией, так как молекулы жидкости имеют возможность покинуть пределы сосуда и в жидкость они не возвратятся, а на их место с поверхности жидкости в воздух выходят другие молекулы. Число молекул N 1 , покидающих поверхность за 1 с, превышает число молекул N 2 , возвращающихся обратно. Если процесс испарения преобладает над процессом конденсации, то образующийся пар называется ненасыщенным .

В герметически закрытом сосуде вначале число молекул N 1 , покидающих поверхность за 1 с, превышает число молекул N 2 , возвращающихся обратно. Поэтому плотность пара над поверхностью жидкости, а также его давление возрастают. Но по мере увеличения плотности и давления возрастает количество молекул, возвращающихся в жидкость в течение 1 с. Через некоторое время скорости испарения и конденсации становятся одинаковыми, т.е. количество вылетевших из жидкости молекул N 1 равно количеству возвратившихся N 2 . Говорят, что между паром и его жидкостью установилось динамическое равновесие.

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

4.Кипение.

Кипение – это парообразование, происходящее и с поверхности, и во всём объёме жидкости при постоянной температуре.

Механизм кипения можно объяснить следующим образом.

На стенках сосуда всегда имеются пузырьки адсорбированного газа. Кроме того, в жидкости всегда присутствует некоторое количество растворённого газа (воздуха), степень растворения которого понижается с ростом температуры, и который при нагревании начинает выделяться также в виде пузырьков. Вовнутрь пузырьков происходит испарение жидкости. Поэтому кроме воздуха внутри пузырьков находится насыщенный пар, его давление с ростом температуры увеличивается. Следовательно, пузырьки раздуваются. Действующая на пузырьки сила Архимеда становится больше их силы тяжести, и они начинают всплывать. Дальнейшее поведение пузырьков зависит от того, насколько прогрета жидкость.

Если жидкость ещё не равномерно прогрета и верхние её слои холоднее нижних, то по мере всплывания пузырьков пар внутри них конденсируется, давление внутри пузырьков уменьшается. Следовательно, уменьшается и объём пузырьков. Зависящая от объёма пузырьков сила Архимеда также становится меньше, движение пузырьков наверх замедляется и, не дойдя до поверхности жидкости, пузырьки исчезают.

Если жидкость прогрета равномерно, то по мере всплывания пузырьков объём их будет возрастать, так как уменьшается сила гидростатического давления жидкости, действующая на пузырьки. Увеличение объёма приводит к увеличению силы Архимеда. Поэтому движение пузырьков наверх ускоряется. Пузырьки достигают свободной поверхности, лопаются, и насыщенный пар выходит наружу. Этот момент называется кипением жидкости. При этом давление насыщенного пара в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению, называется температурой кипения .

Температура кипения зависит:

1) от внешнего давления (чем оно больше, тем температура кипения выше);

2) от наличия примеси (обычно температура кипения увеличивается с ростом концентрации примеси);

3) от растворённого в жидкости воздуха или других газов (с уменьшением количества растворённого воздуха температура повышается);

4) от состояния стенок сосуда (в сосудах с более гладкими стенками жидкость закипает при более высокой температуре);

5) от рода жидкости.

5.Сравнение свойств насыщенного пара и идеального газа.

1.Давление и плотность насыщенного пара постоянны и не зависят от объёма пространства над испаряющейся жидкостью. Для идеального газа давление и плотность уменьшаются с ростом объёма.

Насыщенный пар Идеальный газ

2.С увеличением температуры при неизменном объёме рост давления насыщенного пара происходит не по линейного закону, как для идеального газа, а гораздо быстрее. Это объясняется тем, что увеличение давления происходит не только за счёт увеличения кинетической энергии, но и за счёт увеличения количества испарившихся молекул.

По этой же причине плотность насыщенного пара не остаётся постоянной, она возрастает.

3.Давление и плотность насыщенного пара зависят от рода жидкости и определяются теплотой парообразования. Чем меньше теплота парообразования, тем больше давление и плотность насыщенного пара.

Билет №1

Насыщенный пар.

Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то сначала количество жидкости уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. При неизменной температуре система жидкость - пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. Одновременно с процессом испарения происходит и конденсация, оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, жидкость будет испаряться и плотность пара над ней будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре установится динамическое (подвижное) равновесие между жидкостью и паром, т. е. число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это определение подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

Давление насыщенного пара.

Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной.

При сжатии пара равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Ведь число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет. Процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а значит, и концентрация его молекул не примут прежних своих значений. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Так как давление пропорционально концентрации молекул (p=nkT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.

Давление p н.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры

Состояние насыщенного пара, как показывает опыт, приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление определяется формулой

С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако зависимость р н.п. от Т, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растет быстрее , чем давление идеального газа (рис. участок кривой 12). Почему это происходит?

При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле Р = nкТ давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации.

(Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.)

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис., участок кривой 23).

Кипение.

Кипение – это интенсивный переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящее по всему объему жидкости (а не только с ее поверхности). (Конденсация – обратный процесс.)

По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар.

При каких условиях начинается кипение?

В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы обнаружите, что перед закипанием он почти перестает шуметь.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре.

У каждой жидкости своя температура кипения (которая остается постоянной, пока вся жидкость не выкипит), которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости.

Удельная теплота парообразования.

Кипение происходит с поглощением теплоты.

Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара.

В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.

Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m - масса жидкости (кг),

L - удельная теплота парообразования (Дж/кг)

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:

[ L ] = 1 Дж/ кг

Влажность воздуха и ее измерение.

В окружающем нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров. Влажность воздуха зависит от количества водяного пара, содержащегося в нем.

Сырой воздух содержит больший процент молекул воды, чем сухой.

Большое значение имеет относительная влажность воздуха, сообщения о которой каждый день звучат в сводках метеопрогноза.

О
тносительная влажность - это отношение плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах. (показывает, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению)

Точка росы

Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщению.

Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.

Признаком того, что пар насытился является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости - росы.

Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.

Точка росы также характеризует влажность воздуха.

Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе, сырость в подвалах домов.

Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы - гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический. Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.

Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения. Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге испаряться .

В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров.насыщения = 100 °С и удельные характеристики состояния насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара v"=0,001 v""=1,7 ... влажный насыщенный пар со степенью сухости Вычисляем экстенсивные характеристики влажного насыщенного пара по...

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Испарение - это процесс превращения жидкости в пар.

В жидкости (или твердом теле) при любой температуре существует некоторое количество «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с остальными частицами вещества. Если такие молекулы оказываются вблизи поверхности, то они могут преодолеть притяжение остальных молекул и вылететь за пределы жидкости, образуя над ней пар. Испарение твердых тел также часто называют возгонкой или сублимацией .

Испарение происходит при любой температуре, при которых данное вещество может находиться в жидком или твердом состояниях. Однако интенсивность испарения зависит от температуры. При повышении температуры количество «быстрых» молекул увеличивается, и, следовательно, интенсивность испарения возрастает. Скорость испарения также зависит от площади свободной поверхности жидкости от вида вещества. Так, например, вода, налитая в блюдце, испарится быстрее воды, налитой в стакан. Спирт испаряется быстрее воды и т.д.

Конденсация

Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но в плотно закрытом сосуде этого не происходит. Объясняется это тем, что одновременно с испарением в жидкости (или твердом теле) происходит обратный процесс. Молекулы пара движутся над жидкостью хаотически, поэтому часть из них под действием притяжения молекул свободной поверхности попадает обратно в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения пара в твердое тело обычно называют кристаллизацией из пара.

После того, как мы нальем жидкость в сосуд и плотно его закроем, жидкость начнет испаряться, и плотность пара над свободной поверхностью жидкости будет увеличиваться. Однако, одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В открытом сосуде ситуация иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость. В закрытом сосуде с течением времени устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется состоянием динамического равновесия (рис.1). В состоянии динамического равновесия между жидкостью и паром одновременно происходит и испарение и конденсация, и оба процесса компенсируют друг друга.

Рис.1. Жидкость в состоянии динамического равновесия

Насыщенный и ненасыщенный пар

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Насыщенный пар - это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.

Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Насыщенный пар имеет максимальную плотность при данной температуре, а, следовательно, оказывает максимальное давление на стенки сосуда.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ненасыщенный пар - пар, не достигший состояния динамического равновесия.

У разных жидкостей насыщение пара происходит при различных плотностях, что обусловлено различием в молекулярной структуре, т.е. различием сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы взаимодействия молекул велики (например, в ртути), состояние динамического равновесия достигается при небольших плотностях пара, так как количество молекул, способных покинуть поверхность жидкости, невелико. Наоборот, у летучих жидкостей с малыми силами притяжения молекул, при тех же температурах из жидкости вылетает значительное количество молекул и насыщение пара достигается при большой плотности. Примерами таких жидкостей являются этанол, эфир и др.

Так как интенсивность процесса конденсации пара пропорциональна концентрации молекул пара, а интенсивность процесса испарения зависит только от температуры и резко возрастает с ее ростом, то концентрация молекул в насыщенном паре зависит только от температуры жидкости. Поэтому давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объема. Причем с ростом температуры величина концентрации молекул насыщенного пара и, следовательно, плотность и давление насыщенного пара быстро растут. Конкретные зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры различны для разных веществ и могут быть найдены из справочных таблиц. При этом оказывается, что насыщенный пар, как правило, хорошо описывается уравнением Клайперона-Менделеева. Однако, при сжатии или нагревании масса насыщенного пара изменяется.

Ненасыщенный пар с достаточной степенью точности подчиняется законам идеального газа.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Как вы знаете, жидкости испаряются, то есть превращаются в пар. Например, лужи после дождя высыхают. Испарение жидкости обусловлено тем, что некоторые ее молекулы благодаря толчкам своих «соседей» приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости.
В результате испарения над поверхностью жидкости всегда находится пар, Это газообразное состояние вещества. Водяной пар невидим, как и воздух. То, что часто называют паром, представляет собой скопление крошечных водяных капелек, образовавшихся вследствие конденсации пара.

Конденсация – это превращение пара в жидкость, то есть процесс, противоположный испарению. Вследствие конденсации содержащегося в воздухе водяного пара образуются облака (рис. 44.1) и туман (рис. 44.2). Холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом (рис. 44.3). Это тоже результат конденсации водяного пара.

Динамическое равновесие

Если банку с водой плотно закрыть, уровень воды в ней остается неизменным в течение многих месяцев.

Означает ли это, что в закрытом сосуде жидкость не испаряется?

Нет, конечно: в ней всегда есть достаточно быстрые молекулы, которые непрестанно вылетают из жидкости. Однако одновременно с испарением идет конденсация: молекулы из пара влетают обратно в жидкость.

Если уровень жидкости со временем не изменяется, это означает, что процессы испарения и конденсации идут с одинаковой интенсивностью. В таком случае говорят, что жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.

2. Насыщенный и ненасыщенный пар

Насыщенный пар

На рисунке 44.4 схематически изображены процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Ненасыщенный пар

Если сосуд с жидкостью открыть, пар начнет выходить из сосуда наружу. Вследствие этого концентрация пара в сосуде уменьшится, и молекулы пара будут реже сталкиваться с поверхностью жидкости и влетать в нее. Поэтому интенсивность конденсации уменьшится.

А интенсивность испарения остается прежней. Поэтому уровень жидкости в сосуде начнет понижаться. Если процесс испарения идет быстрее, чем процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасыщенный пар (рис. 44.5).

В воздухе всегда есть водяной пар, но обычно он является ненасыщенным, поэтому испарение преобладает над конденсацией. Поэтому лужи и высыхают.

Над поверхностью морей и океанов пар также ненасыщенный, поэтому они постепенно испаряются. Почему же уровень воды при этом не понижается?

Дело в том, что поднимающийся вверх пар охлаждается и конденсируется, образуя облака и тучи. Они превращаются в дождевые тучи и проливаются дождями. А реки несут воду обратно в моря и океаны.

3. Зависимость давления насыщенного пара от температуры

Главное свойство насыщенного пара состоит в том, что
давление насыщенного пара не зависит от объема, а зависит только от температуры.

Это свойство насыщенного пара не так легко понять, потому что оно кажется противоречащим уравнению состояния идеального газа

pV = (m/M)RT, (1)

из которого следует, что для донной массы газа при постоянной температуре давление обратно пропорционально объему. Может быть, для насыщенного пара это уравнение неприменимо?

Ответ таков: уравнение состояния идеального газа хорошо описывает пар – как насыщенный, так и ненасыщенный. Но стоящая в правой части уравнения (1) масса насыщенного пара m при изотермическом расширении или сжатии изменяется – причем так, что давление насыщенного пара остается неизменным. Почему так происходит?

Дело в том, что при изменении объема сосуда пар может оставаться насыщенным только при условии, что в этом же сосуде находится «его» жидкость. Увеличивая изотермически объем сосуда, мы как бы «вытягиваем» из жидкости молекулы, которые становятся молекулами пара (рис. 44.6, а).

Происходит это вот почему. При увеличении объема пара его концентрация вначале уменьшается – но на очень короткий промежуток времени. Как только пар становится ненасыщенным, испарение находящейся в этом же сосуде жидкости начинает «опережать» конденсацию. В результате масса пара быстро возрастает, пока он снова не станет насыщенным. Давление пара при этом снова станет прежним.

1. Используя рисунок 44.6, б, объясните, почему при уменьшении объема насыщенного пара его масса уменьшается.

Итак, при расширении или сжатии насыщенного пара его масса изменяется за счет изменения массы содержащейся в этом же сосуде жидкости.

Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры измерена на опыте. График этой зависимости приведен на рисунке 44.7. Мы видим, что давление насыщенного пара очень быстро увеличивается с ростом температуры.

Главная причина увеличения давления насыщенного пара с ростом температуры – увеличение массы пара. Как вы сами убедитесь, выполняя следующее задание, при увеличении температуры от 0 ºС до 100 ºС масса насыщенного пара в одном и том же объеме увеличивается более чем в 100 раз!

В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при некоторых значениях температуры.

Эта таблица поможет вам при выполнении следующего задания. Воспользуйтесь также формулой (1).

2. В герметически закрытом сосуде объемом 10 л находятся вода и насыщенный пар. Температуру содержимого сосуда повышают от 0 ºС до 100 ºС. Считайте, что объемом воды по сравнению с объемом пара можно пренебречь.
а) Во сколько раз увеличилась абсолютная температура?
б) Во сколько раз увеличилось бы давление пара, если бы он остался насыщенным?
в) Во сколько раз увеличилась бы масса пара, если бы он остался насыщенным?
г) Какой стала бы масса пара в конечном состоянии, если бы он остался насыщенным?
д) При какой минимальной массе воды в начальном состоянии пар останется насыщенным?
е) Каким будет давление пара в конечном состоянии, если начальная масса воды будет в 2 раза меньше найденной в предыдущем пункте?

3. Что увеличивается с ростом температуры быстрее – давление насыщенного пара или его плотность?
Подсказка. Формулу (1) можно записать в виде

4. Пустой герметически закрытый сосуд объемом 20 л заполнили насыщенным водяным паром при температуре 100 ºС.
а) Чему равно давление пара?
б) Чему равна масса пара?
в) Чему равна концентрация пара?
г) Каким станет давление пара, когда он остынет до 20 ºС?
д) Чему равны массы пара и воды при 20 ºС?
Подсказка. Воспользуйтесь приведенной выше таблицей и формулой (1).

4. Кипение

По приведенным выше графику (рис. 44 7) и таблице вы, наверное, заметили, что при температуре кипения воды (100 ºС) давление насыщенного водяного пара как раз равно атмосферному (пунктир на графике 44.7). Случайно ли это совпадение?

Нет, не случайно. Рассмотрим процесс кипения.

Поставим опыт
Будем нагревать воду в открытом прозрачном сосуде. Скоро на стенках сосуда появятся пузырьки. Это выделяется растворенный в воде воздух.

Внутрь этих пузырьков начинает испаряться вода, и пузырьки заполняются насыщенным паром. Но расти эти пузырьки не могут, пока давление насыщенного пара меньше давления в жидкости. В открытом неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно атмосферному давлению.

Продолжим нагревать воду. Давление насыщенного пара в пузырьках с ростом температуры быстро увеличивается. И как только оно станет равным атмосферному давлению, начнется интенсивное испарение жидкости внутрь пузырьков.

Они будут быстро расти, подниматься вверх и лопаться на поверхности жидкости (рис. 44.8). Это и есть кипение.

В неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно внешнему давлению. Поэтому мы можем сказать, что
кипение жидкости происходит при температуре, при которой давление p н насыщенного пара равно внешнему давлению p внеш:

p н = p внеш. (2)

Отсюда следует, что температура кипения зависит от давления. Поэтому ее можно изменять, изменяя давление жидкости. С увеличением давления температура кипения жидкости повышается. Это используют, например, для стерилизации медицинских инструментов: воду кипятят в специальных приборах – автоклавах, где давление в 1,5–2 раза выше нормального атмосферного.

Высоко в горах, где атмосферное давление существенно меньше нормального атмосферного, сварить мясо непросто: например, на высоте 5 км вода закипает уже при температуре 83 ºС.

5. Используя формулу (2) и приведенную выше таблицу, определите температуру кипения воды:
а) при давлении, равном одной пятой нормального атмосферного давления;
б) при давлении, в 2 раза большем атмосферного давления.

Кипение воды при пониженном давлении можно наблюдать в следующем опыте.

Поставим опыт
Доведем воду в колбе до кипения и плотно закроем колбу. Когда вода немного остынет, перевернем колбу и будем поливать ее дно холодной водой. Вода закипит, хотя ее температура существенно ниже 100 ºС (рис. 44.9).

6. Объясните этот опыт.

7. На какую высоту можно было бы поднять поршнем кипящую воду, если бы она при этом не остывала?

Дополнительные вопросы и задания

8. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и водяной пар. Масса воды в 2 раза больше массы пара. Медленно перемещая поршень, объем под поршнем увеличивают от 1 л до 6 л. Температура содержимого сосуда остается все время равной 20 ºС. Считайте, что объемом воды можно пренебречь по сравнению с объемом пара.
а) Какой пар находится под поршнем вначале?
б) Объясните, почему давление в сосуде не будет изменяться до тех пор, пока объем под поршнем не станет равным З л.
в) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
г) Чему равна масса пара в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
Подсказка. При этом весь объем сосуда заполнен насыщенным паром.
д) Во сколько раз увеличилась масса пара, когда объем под поршнем увеличился от 1 л до 3 л?
е) Чему равна масса воды в начальном состоянии?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что в начальном состоянии масса воды в 2 раза больше массы пара.
ж) Как будет изменяться давление в сосуде при изменении объема под поршнем от 3 л до 6 л?
Подсказка. Для ненасыщенного пара справедливо уравнение состояния идеального газа с постоянной массой.
з) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 6 л?
и) Начертите примерный график зависимости давления пара под поршнем от объема.

9. Две запаянные U-образные трубки наклонили, как показано на рисунке 44.10. В какой трубке над водой находится только насыщенный пар, а в какой воздух с паром? Обоснуйте свой ответ.