Дизайн

Что такое парообразование и конденсация. Молекулярная физика

Происходящее со свободной поверхности жидкости.

Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, так-же называют испарением.

Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования . Другой вид — это кипение.

Механизм испарения.

Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в не-прерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией , достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое пов-торится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поглощение энергии при испарении.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшает-ся. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).

Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и темпера-тура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.

Скорость испарения жидкости.

В отличие от кипения , испарение происходит при любой темпе-ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес-кую энергию , чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид-кости, и тем быстрее идет испарение.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото-рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап-нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид-кость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жид-кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя-зано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.

Применение испарения в технике.

Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начи-нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере-грева.

Конденсация.

Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообраз-ного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.

Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од-новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща-ется в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднима-ющиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака . Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начи-нает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.

Темы кодификатора ЕГЭ : изменение агрегатных состояний вещества, плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, кипение жидкости, изменение энергии в фазовых переходах.

Лёд, вода и водяной пар - примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество - зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы - изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы .

Плавление (твёрдое тело жидкость) и кристаллизация (жидкость твёрдое тело).
Парообразование (жидкость пар) и конденсация (пар жидкость).

Плавление и кристаллизация

Большинство твёрдых тел являются кристаллическими , т.е. имеют кристаллическую решётку - строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.

Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия - узлов кристаллической решётки.

Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли - это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1 , на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.

Рис. 1. Кристаллическая решётка

Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело - для этого нужно нагреть его до температуры плавления , которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.

Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием . Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.

Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации . Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае - зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).

Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении - так называемые графики плавления и кристаллизации.

График плавления

Начнём с графика плавления (рис. 2 ). Пусть в начальный момент времени (точка на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру .

Рис. 2. График плавления

Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины - температуры плавления данного вещества. Это участок графика.

На участке тело получает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, - масса тела.

При достижении температуры плавления (в точке ) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке происходит плавление тела - его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке , тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.

Участок соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава ). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость жидкости.

Но нас сейчас больше всего интересует - участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!

Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами - как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).

Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку - так начинается плавление на участке .

С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц - на нагревание расплава.

Удельная теплота плавления

Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).

Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .

Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:

Коэффициент пропорциональности не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества . Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.

Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.

Так, удельная теплота плавления льда равна кДж/кг, свинца - кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).

График кристаллизации

Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации - процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3) .

Рис. 3. График кристаллизации

Жидкость остывает (участок ), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .

С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке происходит кристаллизация расплава - его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке , тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше - жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе-онаполностьюкристаллизовалась.

Следующий участок соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.

Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?

Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.

Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка ), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.

Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия - кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.

В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).

Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было поглощено при плавлении на участке .

Парообразование и конденсация

Парообразование - это переход жидкости в газообразное состояние (в пар ). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.

Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу - тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее - вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).

Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией .

Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно

В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар .

Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.

Поскольку испарение - это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких;-)).

Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.

Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).

Кипение

Кипение - это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.

Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар - шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.

Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму - испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.

В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения - именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению ). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.

При нормальном атмосферном давлении ( атм или Па) температура кипения воды равна . Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач - часто он считается известным по умолчанию.

На вершине Эльбруса атмосферное давление равно атм, и вода там закипит при температуре . А под давлением атм вода начнёт кипеть только при .

Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников - это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при , эфир - при , ртуть - при . Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при . Значит, при обычных температурах кислород - это газ!

Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится - процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?

Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае - на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.

График кипения

Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости - так называемый график кипения (рис. 4 ).

Рис. 4. График кипения

Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.

Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:

Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.

Так, при удельная теплота парообразования воды равна кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) - удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.

График конденсации

Процесс конденсации пара и последующего остывания жидкости выглядит на графике симметрично процессу нагревания и кипения. Вот соответствующий график конденсации для случая стоградусного водяного пара, наиболее часто встречающегося в задачах (рис. 5 ).

Рис. 5. График конденсации

В точке имеем водяной пар при . На участке идёт конденсация; внутри этого участка - смесь пара и воды при . В точке пара больше нет, имеется лишь вода при . Участок - остывание этой воды.

Опыт показывает, что при конденсации пара массы (т. е. при прохождении участка ) выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было потрачено на превращение в пар жидкости массы при данной температуре.

Давайте ради интереса сравним следующие количества теплоты:

Которое выделяется при конденсации г водяного пара;
, которое выделяется при остывании получившейся стоградусной воды до температуры, скажем, .

Дж;
Дж.

Эти числа наглядно показывают, что ожог паром гораздо страшнее ожога кипятком. При попадании на кожу кипятка выделяется «всего лишь» (кипяток остывает). А вот при ожоге паром сначала выделится на порядок большее количество теплоты (пар конденсируется), образуется стоградусная вода, после чего добавится та же величина при остывании этой воды.

Парообразование - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Парообразование может происходить непосредственно из твердого состояния - это называется возгонка (или сублимация ).

Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется паром этого вещества.

При парообразовании увеличиваются средние расстояния между молекулами. В результате потенциальная энергия взаимодействия частиц увеличивается (численное значение ее уменьшается, но она отрицательна). Таким образом, процесс парообразования связан с увеличением внутренней энергии вещества.

Переход из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

Свойства испарения

Экспериментально установлены следующие cвойства испарения:

При одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с поверхности вещества за 1 с).
Скорость испарения тем больше:
1. чем больше площадь свободной поверхности жидкости;
2. чем меньше плотность паров над поверхностью жидкости. Скорость увеличивается при движении окружающего воздуха (ветер);
3. чем больше температура жидкости.
При испарении температура тела понижается.

Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT: молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда ее кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работа выхода ). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а температура жидкости понижается. Для того, чтобы поддерживать температуры испаряющейся жидкости неизменной, к ней необходимо подводить некоторое количество теплоты.

Молекулы пара хаотически движутся. Поэтому некоторые из них могут снова возвратиться в жидкость. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией .

Число возвратившихся в жидкость за определенный промежуток времени молекул тем больше, чем больше концентрация молекул пара, а следовательно, чем больше давление пара над жидкостью. Конденсация пара сопровождается нагреванием жидкости. При конденсации выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено при испарении.

Кипение жидкостей

Кипение - это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.

Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 3):

$~Q = L \cdot m,$

где L - удельная теплота парообразования при температуре кипения.

Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 4) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 4, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 4, б) - жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.

Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.

См. также

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 197-203.
Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 194-203.

Что такое испарение

Определение

Испарением называется процесс парообразования, который происходит со свободной поверхности жидкости.

Испарение происходит при любой температуре и происходит интенсивнее с увеличением температуры. В результате испарения происходит охлаждение жидкости, так как испарение можно объяснить тем, что молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией, вылетают с поверхностного слоя жидкости, преодолевая силы притяжения соседних молекул. Скорость испарения зависит от внешнего давления и движения газообразной фазы над свободной поверхностью жидкости. С повышением температуры плотность, следовательно, давление насыщенного пара над жидкостью увеличиваются. При увеличении плотности паров, поверхностное натяжение жидкости уменьшается, следовательно, скрытая теплота парообразования с повышением температуры уменьшается. При критической температуре (${\ T}_k$) плотность насыщенных паров равна плотности жидкости, различие между этими фазами вещества исчезает. Получается, что при критической температуре поверхностное натяжение и скрытая теплота парообразования равны нулю. Пар, строго говоря, газом не является. У паров близких к насыщению давление незначительно изменяется в зависимости от объема. Газовые законы, могут приближенно применяться к ненасыщенным парам.

Что такое кипение

Определение

Процесс интенсивного испарения жидкости не только с ее свободной поверхности, но и по всему объему жидкости внутрь образующихся в процессе пузырьков пара называют кипением.

Давление p внутри пузырька пара определяют в соответствии со следующим выражением:

где $p_0$- внешнее давление, $\rho gh$- давление слоев жидкости, которые расположены выше, $p_{R\ }=\frac{2\sigma}{r}$ -- дополнительное давление, которое вызвано с кривизной пузырька, $r$- радиус пузырька, $h$ - расстояние от центра пузырька до поверхности жидкости, $\rho $ -- плотность жидкости, $ \sigma $ -- поверхностное натяжение жидкости.

Кипение начинается тогда, когда давление (упругость) насыщенного пара внутри пузырька ($p_p$) больше чем давление в правой части формулы (1). Если жидкость имеет центры парообразования, то кипение жидкости начинается при более низких температурах. Если $\rho gh\ll p_0$, то можно считать, что кипение начинается при $p_p\approx p_0$. Температуру жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению, называют температурой (точкой) кипения (${\ T}_k$). Строго говоря, кипение на различных уровнях жидкости происходит при различных температурах, нет какой то одной определенной температуры. Определенную температуру имеет насыщенный пар, который находится над поверхностью кипящей жидкости. Его температура не зависит от того как происходит кипение в глубине жидкости, и определяется только внешним давлением. Именно температура такого пара имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.

Если кипение происходит при постоянном давлении ($p_0$), то температура кипения постоянна. Тепло, подводимое к системе, в таком случае расходуется только на парообразование.

Что такое конденсация

Определение

Процесс, обратный испарению, называют конденсацией.

При конденсации тепло выделяется. Кипение жидкости, конденсация пара -- фазовые переходы первого рода. Напомним, что фазовым переходом первого рода называют переход, который сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности вещества. При фазовых переходах первого рода, к которым относятся испарение и конденсация, термодинамический потенциал (Ф) системы не изменяется.

Количество теплоты, которое необходимо израсходовать при парообразовании единицы массы жидкости при температуре равной ${\ T}_k$, называют удельной теплотой парообразования (или скрытой теплотой кипения) ($r_k$). Удельную теплоту парообразования можно найти из уравнения Клайперона -- Клаузиуса:

где $v_p,v_j$ -- удельные объемы пара и жидкости при температуре кипения $T_k$. Соответственно, зависимость температуры кипения от давления в процессе испарения определяется как:

\[\frac{dT_k}{dp}=\frac{\left(v_p-v_j\right)T_k}{r_k}\ \left(3\right).\]

Так как $v_p>v_j$ и $r_k>0$, то $\frac{dT_k}{dp}>0.\ $ На рис 1. представлена кривая фазового равновесия процесса парообразования. Она заканчивается в критической точке К. Следствием обрыва кривой испарения в точке К является непрерывность жидкого и газообразного состояния вещества. Температура кипения растет при увеличении давления.

Пример 1

Задание: Определите молярную теплоту испарения жидкости при температуре T и давлении p насыщенных паров, если жидкость и ее пар подчиняются уравнению Ван-дер-Ваальса. Коэффициенты в уравнении Ван-дер-Ваальса равны a и b, $T\ll T_k$.

Теплота парообразования, исходя из первого начала термодинамики, может быть вычислена как:

где $U_j-$ внутренняя энергия жидкости, $U_p$ внутренняя энергия пара, $V_j,V_p$ объемы жидкости и пара соответственно, $p\left(V_p-V_j\right)-\ работа,\ совершаемая\ при\ испарении$ против сил внешнего давления p. Разность внутренних энергий по уравнению Ван-дер-Ваальса равна:

используем уравнение Ван-дер-Ваальса для одного моля вещества:

\[\left(p+\frac{a}{V^2}\right)\left(V-b\right)=RT\to p=\frac{RT}{\left(V-b\right)}-\frac{a}{V^2}\ \left(1.3\right).\]

Получаем:

Ответ: Молярная теплота испарения жидкости при заданных условиях равна: $r_p=V_p\left\{\frac{RT}{V_p-b}-\frac{2a}{V^2_p}\right\}-V_j\ \left\{\frac{RT}{V_j-b}-\frac{2a}{V^2_j}\right\}$.

Пример 2

Задание: Два килограмма воды взяли при температуре 00C при атмосферном давлении нагрели и превратили в пар полностью. Найдите изменение энтропии, если считать процесс обратимым.

\[\triangle S=\int{\frac{\delta Q}{T}}=\triangle S_{nagr}+\triangle S_p\ (2.1),\]

где $\triangle S_{nagr}$ изменение энтропии при нагревании воды от нуля по Цельсию до температуры кипения, то есть от $T_1=273\ K\ до\ T_2=373\ K$. $\triangle S_p-\ $изменение энтропии при парообразовании. Найдем изменение энтропии при нагревании воды:

\[\triangle S_{nagr}=\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{\delta Q}{T}}=\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{cmdT}{T}}=cm\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{dT}{T}}=cmln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)\left(2.2\right),\]

где $c$ удельная теплоемкость воды равна $c=4,2\ {\cdot 10}^3\frac{Дж}{кгК}$

Процесс парообразования при температуре кипения идет без изменения температуры, поэтому выражение для изменения энтропии в этом процессе будет иметь вид:

\[\triangle S_p=\frac{1}{T_2}\int{\delta Q}=\frac{1}{T_2}\triangle Q=\frac{r_pm}{T_2}\left(2.3\right),\]

где $r_p$- удельная теплота парообразования из справочных материалов равна для воды $r_p=22,6\cdot {10}^5\frac{Дж}{кг}$.

Окончательно выражение для изменения энтропии имеем в виде:

\[\triangle S=cmln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)+\frac{r_pm}{T_2}\ \left(2.4\right).\]

Все данные переведены в СИ, проведем расчет:

\[\triangle S=4,2\ {\cdot 10}^3\cdot 2{ln \left(\frac{373}{273}\right)\ }+\frac{22,6\cdot {10}^5\cdot 2}{373}=14,6{\cdot 10}^3\frac{Дж}{К}.\]

Ответ: Изменение энтропии в заданном процессе равно $1,46{\cdot 10}^4\frac{Дж}{К}$.

Лекция №

ТЕМА : Парообразование и конденсация. Кипение. Зависимость

Температуры кипения жидкости от давления. Точка росы.

План

1. Парообразование и конденсация.

2. Испарение.

3. Насыщенный пар и его свойства.

4. Кипение. Зависимость t кип от давления .

5. Перегретый пар и его применение.

6. Влажность воздуха.

1. XIX в. называют «веком пара», так как в это время широкое распространение получили тепловые машины, рабочим веществом которых был пар. В наше время паровые турбины находят применение на теплоэлектростанциях. Для того, чтобы построить такие машины и повысить их ККД необходимо знать свойства рабочего вещества пара.

Свойства пара используются в разных приборах. Изучение свойств пара привело к возможности получить сжиженные газы и их широкому применению.

Знания о свойствах паров необходимы и в метеорологии.

Таким образом, изучение данного материала имеет большое практическое значение.

Парообразование и конденсация.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Парообразование сопровождается U; конденсация сопровождается U↓

Испарения

Парообразование

происходит в виде кипения

2. Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, которая является границей с газообразной средой или с вакуумом, называется испарением.

Испарение происходит при любой температуре; со свободной поверхности жидкости отлетают молекулы, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии взаимодействия.

Е к < Е к2 > Е к1

Чтобы выйти из жидкости, молекула должна выполнить работу за счет уменьшения своей Е к . Покинуть жидкость могут лишь молекулы, у которых Е к > А выхода (работа, которая выполняется из преодоления сил притяжения между молекулами). Так как жидкость покидают лишь молекулы с большой Е к , а остаются с малой Е к ↓, то среднее значение энергии Е для молекул, которые остаются уменьшается, то есть жидкость охлаждается . Например : этим объясняется холод при выходе из воды; если дуть на ладонь.

Наряду с этим существуют молекулы, которые возвращаются в жидкость, передавая ей часть своей кинетической энергии Е к, при этом внутренняя энергия жидкости увеличивается (жидкость нагревается).

ИСПАРЕНИЕ КОНДЕНСАЦИЯ ПРОИСХОДЯТ ОДНОВРЕМЕННО.

Если преобладает испарение жидкость охлаждается.

Если преобладает конденсация жидкость нагревается.

Скорость испарения зависит:

1. От рода жидкости (эфир, вода).

2. От площади свободной поверхности.

3. С Т скорость испарения возрастает.

4. Чем меньше плотность пара жидкости над ее поверхностью, тем больше скорость испарения.

3. Пары, которые насыщают и не насыщают пространство.

А). В открытом сосуде преобладает процесс испарения,

Так как пар относится движением воздуха.

Б). В герметично закрытом сосуде количество

Молекул, которые покидают жидкость за единицу

Времени = количеству молекул, которые

Возвращаются в жидкость за то же самое время

(конденсация), то есть наступает динамическое

Равновесие. при Т = const

Пар, который находится в состоянии подвижного (динамического) равновесия со своей жидкостью, называется паром, насыщающим пространство, или насыщенным паром.

Именно такой пар содержится над поверхностью жидкости в закрытом сосуде. Давление насыщенного пара зависит только от температуры.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда процесс испарения преобладает над процессом конденсации, и пар при отсутствии жидкости называется ненасыщенным паром.

Свойства паров, насыщающих пространство : Е ПОС , р пара

1. Давление и плотность насыщенного пара зависит от его Т.

2. Не подчиняется закону Шарля (так как m≠const, V = const) и масса насыщенного пара при изохоричном процессе изменяются.

3. Не выполняется закон Бойля - Мариотта (Т = const), при Т = cons р нас пара не зависит от объема, плотность насыщенного пара не изменяется (так как масса газа насыщенного пара изменяется).

Свойства паров, ненасыщающих пространство .

К ненасыщенному пару можно применить законы идеального газа лишь в тех случаях, когда пар далек от насыщенности.

Насыщенный пар возможно превратить в ненасыщенный изохоричным нагревом (изотермическое расшрение).

Ненасыщенный → насыщенный путем изохоричного охлаждения (изотермическое сжатие).

Опыты показывают, если пар не сталкивается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщенным, а жидкость при этом так и не образуется. Такой пар называется перенасыщенным. Объясняется это тем, что для образования пара в жидкости необходимы центры конденсации. Обычно, то пылинки или «+» ионы, которые притягивают к себе молекулы пара, что ведет к образованию маленьких капелек.

4. ПРОЦЕСС КИПЕНИЯ.

Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре, называется кипением.

При кипении во всем объеме жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура остается неизменной (Т=const).

Условие кипения кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

В жидкости всегда существует растворимый газ, который выделяется на дне и стенках сосуда.

С повышением температуры, давление насыщенного пара возрастает, пузырек растет в объеме и под действием F арх всплывает, если t поверхностного слоя жидкости ниже, в пузырьке газ конденсируется, давление падает, пузырек захлопывается (микровзрыв). Этим поясняется шум воды, перед тем как она начинает закипать.

Когда температура жидкости сравнивается, пузырек всплывает на поверхность.

ЗАВИСИМОСТЬ Т кип ОТ ДАВЛЕНИЯ:

1. Чем выше внешнее давление, тем выше Т кипения.

Например. Паровой котел: р = 1,6 · 10 6 Па, а вода не кипит даже при 200°С (автоклав).

2. Уменьшение внешнего давления ведет к снижению Т кип .

Например. Горы: h = 7134 м; р = 4·10 4 Па; t воды = 70°С

3. У каждой жидкости своя Т кип , которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже Т кип соответствующей жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении наз. точкой кипения (норм условия : t = 0°С, р = 760 мм рт ст. = 101300 Па, М возд = 0,029 кг/моль).

Q жид = сm (t кип t 1 ); Q пар = m·r ; Q = Q жид + Q п = сm (t кип t 1 ) + m·r

R - Количество теплоты, которая необходима для превращения 1кг жидкости в пар (или пара в жидкость), при постоянной температуре, которая равна температуре кипения называется удельной теплотой парообразования. (Q пар = m·r)

r Зависит : 1. От рода вещества.

2. От внешних условий.

∑ отдан = ∑ получ уравнение теплового баланса

Перегретый пар и его применение.

Пар, который получают „в чане”, потом нагревают до высокой температуры, а потом уже направляют в паровую турбину, называют сухим или перегретым. Так как вместе с температурой увеличивается давление пара, то сильно перегретый пар называют паром высокого давления.

После того, как пар выполнит работу в турбине, он еще имеет высокую температуру и большой запас энергии. Поэтому с (ТЭЦ) отработанный пар передается на предприятия и жилые дома для отопления.

Критическое состояние вещества.

Чтобы перевести пар в жидкость, необходимо повысить давление и снизить его температуру.

Так как ρ 1 > ρ 2

При увеличении температуры плотность уменьшается для жидкости, а плотность пара возрастает, и различие между ними становится менее заметным. Если температура будет очень высокой, грань исчезнет.

Критической температурой (t кр ) вещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность насыщенного пара становятся одинаковыми.

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его t кр наз. критическим давлением.

При критической температуре свойства жидкости и насыщенного пара становятся неразличимыми, это означает, что при t кр вещество может существовать только в одном состоянии, которое называют газообразным и в этом случае никаким увеличением давления превратить его в жидкость невозможно. Если вещество находится при t кр и р кр , то ее состояние называют критическим состоянием.

СЖАТИЕ ГАЗОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ.

Газ возможно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической (Остан 1908- гелий).

В машинах для сжатия газов используются охлажденные газы в процессе их адиабатического расширения. Предварительно газ сильно сжимают компрессором, теплота отводится. В процессе адиабатического расширения сам газ выполняет работу и еще больше охлаждается. Превращается в жидкость. Сжатые газы сохраняют в сосудах Дьюара. Это сосуд с двойными стенками, между которыми вакуум, для уменьшения теплопроводности стенки покрыты ртутной амальгамой. Жидкие газы широко применяют в промышленности и научных опытах.

Свойства вещества изменяются при низких температурах:

Свинец становится упругим;

Резина хрупкой.

Изучение свойств вещества при низких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

В воздухе всегда содержится определенное количество водяного пара. Если водяного пара много, мы говорим, что воздух влажный, если мало сухой.

Величина, характеризующая содержание водяных паров в разных частях атмосферы Земли называется влажностью воздуха .

Давление, которое оказывал бы водяной пар, если бы остальные газы отсутствовали, наз. парциальным давлением водяного пара.

Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется плотность водяного пара или давление пара, который находится в воздухе /1м/при данной температуре.

Относительной влажностью воздуха называется отношение парциального давления водяного пара, который содержится в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре.

φ - Относительная влажность воздуха показывает, сколько % составляет абсолютная влажность ρ а от плотности водяного пара ρ н , насыщенного воздуха при данной температуре.

ρ а - плотность водяного пара

ρ н - плотность насыщенного пара

Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения, становится насыщенным водяным паром, называют точкой росы .

Приборы для определения влажности воздуха: гигрометр и психрометр .

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение процессов парообразования и конденсации?

2. Какими путями происходит процесс парообразования?

3. Поясните принцип охлаждения и нагрева жидкости.

4. От чего зависит скорость испарения жидкости?

5. Что такое динамическое равновесие?

6. Кипение это ….?

7. При каком условии какая-либо жидкость начинает кипеть?