"Физика", Андрюшечкин С.М.
Испарение, конденсация и кипение описывают переходы вещества между жидким и газообразным состояниями. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а кипение — во всём её объёме при определённых условиях. При испарении жидкость охлаждается, при конденсации выделяется энергия, а во время кипения температура при постоянном давлении не меняется. Эти явления помогают объяснить высыхание вещей, появление капель на стекле и образование пара.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное с поверхности жидкости. Оно возможно при любой температуре, а не только при кипении. Например, вода постепенно исчезает с мокрой ткани и в прохладной комнате. Это понятие помогает объяснить, почему вещи высыхают и почему испаряющаяся жидкость охлаждается.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Обычно она происходит, когда пар охлаждается: его молекулы движутся медленнее и могут снова собраться в жидкость. Так образуются капли на холодном стекле. Понятие нужно, чтобы объяснять появление жидкости из невидимого водяного пара.
Кипение — интенсивное парообразование, которое происходит во всём объёме жидкости при определённой для данного давления температуре. В отличие от испарения, оно не ограничивается поверхностью: пар образуется и внутри жидкости. Температуру, при которой начинается кипение, называют температурой кипения. Она позволяет определить условие, при котором жидкость переходит в пар по всему объёму.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости при температуре кипения в пар без изменения температуры. Её обозначают L, а количество теплоты для парообразования находят по формуле Q = Lm, где m — масса жидкости. Значение L зависит от вещества. Эта величина нужна для расчёта энергии, необходимой для превращения жидкости в пар.
Молекулы жидкости непрерывно движутся, но скорости у них неодинаковы. У поверхности самые быстрые молекулы иногда получают возможность преодолеть притяжение соседей и улететь в пространство над жидкостью. После их ухода в жидкости в среднем остаются более медленные молекулы, поэтому её внутренняя энергия и температура уменьшаются. Именно так объясняется охлаждение при испарении.
На скорость испарения влияет температура: при нагревании доля быстрых молекул становится больше, и больше молекул может покинуть жидкость за одно и то же время. Чем больше свободная поверхность, тем больше молекул одновременно может с неё улетать. Разные жидкости испаряются с разной скоростью из-за различий в притяжении между их молекулами. Движение воздуха уносит скопившийся над жидкостью пар, поэтому новые молекулы могут испаряться активнее.
При конденсации молекулы пара теряют энергию, например, соприкасаясь с более холодной поверхностью. Они движутся медленнее и сильнее притягиваются друг к другу, поэтому возвращаются в жидкое состояние. Энергия, которую молекулы теряют при таком переходе, передаётся окружающим телам. Поэтому конденсация сопровождается выделением энергии.
При нагревании жидкости внутри неё появляются пузырьки пара. Сначала они могут исчезать: давление пара внутри пузырька ещё не достаточно, чтобы пузырёк рос и сохранялся в жидкости. Кипение начинается, когда давление пара в пузырьках становится достаточным для их роста. Пузырьки поднимаются к поверхности и лопаются, а пар выходит наружу.
Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости остаётся постоянной. Поступающая энергия не пропадает: она расходуется на переход молекул из жидкости в пар, а не на повышение температуры. Поэтому, пока жидкость кипит, дальнейшее нагревание увеличивает количество образующегося пара, но не температуру жидкости. После превращения жидкости в пар температура может снова повышаться, если нагрев продолжается.
| Признак | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | На поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При каких температурах возможно | При любой температуре | При температуре кипения |
| Условия начала процесса | Молекулы у поверхности покидают жидкость | Давление пара в пузырьках становится достаточным для их роста |
| Изменение температуры жидкости | Жидкость охлаждается | При постоянном давлении не меняется |
| От чего зависит скорость процесса | От температуры, площади поверхности, рода жидкости и движения воздуха | От подвода теплоты и условий, влияющих на кипение |
Сначала сравните место, где образуется пар: это главный признак, позволяющий отличить процессы. Затем проверьте, при каких температурах они возможны и что происходит с температурой жидкости. Для испарения скорость зависит от условий у поверхности, а кипение требует образования и роста пузырьков.
Мокрая ткань быстрее высыхает на ветру и в тёплом помещении. Нужно объяснить это, используя свойства испарения. Ветер и нагрев действуют на испарение по-разному, но оба ускоряют удаление воды с ткани. Сравним, что происходит у её поверхности.
Нужно превратить 0,2 кг воды при температуре кипения в пар. Удельная теплота парообразования воды L = 2,3 МДж/кг. Температура уже равна температуре кипения, поэтому нагревать воду не требуется. Используем формулу Q = Lm.
Ответ: Q = 0,46 МДж, или 460 кДж. Отдельное слагаемое для нагревания здесь не нужно, потому что вода уже находится при температуре кипения. Проверка единиц показывает, что результат выражен в единицах энергии.
Нужно нагреть 0,5 кг воды от 20 °C до температуры кипения, а затем полностью превратить её в пар. Дано: c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3 МДж/кг. При нормальном давлении вода кипит при 100 °C, значит, при нагревании её температура изменится на 80 °C. Процесс состоит из двух этапов, поэтому найдём теплоту для каждого и сложим.
Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Такое заблуждение появляется, если путать испарение с бурным образованием пара при кипении. Испарение идёт при любой температуре, хотя при низкой температуре обычно медленнее. Проверьте себя: если лужа высыхает без нагревания до кипения, значит, испарение уже происходит.
Ошибка: считать испарение и кипение одним процессом. В обоих случаях жидкость превращается в пар, поэтому различие легко упустить. Но испарение происходит на поверхности, а кипение — во всём объёме. Проверьте, есть ли в условии пузырьки внутри жидкости: их рост характерен для кипения.
Ошибка: утверждать, что при кипении температура жидкости продолжает расти. Обычно так рассуждают, потому что нагреватель по-прежнему передаёт жидкости энергию. При постоянном давлении энергия расходуется на парообразование, а температура не меняется. Для проверки уточните, кипит ли жидкость и сохраняется ли давление постоянным.
Ошибка: подставлять массу в граммах или путать удельную теплоту парообразования с удельной теплоёмкостью. Обе величины связаны с количеством теплоты, но описывают разные процессы: превращение в пар и нагревание. Перед вычислением переведите массу в килограммы и выберите формулу по этапу: Q = Lm для парообразования, Q = cmΔt для нагревания. Проверьте также, что единицы в ответе соответствуют энергии.
Чтобы понять переходы между жидкостью и газом, нужно знать, что молекулы непрерывно движутся, а температура связана с их движением. Представление об агрегатных состояниях помогает отличать жидкость от пара. Эти знания пригодятся при изучении влажности воздуха и образования облаков: облака связаны с конденсацией водяного пара. Испарение и конденсация также участвуют в круговороте воды в природе. Формулу Q = Lm используют, когда рассчитывают энергию для парообразования и другие тепловые затраты.
Почему испарение происходит даже при комнатной температуре?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями при любой температуре. Некоторые из них у поверхности движутся достаточно быстро, чтобы покинуть жидкость и стать паром.
Почему после купания человеку становится холодно?
Вода испаряется с поверхности кожи. На испарение нужна энергия, и часть её забирается у кожи, поэтому она охлаждается.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при температуре кипения, соответствующей данному давлению.
Почему температура воды не растёт, пока она кипит?
При постоянном давлении поступающая энергия расходуется на превращение жидкости в пар. Поэтому температура кипящей воды не повышается, пока жидкость продолжает кипеть.
Почему на холодном стекле появляются капли воды?
В воздухе есть водяной пар. При соприкосновении с холодным стеклом он охлаждается и превращается в жидкость — конденсируется.
§ 12. Испарение. Конденсация. Кипение
