§ 55. Взаимные превращения жидкостей и газов

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. Молекулы покидают только поверхностный слой, поэтому испарение возможно и без нагревания до кипения. Это понятие помогает объяснить высыхание луж и охлаждение влажной кожи.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое; при этом энергия передаётся окружающей среде. Так образуются капли воды на холодном стекле, когда водяной пар из воздуха превращается в жидкость. Понятие нужно, чтобы описывать обратный испарению переход и учитывать выделение энергии.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: число молекул, покидающих жидкость за время, равно числу возвращающихся. Равновесие динамическое, потому что оба процесса продолжаются, хотя количество жидкости и пара в среднем не меняется. Это определение позволяет понять, как ведёт себя пар в закрытом сосуде.

Кипение — интенсивное парообразование, происходящее во всём объёме жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, оно не ограничено свободной поверхностью. Понятие нужно для объяснения появления пузырьков и связи температуры кипения с внешним давлением.

Как это устроено

Молекулы жидкости хаотически движутся и имеют неодинаковые скорости. Те, что находятся у поверхности и движутся достаточно быстро, могут преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Поэтому покидающие её молекулы уносят часть энергии, а средняя энергия оставшихся уменьшается — жидкость охлаждается. Если к жидкости подводить теплоту, например от воздуха или нагревателя, охлаждение может быть компенсировано.

Чем выше температура, тем больше быстрых молекул, способных покинуть жидкость, и тем интенсивнее испарение. При большей площади свободной поверхности больше молекул одновременно могут уйти в газ. Скорость также зависит от рода жидкости: силы притяжения между её молекулами различны. Наконец, если пар быстро уносится от поверхности, возле неё не успевает накапливаться много молекул, способных вернуться обратно.

В закрытом сосуде молекулы сначала покидают жидкость и накапливаются над ней. Часть молекул пара возвращается в жидкость; чем больше пара, тем чаще происходят такие возвращения. Со временем число молекул, испаряющихся за промежуток времени, становится равным числу конденсирующихся — возникает динамическое равновесие. При данной температуре давление насыщенного пара тогда не зависит от объёма сосуда, если жидкость в нём ещё есть: при уменьшении объёма часть пара конденсируется.

Пузырьки пара внутри нагреваемой жидкости могут расти, когда давление пара в них способно противостоять давлению снаружи. Кипение начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. Чем выше внешнее давление, тем более высокой температуры нужно достичь, чтобы это условие выполнилось; при меньшем давлении кипение начинается раньше. Во время кипения при постоянном давлении температура не растёт, потому что получаемая энергия идёт на превращение жидкости в пар. Выше критической температуры жидкость и газ перестают различаться как отдельные состояния вещества.

Сравнение испарения, кипения и конденсации

Сравнивайте процессы по месту, где они идут, и по условиям начала: так проще не смешать испарение с кипением. В таблице приведена строка об испарении; кипение происходит во всём объёме, а конденсация превращает газ в жидкость. Учитывайте также направление передачи энергии: при испарении жидкость теряет энергию, при конденсации она передаётся окружающей среде.

Разбор задач

Почему влажная кожа кажется холоднее, когда на неё дует ветер?

1. На коже есть вода, молекулы которой испаряются с поверхности при любой температуре.
2. Для выхода из жидкости молекулы уносят энергию. Поэтому оставшаяся вода и поверхность кожи охлаждаются, если тепло от тела не успевает компенсировать потерю.
3. Ветер уносит водяной пар от кожи. Над поверхностью становится меньше пара, который мог бы вернуться в жидкость, и испарение идёт быстрее.

Ответ: ветер усиливает испарение, а оно отнимает энергию у кожи, поэтому кожа ощущается холоднее.

В закрытом сосуде при постоянной температуре жидкость находится в равновесии со своим паром. Что произойдёт с давлением пара, если немного уменьшить объём сосуда, сохранив в нём жидкость?

1. Жидкость и пар находятся в равновесии, значит, пар насыщенный.
2. При неизменной температуре давление насыщенного пара задаётся температурой, а не объёмом сосуда.
3. При уменьшении объёма часть молекул пара конденсируется. Равновесие устанавливается снова, и насыщенный пар сохраняет прежнее давление.

Ответ: давление пара не изменится, если температура остаётся постоянной и в сосуде есть жидкость.

Вода кипит при температуре ниже 100 °C. Как объяснить это и как изменится температура кипения при увеличении внешнего давления?

1. Кипение начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению.
2. Если внешнее давление меньше обычного атмосферного, равенство достигается при более низкой температуре. Поэтому вода может кипеть ниже 100 °C, например на высоте.
3. При увеличении внешнего давления пузырькам нужно создать большее давление. Для этого требуется сильнее нагреть воду, значит, температура кипения повысится.

Ответ: пониженное внешнее давление снижает температуру кипения, а увеличение внешнего давления повышает её.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение происходит только при температуре кипения. Так можно подумать, потому что заметные пузырьки пара появляются при кипении. Но поверхностные молекулы с достаточной энергией покидают жидкость при любой температуре. Проверьте себя на примере лужи: она высыхает и тогда, когда вода не кипит.

Ошибка: путать испарение с кипением. Оба процесса превращают жидкость в газ, но испарение идёт только с поверхности, а кипение — во всём объёме. Путаница возникает из-за общего результата — образования пара. Спросите себя, появляются ли пузырьки внутри жидкости: это признак кипения.

Ошибка: утверждать, что насыщенный пар не конденсируется. Слово «насыщенный» может создать впечатление, будто пар больше не меняется. На деле испарение и конденсация продолжаются одновременно, но их скорости равны. Для проверки вспомните: равновесие означает равенство встречных процессов, а не их остановку.

Ошибка: считать температуру кипения всегда равной 100 °C. Это значение относится к воде при определённом атмосферном давлении, поэтому его нельзя переносить на любые условия. Кипение начинается при равенстве давления пара и внешнего давления. Проверьте утверждение, уточнив давление и род жидкости.

Связь с другими темами

Чтобы понять испарение и конденсацию, нужно знать строение вещества и представлять молекулы как частицы, находящиеся в хаотическом тепловом движении. Связь между движением частиц и энергией помогает объяснить охлаждение при испарении, а знания о внутренней энергии и теплопередаче — проследить, куда уходит или откуда поступает энергия. Эти представления пригодятся при изучении влажности воздуха, тепловых двигателей и холодильных установок. Те же переходы важны для понимания фазовых изменений вещества.

Что запомнить

• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
• При испарении жидкость охлаждается, если подвод теплоты не восполняет потери энергии.
• Конденсация сопровождается передачей энергии окружающей среде.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
• Кипение происходит во всём объёме жидкости.
• Температура кипения определяется внешним давлением.
• Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости остаётся постоянной.