§ 58. Испарение и конденсация

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное с поверхности жидкости. В отличие от кипения, оно может происходить при любой температуре и не охватывает весь объём. Это объясняет, почему вода постепенно исчезает даже без нагревания до температуры кипения.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при потере молекулами энергии. Частицы пара сближаются и вновь образуют жидкость. Понятие нужно, чтобы объяснить появление капель на холодных поверхностях, облаков и тумана.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. При данной температуре его давление максимально: повышение температуры увеличивает давление насыщенного пара, а понижение уменьшает его. Это понятие показывает, почему в закрытом сосуде пар не может расти бесконечно.

Удельная теплота парообразования λ — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры. Количество теплоты рассчитывают по формуле Q = λm, где m — масса жидкости. При испарении энергия поглощается, поэтому Q имеет смысл полученной веществом теплоты.

Как это устроено

Жидкость состоит из постоянно движущихся молекул, причём их скорости различаются. У поверхности иногда оказывается молекула с большой кинетической энергией, способная преодолеть притяжение соседних частиц. Поэтому испарение идёт именно с поверхности: молекулы внутри жидкости окружены другими частицами и не могут свободно покинуть её.

При испарении уходят преимущественно самые быстрые молекулы. Средняя энергия оставшихся частиц уменьшается, поэтому жидкость охлаждается. Энергия для продолжения процесса поступает от окружающего воздуха, сосуда или нагревателя; без такого подвода испарение постепенно замедляется.

Температура сильнее влияет на испарение, потому что при нагревании возрастает доля быстрых молекул. Большая площадь поверхности даёт большему числу частиц возможность покинуть жидкость одновременно. Движение воздуха уносит пар, а высокая влажность мешает новым молекулам переходить в газ, поэтому ветер ускоряет высыхание, а влажный воздух его замедляет.

При конденсации молекулы пара теряют энергию и притягиваются к частицам жидкости или поверхности. Они переходят в более связанное состояние, а избыток энергии выделяется наружу в виде теплоты. Поэтому конденсация может нагревать окружающий воздух или предмет, на котором образуются капли.

В закрытом сосуде молекулы одновременно испаряются из жидкости и возвращаются в неё. Сначала испарение преобладает, но концентрация пара растёт, и конденсация становится интенсивнее. Равновесие устанавливается, когда средние скорости обоих процессов равны; такой пар называют насыщенным, а его давление зависит только от температуры.

Сравнение испарения и конденсации

Сначала определите направление перехода: жидкость превращается в пар или пар — в жидкость. Затем проверьте, происходит ли поглощение или выделение теплоты. Для объяснения скорости процесса сопоставьте температуру, площадь поверхности, движение воздуха и влажность.

Разбор задач

1. Охлаждение кожи и скорость испарения

Условие: объяснить, почему мокрая кожа охлаждается, особенно при движении воздуха, и сравнить испарение воды в тёплом и холодном помещении. Нужно связать наблюдение с движением молекул. Отдельно учтём влияние температуры и воздуха.

1. С поверхности кожи уходят наиболее быстрые молекулы воды, поэтому средняя энергия оставшейся жидкости уменьшается.
2. Движущийся воздух удаляет водяной пар и снижает влажность у кожи, поэтому испарение ускоряется, а охлаждение становится заметнее.
3. В тёплом помещении молекул с большой энергией больше, чем в холодном, поэтому вода испаряется быстрее.

Ответ: кожа охлаждается из-за ухода быстрых молекул; ветер усиливает испарение. В тёплом помещении вода испарится быстрее, чем в холодном, при одинаковой площади и влажности воздуха.

2. Количество теплоты при испарении

Условие: испаряется вода массой m = 0,20 кг. Удельная теплота парообразования воды λ = 2,3·10⁶ Дж/кг. Требуется найти количество теплоты и определить её знак по смыслу процесса.

1. Записываем формулу: Q = λm.
2. Подставляем значения: Q = 2,3·10⁶ · 0,20 = 0,46·10⁶ Дж.
3. Переводим результат в удобный вид: Q = 4,6·10⁵ Дж. При испарении эта энергия поглощается водой.

Ответ: Q = 4,6·10⁵ Дж, или 460 кДж; теплота поглощается.

3. Насыщенный пар в закрытом сосуде

Условие: в закрытом сосуде при постоянной температуре часть жидкости испарилась, после чего установилось равновесие. Нужно объяснить, почему количество пара больше не растёт, и определить последствие повышения температуры.

1. По мере испарения число молекул пара увеличивается, поэтому возрастает вероятность их возвращения в жидкость.
2. В равновесии испарение и конденсация продолжаются, но за одинаковое время переходят в обе стороны в среднем равные количества молекул.
3. При повышении температуры возрастает доля быстрых молекул, поэтому давление насыщенного пара увеличивается и часть жидкости может испариться дополнительно.

Ответ: дальнейшее увеличение количества пара при прежней температуре невозможно из-за динамического равновесия. При нагревании давление насыщенного пара возрастёт, а равновесие установится при большем количестве пара.

Типичные ошибки

1. Испарение и кипение считают одним процессом, потому что оба дают пар. Но испарение идёт только с поверхности, а кипение — во всём объёме с пузырьками. Проверьте, где происходит переход.

2. Иногда думают, что испарение всегда повышает температуру жидкости. На самом деле быстрые молекулы уносят энергию, и жидкость обычно охлаждается. Спросите себя, какая часть молекул покидает жидкость.

3. Конденсацию путают с испарением и считают, что теплота поглощается. При конденсации пар теряет энергию и передаёт её окружающей среде. Если пар превращается в жидкость, тепловой эффект — выделение.

4. Насыщенный пар принимают за неподвижный пар, не обменивающийся молекулами с жидкостью. Равновесие динамическое: испарение и конденсация продолжаются с равными средними скоростями. Проверьте, не заменили ли вы равенство скоростей остановкой процессов.

Связь с другими темами

Для понимания испарения нужны представления о строении вещества, тепловом движении молекул и внутренней энергии. Способы теплопередачи объясняют, откуда жидкость получает энергию для парообразования. Эти знания связывают микроскопическое движение частиц с наблюдаемым охлаждением.

В задачах используют закон сохранения энергии и формулу количества теплоты. Удельная теплота фазового перехода позволяет находить Q по массе вещества: Q = λm. При конденсации аналогичное количество энергии выделяется.

Испарение и конденсация нужны для изучения влажности воздуха, образования облаков и росы. На этих процессах основаны охлаждение, работа холодильных установок и некоторые тепловые машины. Поэтому тема встречается и в метеорологии, и в технике.

Что запомнить

• Испарение — парообразование с поверхности жидкости.
• При испарении жидкость поглощает энергию и обычно охлаждается.
• Скорость испарения увеличивается с ростом температуры и площади поверхности.
• Движение воздуха ускоряет испарение, а высокая влажность его замедляет.
• Конденсация — переход пара в жидкость с выделением энергии.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
• Количество теплоты при парообразовании рассчитывают по формуле Q = λm.