"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Парообразование и конденсация объясняют, как вещество переходит между жидким и газообразным состояниями. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а кипение — во всём её объёме при определённых условиях. Эти процессы связаны с движением молекул, передачей теплоты и изменением внутренней энергии. Понимание темы помогает объяснить охлаждение при испарении, кипение воды в горах, образование облаков и работу холодильных установок.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Парообразование — переход вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное. В этой теме рассматривается парообразование жидкости, то есть появление пара из воды или другой жидкости. Понятие нужно, чтобы объединить два процесса: испарение и кипение.
Испарение — парообразование с поверхности жидкости, происходящее при любой температуре. В открытом сосуде молекулы постепенно покидают верхний слой, поэтому жидкость может исчезать даже без нагревания до кипения. Скорость процесса обозначает, насколько быстро уменьшается масса жидкости.
Кипение — интенсивное парообразование во всём объёме жидкости при определённой для данных условий температуре. Внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые растут и поднимаются вверх. Это определение помогает отличать кипение от медленного поверхностного испарения.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Так пар превращается в капли на холодном стекле или в облаках. При конденсации выделяется теплота, поэтому процесс противоположен парообразованию.
Молекулы жидкости непрерывно движутся и имеют неодинаковые скорости. У поверхности наиболее быстрые молекулы могут преодолеть притяжение соседних частиц и вылететь наружу, поэтому испарение идёт преимущественно за счёт них. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, их внутренняя энергия уменьшается, и жидкость охлаждается.
При повышении температуры доля быстрых молекул становится больше, поэтому испарение ускоряется. Увеличение площади поверхности даёт большему числу молекул возможность покинуть жидкость одновременно. Движение воздуха уносит образовавшийся пар, уменьшает его концентрацию над жидкостью и тем самым поддерживает испарение.
Разные жидкости испаряются с разной скоростью, потому что силы притяжения между их молекулами неодинаковы. Например, летучая жидкость испаряется быстрее воды при одинаковой температуре и площади поверхности. При испарении жидкость поглощает энергию, поэтому для длительного процесса она обычно получает теплоту от окружающей среды.
При нагревании давление пара над жидкостью растёт, а в самой жидкости появляются пузырьки, заполненные паром. Если пузырёк находится глубоко, давление окружающей жидкости может сжать его, но при достаточно высокой температуре давление пара внутри становится достаточным для роста. Пузырьки поднимаются, увеличиваются и достигают поверхности, поэтому кипение происходит во всём объёме.
Жидкость закипает тогда, когда давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: число молекул, покидающих жидкость, в среднем равно числу молекул, возвращающихся в неё. В закрытом сосуде после установления равновесия испарение и конденсация продолжаются, но количество жидкости и пара в среднем остаётся постоянным.
| Процесс | Где происходит | Условия протекания | Изменение внутренней энергии | Тепловой эффект |
|---|---|---|---|---|
| Испарение | На поверхности жидкости | При любой температуре | У жидкости обычно уменьшается | Теплота поглощается |
| Кипение | Во всём объёме жидкости | Давление насыщенного пара равно внешнему давлению | У системы жидкость–пар увеличивается | Теплота поглощается |
| Конденсация | В объёме пара и на поверхностях | Пар охлаждается или соприкасается с более холодной поверхностью | У пара уменьшается | Теплота выделяется |
Таблица помогает сравнить процессы по месту протекания и необходимым условиям. Если жидкость получает энергию и превращается в пар, речь идёт о парообразовании; обратный переход называют конденсацией. При решении задач отдельно проверяйте, изменяется ли температура и происходит ли переход вещества.
В широкой открытой чашке и узком стакане находится одинаковая масса воды. Нужно объяснить, где вода испаряется быстрее, а также определить влияние обдувания. Численные расчёты не требуются, потому что сравниваются физические условия процесса.
Ответ: вода в широкой чашке испаряется быстрее, чем в узком стакане, а при обдувании скорость испарения возрастает. Такой же принцип объясняет, почему бельё сушится быстрее на ветру.
Найти количество теплоты для нагревания 0,5 кг воды от 20 °C до температуры кипения и полного превращения в пар. Примем c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3·10⁶ Дж/кг, температура кипения воды равна 100 °C. Процесс состоит из двух последовательных этапов.
Ответ: потребуется примерно 1,32·10⁶ Дж теплоты. Нельзя использовать только формулу Q = Lm, потому что до начала кипения воду ещё нужно нагреть.
В закрытом сосуде находятся вода и её пар, а затем температуру повышают. Нужно понять, что произойдёт и как найти долю испарившейся воды, если она указана в условии. При повышении температуры давление насыщенного пара увеличивается, поэтому прежнего количества пара становится недостаточно для равновесия.
Ответ: состояние системы определяется новой температурой и давлением насыщенного пара; численную долю можно найти только по данным условия задачи. Само равновесие не означает остановку молекул, а означает равенство средних скоростей двух противоположных процессов.
Считать, что испарение возможно только при температуре кипения, — ошибка из-за смешения двух процессов. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение охватывает весь объём. Проверка: спросите себя, образуются ли пузырьки внутри жидкости.
Утверждать, что при испарении температура жидкости всегда повышается, неверно. Быстрые молекулы уходят, поэтому средняя энергия оставшихся обычно уменьшается, и жидкость охлаждается. Проверка: вспомните ощущение холода после выхода из воды.
Считать температуру кипения постоянной при любых условиях нельзя. Она зависит от внешнего давления: при меньшем давлении вода кипит при более низкой температуре. Проверка: сравните условия на уровне моря и в горах.
Нельзя называть насыщенным любой пар над жидкостью. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью при данных температуре и объёме, а ненасыщенный может ещё накапливаться за счёт испарения. Проверка: выясните, равны ли скорости испарения и конденсации.
Для понимания парообразования нужны молекулярно-кинетическое объяснение температуры, понятия внутренней энергии, работы и количества теплоты. Эти знания позволяют объяснить охлаждение при испарении и вычислять энергию нагревания и парообразования.
Тема связана с влажностью воздуха, образованием облаков, росы и другими атмосферными явлениями. Те же процессы используются в тепловых двигателях, холодильных установках и тепловых насосах, где вещество поочерёдно испаряется и конденсируется.
Почему испарение происходит даже при комнатной температуре?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями, и некоторые из наиболее быстрых имеют достаточно энергии, чтобы покинуть поверхность. Поэтому испарение возможно при любой температуре, хотя при нагревании оно ускоряется.
Почему после купания или выхода из воды становится холодно?
С поверхности кожи испаряется вода. В первую очередь уходят быстрые молекулы, поэтому средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, а кожа охлаждается.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение идёт только с поверхности жидкости и при любой температуре. Кипение происходит во всём объёме, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Поэтому равенство давления насыщенного пара внешнему давлению достигается при более низкой температуре.
Что происходит с паром в закрытом сосуде после установления равновесия?
Пар продолжает конденсироваться, а жидкость — испаряться. В динамическом равновесии скорости этих процессов равны, поэтому количество жидкости и пара в среднем не меняется.
2. Парообразование и конденсация
