1. Испарение и конденсация

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. Оно объясняет высыхание лужи, одежды и капель воды. Скорость испарения обозначают не отдельной формулой, а связывают с температурой, площадью поверхности и движением воздуха.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при потере частицами энергии. Так образуются капли на холодном стекле и облака в атмосфере. При конденсации энергия не исчезает, а передаётся окружающим телам.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью при данных температуре и объёме. Динамическое равновесие означает, что испарение и конденсация продолжаются одновременно с одинаковыми средними скоростями. Это понятие нужно, чтобы описывать предельное содержание пара над жидкостью.

Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры. Её обозначают λ и измеряют в Дж/кг. Для массы m теплота парообразования определяется формулой Q = λm.

Как это устроено

Испарение происходит с поверхности, потому что именно у поверхности молекула может покинуть жидкость. Внутри жидкости её со всех сторон окружают соседние частицы, и притяжение удерживает её внутри. Если молекула у поверхности достаточно быстрая, её кинетической энергии хватает для преодоления этого притяжения.

При испарении жидкость охлаждается, поскольку молекулы имеют разные кинетические энергии. Покидают жидкость преимущественно самые быстрые частицы, поэтому средняя энергия оставшихся молекул уменьшается. Температура связана со средней кинетической энергией, значит, жидкость теряет теплоту и охлаждается.

Скорость испарения зависит от температуры, площади поверхности, рода жидкости и движения воздуха. При нагревании больше молекул получают энергию, достаточную для выхода, а большая площадь даёт большему числу частиц возможность покинуть жидкость. Движение воздуха удаляет образовавшийся пар, поэтому возле поверхности становится меньше молекул пара, способных вернуться обратно.

Конденсация начинается, когда молекулы пара сближаются или теряют часть энергии. Более медленные частицы уже не могут удерживаться в газовой фазе и притягиваются к жидкости либо к холодной поверхности. При переходе в жидкость молекулы отдают энергию окружающей среде, поэтому конденсация сопровождается выделением теплоты.

В закрытом сосуде испарившиеся молекулы не уходят навсегда, а сталкиваются со стенками и поверхностью жидкости. Сначала испарение идёт быстрее конденсации, но концентрация пара растёт, и возвращений в жидкость становится больше. При неизменной температуре устанавливается равенство скоростей процессов, а пар становится насыщенным.

Сравнение испарения и конденсации

Таблица помогает быстро определить направление перехода и его энергетический эффект. При решении задачи сначала установите, какой процесс происходит, а затем выберите соответствующую формулу или объяснение.

Разбор задач

Задача 1

Объясните, почему мокрая кожа охлаждается при обдувании воздухом. Нужно связать наблюдаемое охлаждение не просто с движением воздуха, а с изменением скорости испарения. Воздух действует на слой пара непосредственно над кожей.

1. Вода с поверхности кожи испаряется, причём уходят наиболее быстрые молекулы.
2. Обдувание уносит водяной пар и уменьшает его концентрацию возле кожи.
3. Испарение ускоряется, кожа теряет больше энергии и охлаждается.

Ответ: ветер ускоряет испарение воды с кожи, поэтому кожа отдаёт больше энергии и становится холоднее.

Задача 2

Для испарения 0,20 кг воды при постоянной температуре требуется найти количество теплоты. Удельная теплота парообразования воды равна 2,3·10⁶ Дж/кг. Масса уже дана в единицах СИ, поэтому переводить её не нужно.

1. Записываем формулу: Q = λm.
2. Подставляем значения: Q = 2,3·10⁶ Дж/кг · 0,20 кг.
3. Выполняем умножение: Q = 0,46·10⁶ Дж = 4,6·10⁵ Дж.

Ответ: для испарения воды требуется 4,6·10⁵ Дж теплоты. Температура при этом по условию не изменяется.

Задача 3

В сосуде объёмом 10 л при 20 °C находится 1,0 г воды. Плотность насыщенного пара при этой температуре равна 17,3 г/м³. Сначала нужно определить, сколько пара может находиться в сосуде, а затем сравнить это значение с исходной массой воды.

1. Переводим объём: 10 л = 0,010 м³.
2. Находим массу насыщенного пара: mп = ρV = 17,3 г/м³ · 0,010 м³ = 0,173 г.
3. Вычитаем эту массу из исходной: mж = 1,0 г − 0,173 г = 0,827 г.

Ответ: испарится 0,173 г воды, а в виде жидкости останется 0,827 г. Пара достаточно для достижения насыщения, поэтому вся вода не испарится.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Так путают испарение с кипением, потому что оба процесса переводят жидкость в газ. Проверьте себя: если жидкость высыхает при комнатной температуре, значит, испарение идёт и без кипения.

Ошибка: утверждать, что испарение происходит во всём объёме жидкости. Такое описание относится к кипению, при котором паровые пузырьки возникают внутри жидкости. Для проверки спросите себя, где молекулы получают возможность сразу уйти в окружающее пространство: у поверхности.

Ошибка: считать, что при конденсации тело поглощает теплоту. Это происходит из-за смешения конденсации с испарением, которое действительно требует подвода энергии. Запомните направление: при переходе пара в жидкость энергия выделяется.

Ошибка: думать, что насыщенный пар полностью перестаёт испаряться. В насыщенном паре испарение продолжается, но столько же молекул в среднем возвращается в жидкость. Признак равновесия — равенство скоростей двух процессов, а не остановка каждого из них.

Связь с другими темами

Для понимания испарения нужны представления о молекулярном строении вещества, тепловом движении и распределении молекул по энергиям. Эти знания объясняют, почему частицы одной жидкости движутся с разными скоростями.

При расчётах используется понятие количества теплоты и удельной теплоты фазового перехода. Формула Q = λm связывает энергию перехода с массой испаряющейся жидкости.

Тема связана с влажностью воздуха, образованием облаков и осадков, а также с работой холодильных установок и тепловых машин. Везде важны поглощение энергии при испарении и её выделение при конденсации.

Что запомнить

• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
• Чем выше температура, тем быстрее испарение.
• Увеличение площади поверхности и движение воздуха ускоряют испарение.
• При испарении жидкость поглощает энергию и охлаждается.
• Конденсация — обратный испарению переход пара в жидкость.
• При конденсации выделяется энергия.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.