"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Насыщенный пар — газообразное вещество, находящееся в динамическом равновесии со своей жидкостью. За одинаковое время из жидкости испаряется столько же молекул, сколько возвращается в неё при конденсации. Главное свойство такого пара — давление при данной температуре определяется температурой и не зависит от объёма сосуда, пока жидкость ещё присутствует. Понятие нужно для объяснения кипения, влажности воздуха и фазовых переходов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пар — газообразное состояние вещества, образовавшееся при испарении жидкости. Молекулы покидают поверхность жидкости и перемещаются между её частицами. Это понятие нужно, чтобы отличать газ над жидкостью от самой жидкости.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Он содержит предельно возможное при данной температуре количество молекул в газовой фазе. Такое определение позволяет связать состояние пара с наличием жидкости и его давлением.
Динамическое равновесие — состояние, при котором за одинаковое время испаряется и конденсируется одинаковое число молекул. Процессы не прекращаются, но взаимно компенсируют друг друга. Благодаря этому количество пара остаётся постоянным.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Его обозначают, например, pнас. Эта величина показывает максимальное давление пара, которое возможно при такой температуре, если жидкость ещё есть.
В закрытом сосуде молекулы жидкости постоянно движутся, и некоторые из них получают достаточно энергии, чтобы покинуть поверхность. Так происходит испарение. Одновременно молекулы пара сталкиваются с поверхностью жидкости и часть из них возвращается внутрь, то есть конденсируется.
Сначала в сосуде пара мало, поэтому молекулы редко встречаются с жидкостью и конденсация идёт медленно. По мере накопления пара число его молекул увеличивается, а вместе с ним растёт число столкновений с поверхностью. В результате скорость конденсации повышается, пока не сравняется со скоростью испарения.
При динамическом равновесии количество пара остаётся постоянным, хотя оба процесса продолжаются. Это не означает, что молекулы перестали переходить из одной фазы в другую. Просто за один и тот же промежуток времени число молекул, покинувших жидкость, равно числу вернувшихся в неё.
При данной температуре равновесное давление определяется средней энергией движения молекул и свойствами вещества. Если объём увеличить, часть молекул испарится дополнительно, а если уменьшить — часть пара сконденсируется. Поэтому при одновременном присутствии жидкости и пара давление остаётся прежним; при нагревании же молекулы движутся быстрее, и давление насыщенного пара быстро возрастает.
При сжатии насыщенного пара без изменения температуры свободного объёма становится меньше. Избыток молекул возвращается в жидкость, пока снова не установится равновесие. Поэтому давление не растёт как у ненасыщенного газа, а остаётся равным прежнему давлению насыщенного пара.
| Свойство | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Наличие динамического равновесия с жидкостью | Есть; скорости испарения и конденсации равны | Равновесия нет; испарение преобладает над конденсацией |
| Давление при данной температуре | Максимально возможное; равно давлению насыщенного пара | Меньше давления насыщенного пара |
| Изменение при сжатии | Избыток пара конденсируется, давление почти не меняется | Давление увеличивается как у газа |
| Зависимость от температуры | Сильно возрастает с повышением температуры | Зависит от температуры и количества пара |
| Условие существования | Жидкость и пар присутствуют одновременно либо установилось равновесие с жидкостью | Жидкость может отсутствовать |
Сначала определите, есть ли в сосуде жидкость и может ли установиться равновесие. Затем сравните фактическое давление с давлением насыщенного пара при той же температуре. Особенно полезна строка о сжатии: она показывает, нужно ли учитывать конденсацию.
При 20 °C давление насыщенного водяного пара равно 2,34 кПа. Фактическое давление водяного пара в сосуде составляет 1,17 кПа. Нужно определить состояние пара.
Ответ: пар ненасыщенный. Его давление в два раза меньше давления насыщенного пара при 20 °C. Если в сосуде есть вода, она будет испаряться, пока не установится равновесие или пока вода не закончится.
При 100 °C насыщенный водяной пар имеет давление 101 кПа и занимает объём 10 л. Молярная масса воды равна 18 г/моль. Требуется найти массу пара, считая его идеальным газом.
Ответ: масса насыщенного пара примерно 5,9 г. Насыщенность здесь задаёт давление, а уравнение идеального газа позволяет по этому давлению определить число молекул. Температуру в формуле обязательно выражают в кельвинах.
В сосуде объёмом 10 л при 20 °C находятся вода и насыщенный водяной пар с давлением 2,34 кПа. Сосуд изотермически сжимают до 5 л. Нужно определить новое давление и изменение массы пара.
Ответ: давление пара равно 2,34 кПа, а масса газообразного пара становится в два раза меньше, то есть уменьшается на 50%. Сконденсировавшаяся часть переходит в жидкость. Наличие воды в сосуде не даёт пару сохранить прежнее количество молекул при новом объёме.
Считать насыщенный пар просто паром с большой плотностью. Так думают, потому что слово «насыщенный» связывают с количеством вещества, но решающим признаком является равенство скоростей испарения и конденсации. Проверьте, указана ли жидкость и установлено ли равновесие.
Утверждать, что при сжатии насыщенного пара его давление обязательно увеличивается. Ошибка возникает при механическом применении закона Бойля — Мариотта без учёта конденсации. Проверьте, есть ли рядом жидкость: если есть, часть пара перейдёт в неё, а давление при постоянной температуре не изменится.
Путать давление насыщенного пара с атмосферным давлением. Эти величины описывают разные состояния: первое относится к равновесию пара с жидкостью, второе — к давлению окружающего воздуха. Они совпадают, например, в момент кипения, но не вообще.
Считать, что давление насыщенного пара зависит от объёма сосуда. Такое заключение верно для ненасыщенного газа, но не для равновесного пара с жидкостью. Для проверки спросите себя, остаётся ли жидкость после изменения объёма.
До изучения насыщенного пара нужны представления об испарении, конденсации, строении вещества и уравнении идеального газа. Эти знания объясняют движение молекул и позволяют рассчитывать массу пара.
Понятие насыщенного пара помогает понять кипение: жидкость кипит, когда давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Поэтому температура кипения зависит от атмосферного давления.
Дальше тема используется при изучении влажности воздуха, точки росы, образования облаков и фазовых переходов. Во всех этих явлениях важно, сколько пара может существовать при определённой температуре.
Почему насыщенный пар называют насыщенным, если испарение всё ещё продолжается?
Слово «насыщенный» означает, что пар достиг предельного состояния при данной температуре. Испарение продолжается, но ему одновременно противодействует конденсация с такой же скоростью. Поэтому количество пара остаётся постоянным.
Чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного?
Насыщенный пар находится в равновесии с жидкостью и имеет максимально возможное давление при данной температуре. У ненасыщенного пара давление меньше, а испарение преобладает над конденсацией. Жидкость при этом может отсутствовать.
Почему при сжатии насыщенного пара его давление не всегда увеличивается?
Если при сжатии рядом остаётся жидкость, часть молекул пара конденсируется. Число молекул в газовой фазе уменьшается, поэтому давление сохраняется равным давлению насыщенного пара при этой температуре.
От чего зависит давление насыщенного пара?
Главным образом оно зависит от температуры и от рода жидкости. При повышении температуры давление насыщенного пара быстро возрастает. Пока жидкость и пар существуют одновременно, объём сосуда и масса жидкости на это давление не влияют.
Почему вода закипает при разной температуре на равнине и в горах?
Кипение начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. В горах атмосферное давление ниже, поэтому вода достигает этого равенства при более низкой температуре. На равнине внешнее давление больше, и температура кипения воды близка к 100 °C.
§ 44. Насыщенный пар
