"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Испарение и конденсация — два противоположных перехода между жидкостью и газом. Испарение идёт с поверхности жидкости при любой температуре, а конденсация возвращает молекулы пара в жидкость. Эти процессы помогают понять, почему сохнет бельё, как образуется роса и почему после купания становится прохладно. Главное — связать скорость процессов с движением молекул и передачей энергии: при испарении жидкость может охлаждаться, а при конденсации окружающие тела получают энергию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. Это определение помогает отличить испарение от кипения, которое охватывает весь объём жидкости. Испарение может идти незаметно для глаза и при комнатной температуре.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое; при этом энергия передаётся окружающим телам. Когда пар превращается в капли, его молекулы отдают часть энергии другим телам. Понятие нужно, чтобы объяснять, например, нагрев поверхности при оседании на ней пара.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: в среднем столько же молекул покидает жидкость, сколько возвращается. Такое состояние возможно, если пар и жидкость находятся рядом в ограниченном объёме. Понятие показывает, что количество пара может перестать заметно меняться, хотя молекулы продолжают двигаться.
Динамическое равновесие — состояние, при котором испарение и конденсация продолжаются, но количества жидкости и пара в среднем не изменяются. Равновесие называют динамическим именно потому, что встречные процессы не прекращаются. Это определение помогает не путать постоянство общего количества вещества с неподвижностью молекул.
Молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся, но их скорости неодинаковы. У поверхности отдельная молекула может случайно получить достаточно большую кинетическую энергию — энергию движения — и преодолеть притяжение соседних молекул. Тогда она покидает жидкость и становится молекулой пара. Поэтому для испарения не требуется, чтобы вся жидкость нагрелась до одной особой температуры.
С поверхности чаще уходят быстрые молекулы, потому что именно им легче преодолеть притяжение остальных частиц. После их ухода средняя кинетическая энергия молекул, оставшихся в жидкости, может стать меньше. Температура связана со средней энергией теплового движения частиц, поэтому жидкость способна охлаждаться. Если же тепло поступает извне, оно восполняет потерю энергии, и охлаждение может быть слабее.
При нагревании доля молекул, способных покинуть жидкость, становится больше, поэтому испарение ускоряется. Увеличение свободной поверхности тоже повышает скорость: одновременно границу жидкости с воздухом пересекает больше молекул. Движение воздуха уносит уже образовавшийся пар от поверхности. Из-за этого возле жидкости накапливается меньше молекул пара, которые могли бы вернуться обратно.
В закрытом сосуде молекулы, покинувшие жидкость, не исчезают: они остаются над ней и движутся в разных направлениях. Некоторые сталкиваются с поверхностью и снова входят в жидкость, то есть конденсируются. Чем больше пара скопилось в сосуде, тем чаще его молекулы возвращаются за одно и то же время. В конце концов число возвращающихся молекул в среднем сравнивается с числом покидающих жидкость.
При конденсации молекулы пара сближаются и переходят в жидкость, передавая энергию окружающим телам. Поэтому пар, оседающий на более холодной поверхности, может её нагревать. Передача энергии происходит не потому, что капли сами по себе «создают» тепло, а потому, что энергия молекул пара переходит к поверхности и другим частицам. Так объясняется нагрев предметов при конденсации пара.
| Свойство | Испарение | Конденсация |
|---|---|---|
| Направление перехода | Из жидкости в газ | Из газа в жидкость |
| Где происходит | На поверхности жидкости | На поверхности жидкости или капель, где оседает пар |
| Как изменяется энергия вещества | Жидкость может терять энергию и охлаждаться | Энергия передаётся окружающим телам |
| От чего зависит скорость процесса | От температуры, площади поверхности и движения воздуха | От количества пара и условий, влияющих на возвращение молекул в жидкость |
| Пример | Высыхание мокрой ткани | Появление капель на холодном стекле |
Сравнивайте процессы по направлению перехода: это самый быстрый способ не перепутать их. Затем смотрите, где проходит граница между состояниями и куда передаётся энергия. В последней строке приведены примеры, которые помогают связать таблицу с повседневными наблюдениями.
Условие. Почему мокрая одежда быстрее высыхает в тёплый ветреный день, чем в прохладный безветренный? Нужно сравнить условия, от которых зависит испарение воды с ткани. Скорость высыхания определяется тем, насколько быстро вода покидает волокна и уносится в воздух.
Условие. Для испарения 0,20 кг воды требуется удельная теплота парообразования 2,3 МДж/кг. Какое количество энергии получает вода? Удельная теплота показывает, сколько энергии нужно для превращения единицы массы жидкости в пар. Используем формулу Q = Lm.
Условие. В закрытом сосуде над водой установилось динамическое равновесие. Что произойдёт с равновесием, если температуру сосуда повысить? В равновесии скорости испарения и конденсации одинаковы в среднем, но повышение температуры изменяет движение молекул. Поэтому прежнее равновесное количество пара не обязательно сохранится.
Ошибка: считать, что испарение возможно только при кипении. Так думают, потому что кипение хорошо заметно, а испарение часто идёт незаметно; проверьте себя, вспомнив, что мокрая ткань высыхает и без нагревания до кипения. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
Ошибка: полагать, что при испарении жидкость обязательно нагревается. Это представление возникает из-за смешения испарения с подводом тепла; мысленно проследите, какие молекулы уходят: чаще всего самые быстрые. Их уход может уменьшить среднюю энергию оставшихся молекул и охладить жидкость.
Ошибка: путать испарение с кипением. Оба процесса приводят к образованию газа, поэтому их легко объединить в один; проверьте место процесса: испарение идёт только с поверхности, а кипение — во всём объёме жидкости. Если пузырьки возникают внутри жидкости, речь идёт о кипении.
Ошибка: считать, что в динамическом равновесии испарение и конденсация прекращаются. Слово «равновесие» может создать впечатление полной неподвижности; проверьте себя вопросом, продолжают ли молекулы переходить между жидкостью и паром. Процессы идут, но их средние интенсивности одинаковы, поэтому количества вещества не меняются.
Для объяснения испарения нужны знания о тепловом движении молекул, температуре и внутренней энергии: они помогают понять, почему быстрые молекулы покидают жидкость. Парообразование понадобится при изучении кипения и удельной теплоты парообразования, когда требуется рассчитывать энергию перехода жидкости в газ. Испарение объясняет охлаждение кожи или воды, а конденсация — появление росы. Вместе эти процессы участвуют в круговороте воды в природе.
Почему вода испаряется, даже если она не кипит?
Молекулы воды движутся с разными скоростями, и некоторые из них у поверхности имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Поэтому испарение идёт при любой температуре, а не только при кипении.
Почему после купания становится холодно?
Вода с кожи испаряется, причём быстрее уходят наиболее энергичные молекулы. Для этого процесса нужна энергия, которая отбирается у кожи и оставшейся воды, поэтому ощущается холод.
Почему бельё быстрее высыхает на ветру?
Движущийся воздух уносит водяной пар от поверхности ткани. Из-за этого рядом с бельём не успевает накопиться много пара, и испарение продолжается быстрее.
Выделяется ли энергия при конденсации пара?
Да. Когда молекулы пара переходят в жидкость, они передают энергию окружающим телам, поэтому конденсирующийся пар может их нагревать.
Что происходит с испарением и конденсацией в закрытом сосуде?
Сначала испарение может преобладать, а часть молекул пара уже возвращается в жидкость. По мере накопления пара конденсация усиливается, пока её средняя интенсивность не сравняется с интенсивностью испарения.
1. Испарение и конденсация
