"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)
Пар над жидкостью может находиться в двух состояниях: ненасыщенном и насыщенном. Различие между ними определяется не тем, насколько много пара кажется в сосуде, а его давлением и равновесием испарения с конденсацией. Понимание этих процессов помогает объяснить, почему при охлаждении появляется жидкость, как возникает кипение и от чего зависит влажность воздуха. Главное условие насыщения — равенство средних скоростей испарения и конденсации.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью: число испаряющихся молекул в среднем равно числу конденсирующихся. Это не означает, что испарение прекратилось: молекулы продолжают переходить в обе стороны. Понятие нужно, чтобы определить состояние пара, при котором его количество в среднем не меняется.
Ненасыщенный пар — пар, давление которого при данной температуре меньше давления насыщенного пара; равновесие с жидкостью ещё не установилось. В такой системе испарение может преобладать над конденсацией. Определение помогает понять, может ли жидкость продолжать переходить в пар при неизменной температуре.
Динамическое равновесие — состояние, при котором испарение и конденсация идут одновременно, но их средние скорости равны. Отдельные молекулы всё время переходят между жидкостью и паром, однако в среднем состав системы не меняется. Этим понятием описывают равновесие, которое сохраняется благодаря встречным процессам.
Давление насыщенного пара — максимальное давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Его обозначают pнас(T), где T — температура. По нему проверяют состояние пара: при насыщении p = pнас(T), а у ненасыщенного пара p меньше.
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Те, у которых достаточно энергии, могут преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть поверхность: это испарение. Молекулы пара тоже движутся хаотически, сталкиваются с поверхностью и при попадании в жидкость могут остаться в ней — происходит конденсация. Поэтому оба процесса возможны одновременно.
В закрытом сосуде молекулы пара не могут улететь далеко, и после испарения остаются над жидкостью. Чем больше их становится, тем чаще они сталкиваются с поверхностью, а значит, чаще конденсируются. Число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, при постоянной температуре в среднем сохраняется. Поэтому со временем скорости испарения и конденсации сравниваются.
Когда эти скорости равны, система достигает динамического равновесия. За одинаковые промежутки времени из жидкости уходит примерно столько же молекул, сколько возвращается обратно. Поэтому количество пара и его давление в среднем остаются постоянными, хотя движение молекул и переходы между состояниями не прекращаются.
Если температура постоянна и жидкость ещё есть, равновесное давление пара определяется тем, насколько легко молекулы данной жидкости покидают её поверхность. Для этого достаточно установить соответствующую температуру и дождаться равновесия. Если добавить немного пара или изменить объём сосуда, часть вещества может перейти между паром и жидкостью, пока не восстановится равновесие. Поэтому давление насыщенного пара не определяется количеством жидкости или объёмом сосуда, пока обе фазы присутствуют.
При нагревании молекулы движутся быстрее, а доля молекул, способных покинуть жидкость, увеличивается. Чтобы конденсация снова сравнялась с испарением, в равновесии требуется больше молекул пара, поэтому давление насыщенного пара возрастает. Ненасыщенный пар может стать насыщенным, если испаряется жидкость или если пар охлаждают: в последнем случае давление насыщения уменьшается, пока не сравняется с давлением пара.
| Свойство | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Состояние равновесия с жидкостью | Есть динамическое равновесие между испарением и конденсацией | Равновесие не установилось |
| Сравнение давления с давлением насыщенного пара | p = pнас(T) | p < pнас(T) |
| Возможность дальнейшего испарения жидкости | Испарение и конденсация происходят с равными средними скоростями | Жидкость может испаряться преимущественно |
| Зависимость давления от количества пара при постоянной температуре | При наличии жидкости давление не увеличивается при добавлении небольшого количества пара | Давление увеличивается при добавлении пара или испарении жидкости |
| Изменение при охлаждении | Часть пара конденсируется, сохраняя состояние насыщения | Может перейти в насыщенное состояние |
Пользуйся таблицей, чтобы сначала выяснить, есть ли равновесие, а затем сравнить давление пара с pнас(T). Сравнивать давления нужно при одной и той же температуре. Если требуется определить состояние по числам, сначала найди фактическое давление, а потом сопоставь его с давлением насыщения.
Задача 1. При температуре 20 °C давление пара в сосуде равно 1,5 кПа, а давление насыщенного пара воды при этой температуре — 2,3 кПа. Определите, является ли пар насыщенным. Здесь фактическое давление уже дано, поэтому достаточно проверить условие насыщения и убедиться, что оба значения относятся к одной температуре.
Ответ: пар ненасыщенный.
Задача 2. В закрытом сосуде при постоянной температуре находятся вода и её насыщенный пар. Из сосуда удалили часть пара, не изменяя температуру. Нужно выяснить, что произойдёт дальше. Сосуд закрыт, поэтому оставшийся пар не уходит, а жидкость может продолжить испаряться.
Ответ: часть воды испарится, и пар снова станет насыщенным; при той же температуре его давление вернётся к pнас.
Задача 3. В сосуде объёмом 0,50 м³ при температуре 27 °C находится водяной пар массой 4,0 г. Давление насыщенного пара равно 3,6 кПа. Найдите фактическое давление и определите состояние пара. Поскольку известны масса, объём и температура, сначала применим уравнение идеального газа, а затем сравним результат с давлением насыщения.
Ответ: фактическое давление около 1,1 кПа, пар ненасыщенный.
Ошибочно считать насыщенный пар полностью испарившимся или просто «самым плотным». Такое представление возникает из-за слова «насыщенный», но оно описывает равновесие процессов, а не то, что жидкости больше нет. Проверь себя: при насыщении испарение и конденсация идут с равными средними скоростями.
Неверно утверждать, что давление насыщенного пара меняется вслед за объёмом сосуда. Обычно связывают давление газа с объёмом, но здесь при постоянной температуре жидкость и пар могут обмениваться молекулами, пока не установится равновесие. Для проверки спроси, осталась ли в системе жидкость: если да, давление насыщенного пара задаётся температурой и свойствами жидкости.
Высокую влажность иногда принимают за насыщение. Однако насыщенный пар — это не просто большое количество пара, а состояние равновесия с жидкостью; ненасыщенный пар тоже может присутствовать во влажном воздухе. Самопроверка: сравни фактическое давление с pнас(T), а не оценивай влажность на глаз.
Ещё одна ошибка — сравнивать давление пара с давлением насыщения при разных температурах. Поскольку pнас зависит от температуры, такое сравнение не показывает, насыщен ли пар. Всегда бери оба значения для одной и той же температуры, особенно если решаешь задачу с нагреванием или охлаждением.
Для изучения пара нужны представления молекулярно-кинетической теории, а также знания об испарении и конденсации. Уравнение идеального газа позволяет найти фактическое давление ненасыщенного пара, если известны его масса, объём и температура. Понятие насыщения помогает понять кипение и зависимость температуры кипения от давления: оно также важно при изучении холодильных установок. Давление насыщенного пара и равновесие фаз используют при объяснении влажности воздуха и других фазовых переходов.
Почему насыщенный пар продолжает испаряться, если он уже насыщен?
Молекулы жидкости всё время покидают её поверхность, а молекулы пара одновременно возвращаются в жидкость. При насыщении эти процессы не прекращаются, но идут с равными средними скоростями.
Зависит ли давление насыщенного пара от объёма сосуда?
Если в сосуде одновременно есть жидкость и её насыщенный пар, а температура постоянна, давление насыщенного пара не определяется объёмом сосуда. Оно зависит от температуры и свойств жидкости.
Можно ли определить, насыщенный ли пар, только по его температуре?
Нет: при одной температуре пар может быть насыщенным или ненасыщенным. Нужно сравнить его давление с давлением насыщенного пара при той же температуре.
Почему при охлаждении насыщенного пара появляется жидкость?
При охлаждении давление насыщенного пара уменьшается. Часть молекул переходит из пара в жидкость, пока оставшийся пар не достигнет равновесия при новой температуре.
Чем насыщенный пар отличается от влажного воздуха?
Насыщенный пар — это пар, находящийся в равновесии с жидкостью. Влажность воздуха показывает, сколько водяного пара содержится в воздухе; влажный воздух не обязательно насыщен.
2. Насыщенный и ненасыщенный пар
