"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Испарение и кипение — два способа перехода жидкости в пар. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение охватывает весь объём жидкости и начинается при определённом условии. В закрытом сосуде пар может достичь динамического равновесия с жидкостью: тогда он называется насыщенным. Разобравшись в движении молекул и давлении пара, можно объяснить охлаждение при испарении, исчезновение луж и зависимость температуры кипения от внешнего давления.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре. Из жидкости уходят не все молекулы, а преимущественно самые быстрые: их энергии хватает, чтобы преодолеть притяжение соседей. Это определение помогает отличить испарение от кипения и объяснить, почему жидкость может исчезать, не нагреваясь до температуры кипения.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие означает, что процессы не прекращаются, но за одинаковое время испаряется и конденсируется одно и то же число молекул. Понятие нужно, чтобы описывать пар в закрытом сосуде, где количество молекул в газовой части больше не меняется.
Ненасыщенный пар — пар, плотность которого меньше плотности насыщенного пара при той же температуре. В нём ещё может увеличиваться число молекул, например, за счёт дальнейшего испарения жидкости. Это различие позволяет понять, достигнуто ли равновесие между жидкостью и паром.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости при температуре кипения. В отличие от испарения, оно сопровождается образованием пузырьков пара внутри жидкости. Понятие кипения связывает температуру перехода в пар с давлением вокруг жидкости.
Молекулы жидкости движутся хаотически и имеют разные скорости: одни движутся медленно, другие — быстрее. Притяжение соседних молекул удерживает их в жидкости, но наиболее быстрые молекулы могут обладать достаточной энергией, чтобы вырваться через поверхность. Поэтому испарение идёт даже тогда, когда жидкость далека от кипения. Чем больше таких молекул за выбранное время, тем быстрее испаряется жидкость.
Покинувшие поверхность молекулы уносят часть энергии жидкости, причём чаще всего это наиболее энергичные молекулы. Средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, а вместе с ней снижается температура жидкости. Так объясняется охлаждение при испарении, например, мокрой кожи или воды в открытой ёмкости. Если из воздуха или от нагревателя постоянно поступает тепло, оно восполняет потерю энергии и может поддерживать температуру.
В закрытом сосуде молекулы, покинувшие жидкость, не могут удалиться далеко: они образуют пар над её поверхностью. Часть молекул пара сталкивается с поверхностью и возвращается в жидкость — это конденсация. Сначала испарение идёт быстрее конденсации, поэтому количество пара растёт. По мере накопления пара возвращается всё больше молекул, пока скорости испарения и конденсации не сравняются.
Когда равновесие установилось, пар называют насыщенным. Если при той же температуре в паре меньше молекул, чем соответствует этому равновесию, он ненасыщенный и может накапливаться. Равновесная концентрация молекул, а значит и плотность насыщенного пара, зависит от температуры. При нагревании молекулы движутся энергичнее, и в равновесии над жидкостью может находиться больше молекул пара; поэтому плотность насыщенного пара возрастает.
При нагревании жидкости растёт давление её насыщенного пара. Сначала образующиеся в жидкости пузырьки могут сжиматься внешним давлением или схлопываться, поэтому устойчивое кипение не начинается. Когда давление насыщенного пара достигает внешнего давления, пузырьки становятся устойчивыми и растут, а парообразование происходит по всему объёму. Если внешнее давление больше, для равенства давлений требуется более высокая температура, поэтому температура кипения обычно повышается.
| Явление или состояние | Где происходит | Условия и особенности | Что происходит при изменении температуры |
|---|---|---|---|
| Испарение | На поверхности жидкости | Возможно при любой температуре; преимущественно уходят быстрые молекулы. | Обычно при повышении температуры испарение ускоряется. |
| Кипение | По всему объёму жидкости | Начинается, когда давление насыщенного пара достигает внешнего давления. | При заданном внешнем давлении повышение температуры до условия кипения запускает его. |
| Насыщенный пар | Над жидкостью, с которой он в равновесии | Скорости испарения и конденсации равны. | При нагревании равновесная плотность насыщенного пара возрастает. |
| Ненасыщенный пар | Над жидкостью или отдельно от неё | Плотность меньше плотности насыщенного пара при той же температуре; пар может накапливаться. | Изменение температуры меняет плотность насыщенного пара, с которой сравнивают состояние. |
Сначала определите, идёт ли речь о поверхности или обо всём объёме: так проще отличить испарение от кипения. Для пара сравните его плотность с плотностью насыщенного пара при той же температуре. Последний столбец показывает, почему важно указывать, меняется ли температура.
Условие. Вода стоит в открытом сосуде и постепенно исчезает, хотя её температура ниже температуры кипения. Нужно объяснить это явление, не связывая его с кипением. Решение. Рассуждаем о движении молекул на поверхности.
Молекулы воды движутся с разными скоростями даже при невысокой температуре. Значит, среди них есть быстрые молекулы, способные преодолеть притяжение соседей. Они покидают жидкость с её поверхности.
Такой переход называется испарением и возможен при любой температуре. В открытом сосуде ушедший пар рассеивается в окружающем воздухе, поэтому часть молекул не возвращается в воду. Ответ: вода постепенно испаряется с поверхности, и для этого ей не нужно кипеть.
Условие. В закрытом сосуде с жидкостью установилось равновесие, затем сосуд нагрели. Требуется определить изменение плотности насыщенного пара. Решение. Здесь нужно учитывать, что состояние пара при равновесии зависит от температуры, а не только от исходного количества молекул.
При нагревании молекулы движутся энергичнее. В равновесии с жидкостью при более высокой температуре может находиться больше молекул пара, поэтому плотность насыщенного пара возрастает.
Не следует считать, что речь идёт о неизменном количестве газа в неизменном объёме: жидкость продолжает испаряться, пока не установится новое равновесие. Ответ: плотность насыщенного пара увеличится.
Условие. Жидкость кипит при внешнем давлении 80 кПа. Нужно качественно определить, что произойдёт с температурой кипения, если внешнее давление повысить. Решение. Численные данные о свойствах жидкости не нужны: достаточно условия начала кипения.
Кипение начинается, когда давление насыщенного пара достигает внешнего давления. После его повышения пар должен создать большее давление, чтобы пузырьки внутри жидкости оставались устойчивыми.
Давление насыщенного пара растёт при нагревании, поэтому нового равенства давлений можно достичь при более высокой температуре. Ответ: температура кипения повысится.
Ошибка — считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Так думают, потому что связывают любой переход жидкости в пар с кипящей кастрюлей. Проверьте себя: если пар уходит с поверхности, а температура ниже точки кипения, это испарение.
Ошибка — смешивать испарение и кипение. Оба явления дают пар, поэтому кажется, что они отличаются только скоростью. Проверка проста: испарение происходит на поверхности, а кипение — по всему объёму с образованием пузырьков.
Ошибка — считать, что насыщенный пар перестал образовываться. Равновесие может выглядеть как прекращение изменений, но испарение и конденсация продолжаются с равными скоростями. Чтобы проверить себя, спросите, продолжают ли молекулы переходить между жидкостью и паром: да, продолжают.
Ошибка — полагать, что температура кипения не зависит от внешнего давления. Обычно вспоминают привычную температуру кипения воды, забывая, что она относится к определённому давлению. Проверьте условие: при большем внешнем давлении насыщенный пар должен достичь большего давления, поэтому кипение обычно начинается при более высокой температуре.
Для понимания темы нужны знания о хаотическом тепловом движении молекул: оно объясняет различие их скоростей и вылет быстрых частиц с поверхности. Температура связана со средней энергией движения молекул, а давление газа возникает из-за их ударов о стенки и другие поверхности. Эти идеи помогают понять и равновесие пара, и условие кипения.
Тема пригодится при изучении влажности воздуха и конденсации: водяной пар может переходить в жидкие капли. Представление о переходах между жидкостью и паром важно для анализа тепловых двигателей и процессов теплообмена. Например, испаряющаяся жидкость поглощает энергию, а при конденсации пар передаёт её окружающим телам.
Почему лужа испаряется в прохладную погоду?
Даже в прохладной воде есть молекулы с разными скоростями. Некоторые из наиболее быстрых молекул получают возможность преодолеть притяжение соседей и покинуть поверхность. Поэтому испарение идёт при любой температуре, хотя в холодную погоду обычно медленнее.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
С поверхности преимущественно вылетают наиболее быстрые, а значит, более энергичные молекулы. Средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, поэтому температура жидкости падает. Если жидкость получает тепло от окружающей среды, охлаждение может замедлиться или прекратиться.
Чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного?
Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью: молекулы испаряются и конденсируются с одинаковой скоростью. Плотность ненасыщенного пара при той же температуре меньше, и он может накапливаться, пока равновесие не установится.
Почему при кипении пузырьки появляются во всём объёме жидкости?
При нагревании давление насыщенного пара растёт. Когда оно достигает внешнего давления, пузырьки пара могут сохраняться и увеличиваться внутри жидкости, а не только у поверхности. Так парообразование охватывает весь объём.
Как изменение внешнего давления влияет на температуру кипения?
Кипение начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. При повышении внешнего давления для достижения этого условия жидкость нужно нагреть сильнее, поэтому температура кипения обычно повышается. При снижении давления она, как правило, уменьшается.
43. Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар. Кипение
