"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Испарение и конденсация — два противоположных процесса, в которых вещество переходит между жидким и газообразным состояниями. При испарении с поверхности жидкости улетают наиболее быстрые молекулы, а при конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. В закрытом сосуде эти процессы могут уравновеситься: пар становится насыщенным. Понимание этого равновесия помогает объяснить охлаждение жидкости при испарении и зависимость давления пара от температуры.
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 с поверхности жидкости. Вылететь могут молекулы, которым хватает скорости преодолеть притяжение соседей; чаще это наиболее быстрые молекулы. Понятие помогает отличать испарение от образования пара внутри жидкости при кипении.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Молекулы пара, попадая в жидкость, присоединяются к ней и перестают быть частью газа. Этот процесс объясняет, например, появление капель на холодной поверхности.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. За одинаковые промежутки времени из жидкости улетает столько же молекул, сколько молекул пара в неё возвращается. Это понятие нужно, чтобы описывать пар в закрытом сосуде после установления равновесия.
Динамическое равновесие — состояние, в котором испарение и конденсация продолжаются, но их скорости равны. Поэтому общее количество жидкости и пара в системе не меняется. Равновесие называют динамическим именно потому, что на уровне отдельных молекул оба процесса не прекращаются.
Молекулы жидкости находятся в непрерывном тепловом движении, но движутся с разными скоростями. У поверхности некоторые из них направлены наружу и имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул. Такие молекулы покидают жидкость, а более медленные остаются в ней. Поэтому испарение возможно даже тогда, когда жидкость не кипит.
При испарении из жидкости уходят преимущественно быстрые молекулы. После их вылета средняя энергия движения оставшихся молекул становится меньше, а вместе с ней снижается температура жидкости. Чтобы температура сохранялась, жидкость должна получать энергию от окружающих тел или от нагревателя. Именно так объясняется охлаждение мокрой кожи или поверхности жидкости на ветру.
Скорость испарения зависит от свойств жидкости, её температуры и площади открытой поверхности. При нагревании доля молекул, способных вылететь, возрастает; большая поверхность даёт больше возможностей для их выхода. Важны и условия над жидкостью: если пар у поверхности уносится, обратный процесс ослабевает. Поэтому испарение продолжается быстрее, чем в неподвижном воздухе, уже насыщенном паром.
Молекулы пара движутся над жидкостью и сталкиваются с её поверхностью. Часть молекул проникает обратно в жидкость — происходит конденсация. В закрытом сосуде пар постепенно накапливается, поэтому за то же время к поверхности возвращается всё больше молекул. Скорость конденсации растёт, пока не сравняется со скоростью испарения.
Когда скорости испарения и конденсации сравнялись, в сосуде установилось динамическое равновесие, а пар стал насыщенным. Число молекул в жидкой и газообразной частях системы в среднем перестаёт меняться, хотя отдельные молекулы продолжают переходить между фазами. При данной температуре давление такого пара определённо и не зависит от объёма сосуда, если в нём сохраняется жидкость. При изменении температуры равновесное давление меняется.
| Явление или состояние | Что происходит с молекулами | Когда или при каких условиях наблюдается | Энергетическое проявление |
|---|---|---|---|
| Испарение | Наиболее быстрые молекулы покидают жидкость с поверхности. | При любой температуре; скорость зависит от жидкости, температуры, площади поверхности и условий над ней. | Жидкость охлаждается, если не получает энергию извне. |
| Конденсация | Молекулы пара возвращаются в жидкость. | Когда молекулы пара попадают на поверхность жидкости. | При переходе в жидкость внутренняя энергия вещества уменьшается. |
| Ненасыщенный пар | Молекул пара пока недостаточно для равновесия с жидкостью. | Например, в начале испарения в закрытом сосуде или при удалении части пара. | Испарение в среднем преобладает над конденсацией. |
| Насыщенный пар | Молекулы непрерывно переходят из жидкости в пар и обратно с одинаковой скоростью. | В динамическом равновесии пара с жидкостью при данной температуре. | Количество жидкости и пара в среднем не меняется. |
Сначала найдите, идёт ли речь о переходе молекул или о состоянии пара. Затем сверьте условия: открытый воздух, закрытый сосуд или равновесие с жидкостью. Последний столбец помогает связать наблюдаемое изменение с энергией вещества.
Открытая лужа испаряется быстрее в тёплую ветреную погоду, чем в прохладную безветренную. Нужно отдельно учесть действие температуры и ветра. Скорость процесса определяется тем, как часто молекулы уходят с поверхности и сколько пара остаётся рядом с ней.
Ответ: в тёплую погоду молекулы быстрее покидают воду, а ветер удаляет пар от поверхности. Поэтому лужа испаряется быстрее.
В закрытом сосуде над водой уже установилось динамическое равновесие. Температуру повысили, и требуется определить, как изменится число молекул пара, конденсирующихся в воду за единицу времени. Важно проследить не только мгновенное изменение, но и новое равновесное состояние.
Ответ: в новом равновесии число молекул, конденсирующихся за единицу времени, будет больше, чем до нагревания. Оно сравняется с увеличившимся числом испаряющихся молекул.
В герметичном сосуде при постоянной температуре находятся вода и её насыщенный пар. Часть пара удалили, не меняя температуру. Нужно выяснить, как изменятся испарение и конденсация и при каком условии вернётся равновесие.
Ответ: испарение временно преобладает над ослабевшей конденсацией. Равновесие восстановится, когда пар достигнет прежнего давления насыщения при этой температуре.
Считать, что испарение идёт во всём объёме жидкости, — значит путать его с кипением. Ошибка возникает потому, что оба процесса дают пар, но при испарении молекулы вылетают только с поверхности. Проверьте себя вопросом: появляются ли пузырьки пара внутри жидкости? Если нет, это не признак испарения во всём объёме.
Полагать, что насыщенный пар не испаряется, — значит забывать, что равновесие динамическое. Так думают, когда воспринимают неизменное количество пара как остановку процесса. Проверьте себя: равны ли скорости испарения и конденсации? При равенстве оба процесса продолжаются.
Считать, что при данной температуре насыщенный пар всегда имеет одинаковую массу, неверно: постоянным является его равновесное давление, а масса зависит от объёма. Путаница появляется, когда давление и количество вещества принимают за одно и то же. Проверьте условие задачи: объём сосуда может изменяться, и тогда масса пара при том же давлении тоже может измениться, если жидкость остаётся в системе.
Объяснять охлаждение тем, что испарение «отнимает тепло», недостаточно. Причина в том, что жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, а энергия для поддержания температуры должна поступать извне. Проверьте себя: указали ли вы, какие молекулы уходят и откуда берётся энергия? Если нет, объяснение неполное.
Чтобы понять испарение, нужно знать о тепловом движении молекул, распределении молекул по скоростям и притяжении между ними. Охлаждение при испарении связывает тему с внутренней энергией и теплообменом; количество энергии при парообразовании изучают через удельную теплоту парообразования. Давление насыщенного пара понадобится при объяснении влажности воздуха и кипения. Эти знания помогают разбирать и атмосферные явления, связанные с водяным паром и конденсацией.
Почему испарение происходит и при комнатной температуре?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями даже при комнатной температуре. Некоторые молекулы у поверхности достаточно быстры, чтобы преодолеть притяжение соседних и покинуть жидкость.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
Жидкость покидают преимущественно наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя энергия оставшихся молекул уменьшается. Чтобы температура не падала, жидкость должна получать энергию от окружающей среды.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при разных температурах. При кипении пар образуется также внутри жидкости, где возникают и растут пузырьки.
Может ли насыщенный пар одновременно испаряться и конденсироваться?
Да. При насыщенном паре оба процесса продолжаются, но за одинаковое время в пар переходит столько же молекул, сколько возвращается в жидкость.
От чего зависит давление насыщенного пара?
Давление насыщенного пара зависит от температуры и рода жидкости. При постоянной температуре оно не зависит от объёма сосуда, если в сосуде остаётся жидкость.
§ 53. Испарение и конденсация. Насыщенный пар
