"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.; под ред. Пурышевой Н.С.
Насыщенный пар — пар, который находится в равновесии со своей жидкостью: молекулы непрерывно испаряются и конденсируются, но их количества в среднем равны. Это понятие помогает объяснить, почему испарение в закрытом сосуде не идёт бесконечно и как температура влияет на давление пара. При неизменной температуре давление насыщенного пара не зависит от объёма сосуда, если в нём остаётся жидкость; при нагревании оно возрастает.
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 со своей жидкостью: число молекул, покидающих жидкость, в среднем равно числу возвращающихся. Это определение позволяет понять, почему количество пара над жидкостью перестаёт расти. Речь идёт о среднем результате множества непрерывных движений молекул.
Ненасыщенный пар — пар, давление которого при данной температуре меньше давления насыщенного пара. При наличии жидкости испарение в таких условиях интенсивнее конденсации. Это понятие помогает определить, может ли пар ещё пополняться за счёт испарения.
Динамическое равновесие между жидкостью и паром — состояние, при котором испарение и конденсация продолжаются, но их интенсивности одинаковы. Молекулы не перестают переходить из одного состояния в другое. Термин нужен, чтобы отличать равновесие от полной остановки процессов.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Оно показывает, какого давления достигает пар в таком состоянии. При сравнении с ним можно определить, насыщен ли пар.
При испарении из жидкости чаще вылетают наиболее быстрые молекулы: их энергии достаточно, чтобы преодолеть притяжение соседних частиц и покинуть поверхность. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, но жидкость постоянно получает и теряет энергию при столкновениях. Часть вылетевших молекул возвращается в жидкость, если снова оказывается у её поверхности. Сначала таких молекул мало, поэтому испарение заметно преобладает.
В закрытом сосуде молекулы не могут бесконечно удаляться от жидкости, поэтому число частиц пара постепенно увеличивается. Чем больше молекул находится над жидкостью, тем чаще они сталкиваются с её поверхностью и тем больше из них конденсируется. Скорость испарения при неизменной температуре не уменьшается так же быстро, поскольку свойства жидкости и средняя энергия её молекул остаются прежними. Наконец, число возвращающихся молекул за то же время сравнивается с числом вылетающих, и устанавливается динамическое равновесие.
Если равновесный пар удалить, часть молекул, которые прежде могли вернуться в жидкость, исчезнет из сосуда. Конденсация ослабеет, а испарение некоторое время будет преобладать, поэтому жидкость вновь пополнит пар. При увеличении объёма сосуда пар распределяется по большему пространству, и его давление сначала уменьшается. Затем испарение добавляет молекулы, пока при прежней температуре не восстановится равновесие; это происходит, если жидкость ещё есть.
При постоянной температуре давление насыщенного пара не зависит от объёма сосуда, пока в нём сохраняется жидкость. Уменьшение плотности пара после расширения компенсируется переходом новых молекул из жидкости, а уменьшение объёма вызывает конденсацию излишка. Давление задаётся температурой и свойствами вещества, поскольку именно они определяют, сколько молекул может находиться в равновесии с жидкостью. Если вся жидкость испарилась, это правило уже нельзя применять автоматически: равновесия с жидкостью больше нет.
При повышении температуры молекулы движутся быстрее, и большая их доля получает достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Поэтому испарение сначала идёт интенсивнее, чем конденсация, а количество молекул пара увеличивается. Возросшее число частиц повышает давление, пока не установится новое равновесие. Так объясняется рост давления насыщенного пара с температурой.
| Свойство | Ненасыщенный пар | Насыщенный пар |
|---|---|---|
| Соотношение скоростей испарения и конденсации | Испарение идёт быстрее конденсации. | Скорости испарения и конденсации равны. |
| Изменение количества пара при наличии жидкости | Количество пара увеличивается. | Количество пара в среднем не меняется. |
| Давление при данной температуре | Меньше давления насыщенного пара. | Равно давлению насыщенного пара. |
| Условие перехода в насыщенное состояние | Пар получает новые молекулы при испарении жидкости. | Равновесие уже установлено; изменение условий может его нарушить. |
Чтобы определить состояние пара, сначала сравните его давление с давлением насыщенного пара при той же температуре. Затем проверьте, есть ли в сосуде жидкость: именно она позволяет пару восполниться после изменения объёма. Равенство скоростей переходов означает насыщенное состояние, а не прекращение движения молекул.
Условие. В закрытом сосуде над водой находится пар. Нужно объяснить, как со временем изменяются испарение и конденсация и когда установится равновесие. Температуру считаем постоянной, а вода в сосуде остаётся.
Ответ. Сначала испарение преобладает над конденсацией, затем конденсация усиливается. Равновесие устанавливается при равенстве скоростей этих процессов; ни испарение, ни конденсация при этом не прекращаются.
Условие. В сосуде с водой установилось равновесие между жидкостью и паром. Сосуд нагрели, сохранив в нём жидкость; требуется описать новое состояние пара. Давление насыщенного пара зависит от температуры, поэтому прежнее равновесие после нагревания нарушается.
Ответ. Давление насыщенного пара после нагревания увеличится. Пока в сосуде есть жидкость, часть воды испарится, и установится новое динамическое равновесие при более высокой температуре.
Условие. При температуре 100 °C давление насыщенного водяного пара равно 1,01·10⁵ Па. Найдите массу пара в сосуде объёмом 2,0 л, считая его идеальным газом. Используйте молярную массу воды M = 0,018 кг/моль и универсальную газовую постоянную R = 8,31 Дж/(моль·К).
Ответ. Масса насыщенного водяного пара в сосуде составляет примерно 1,2 г. Полученное значение относится к заданным температуре, давлению и объёму.
Ошибка: считать, что при насыщении испарение прекращается. Такое представление возникает из-за слова «равновесие», которое принимают за неподвижность. На деле молекулы продолжают переходить в обе стороны, но с одинаковой интенсивностью. Проверьте себя: если процессов совсем нет, это не динамическое равновесие.
Ошибка: считать давление насыщенного пара максимально возможным при любых условиях. Его величина зависит от температуры и вещества, поэтому сравнивать давления можно только при одинаковой температуре. Самопроверка проста: при нагревании давление насыщенного пара возрастает, значит, единого значения для всех условий нет.
Ошибка: полагать, что при наличии жидкости давление насыщенного пара растёт вместе с объёмом сосуда. Так путают давление с количеством пара: в большем объёме может испариться больше жидкости, но при прежней температуре давление равновесия остаётся тем же. Проверьте, указано ли, что жидкость ещё есть и температура не изменилась.
Ошибка: утверждать, что давление насыщенного пара не меняется при нагревании. Это происходит из-за смешения условий «при данной температуре» и «при любой температуре». При нагревании больше молекул получает возможность перейти в пар, и давление насыщения увеличивается. Для проверки сравните состояние до нагрева и после него, не забывая изменить температуру.
Для понимания насыщенного пара нужны знания об испарении и конденсации: это встречные переходы молекул между жидкостью и газом. Также важно понятие давления газа и представление о средней энергии движения молекул, которая возрастает при нагревании. Эти идеи помогают объяснить, почему меняется интенсивность переходов и давление пара.
Понятие насыщенного пара пригодится при изучении влажности воздуха: воздух может содержать разное количество водяного пара относительно состояния насыщения. Оно также связано с кипением и тепловыми процессами, где важны переход жидкости в пар и зависимость этих переходов от температуры.
Почему насыщенный пар называют насыщенным?
При данной температуре пар достигает состояния равновесия с жидкостью. Если в сосуде есть жидкость, дальнейшее испарение компенсируется конденсацией, и количество пара в среднем не меняется.
Прекращается ли испарение, когда устанавливается равновесие?
Нет, молекулы продолжают покидать жидкость. Но столько же молекул пара в среднем возвращается в неё, поэтому скорости испарения и конденсации одинаковы.
От чего зависит давление насыщенного пара?
Оно зависит от температуры и свойств вещества. При данной температуре, пока в сосуде остаётся жидкость, давление насыщенного пара не зависит от объёма.
Почему при нагревании давление насыщенного пара увеличивается?
При более высокой температуре больше молекул жидкости обладает энергией, достаточной для перехода в пар. В равновесном состоянии пара становится больше, поэтому его давление возрастает.
Изменится ли давление насыщенного пара, если увеличить объём сосуда?
При неизменной температуре давление насыщенного пара не изменится, если в сосуде всё ещё есть жидкость. После увеличения объёма часть жидкости испарится и восстановит равновесное состояние.
§33. Насыщенный пар
