"Физика. Базовый уровень", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.
Насыщенный пар — пар, который находится в равновесии с жидкостью или твёрдым телом: испарение продолжается, но конденсация возвращает столько же частиц. При заданной температуре такой пар имеет максимально возможное давление. Если температуру повысить, давление и плотность насыщенного пара быстро возрастут. Эти свойства помогают объяснять кипение, влажность воздуха и появление росы, а также работу холодильных установок и тепловых машин.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся при данной температуре в динамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом. Это определение помогает отличить насыщение от простого наличия пара в закрытом сосуде: важны и температура, и равновесие с конденсированным веществом.
Динамическое равновесие — состояние, при котором средние скорости испарения и конденсации равны. Частицы всё время переходят из жидкости в пар и обратно, но это понятие позволяет понять, почему количество каждой фазы в среднем остаётся постоянным.
Давление насыщенного пара — максимальное давление пара при данной температуре, когда над жидкостью установилось равновесие. Оно показывает предел, до которого может увеличиваться давление пара над этой жидкостью при неизменной температуре.
Ненасыщенный пар — пар, давление которого меньше давления насыщенного пара при той же температуре. Это понятие нужно, чтобы описывать пар, который ещё может образоваться из жидкости или приблизиться к насыщению при охлаждении.
В замкнутом сосуде часть молекул жидкости имеет достаточно энергии, чтобы покинуть её поверхность: так происходит испарение. Молекулы пара движутся хаотично и иногда возвращаются в жидкость — это конденсация. Сначала испарение обычно идёт быстрее, потому что частиц пара мало и вероятность их возвращения невелика. По мере накопления пара конденсация усиливается, поскольку больше молекул сталкивается с поверхностью жидкости.
Равновесие наступает, когда за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько возвращается. Поэтому количество жидкости и пара перестаёт заметно меняться в среднем, хотя движение частиц не останавливается. Равенство скоростей переходов и объясняет слово «динамическое»: равновесие здесь не означает покоя. Кратковременные изменения числа молекул возможны, но на достаточно большом промежутке их среднее количество остаётся постоянным.
Если температура и количество жидкости позволяют сохранять обе фазы, давление пара при равновесии задаётся температурой. Увеличение объёма сначала уменьшает концентрацию молекул пара, поэтому часть жидкости испаряется и число частиц в газе растёт. При уменьшении объёма концентрация временно увеличивается, и больше молекул конденсируется. В итоге устанавливается давление насыщения для прежней температуры, а не значение, определяемое одним только размером сосуда.
С повышением температуры молекулы жидкости в среднем движутся быстрее, и большая их доля может покинуть поверхность. Чтобы уравновесить усиленное испарение, в паре должно стать больше молекул, поэтому растёт его плотность и давление насыщения. Рост нелинеен: при нагревании воды от 20 °C до 40 °C давление насыщенного пара увеличивается примерно с 2,34 до 7,38 кПа. Это изменение показано на графике: к высоким температурам кривая становится заметно круче.
При уменьшении объёма сосуда насыщенный пар сжимается, и часть его молекул чаще возвращается в жидкость: избыток конденсируется. Если объём увеличить, давление на короткое время падает, и испарение усиливается, пока давление не восстановится. В обоих случаях ответ системы связан с обменом частиц между фазами. Он возможен, пока в сосуде остаётся жидкость, способная испаряться или принимать молекулы.
| Свойство | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Состояние системы | Динамическое равновесие испарения и конденсации | Равновесие не установилось или жидкости недостаточно |
| Зависимость давления от температуры | При данной температуре имеет максимальное давление | Давление меньше давления насыщенного пара |
| Изменение объёма при постоянной температуре | Избыток пара конденсируется или жидкость испаряется | Давление изменяется примерно обратно пропорционально объёму |
| Наличие жидкости или другого конденсированного вещества | Необходимо для поддержания насыщения | Может отсутствовать |
Сначала определите температуру и выясните, есть ли равновесие пара с жидкостью: это главный признак насыщения. Затем сравните фактическое давление с давлением насыщения при этой температуре. Строка об изменении объёма описывает поведение пара при постоянной температуре, а не при нагревании или охлаждении.
В закрытом сосуде над водой установилось равновесие между водой и паром. Нужно определить состояние пара и выяснить, что изменится при добавлении воды. Поскольку в условии прямо сказано о равновесии с жидкостью, проверять давление отдельно не требуется: это и есть признак насыщения.
Ответ: пар насыщенный; добавление воды при той же температуре не изменит его равновесное давление. Этот вывод предполагает, что в сосуде до добавления уже была вода, а равновесие сохранилось.
При 20 °C плотность водяного пара равна 17,3 г/м³, молярная масса воды — 18 г/моль. Чтобы найти давление, используем уравнение идеального газа, записанное через плотность: p = ρRT/M. Переведём величины в единицы СИ, а температуру из градусов Цельсия — в кельвины.
Ответ: давление пара примерно равно 2,34 кПа. Это значение близко к давлению насыщенного водяного пара при 20 °C, поэтому заданная плотность соответствует насыщенному пару примерно при этой температуре.
Воздух охлаждают от 25 °C до 10 °C и просят найти температуру начала конденсации и относительную влажность. Для численного ответа не хватает начального давления водяного пара или начальной относительной влажности: слов «влажный воздух» недостаточно, чтобы определить количество пара. Задачу можно решить в общем виде через таблицу давления насыщенного пара.
Ответ: численные значения точки росы и относительной влажности нельзя найти без начального давления пара или относительной влажности. После получения этих данных применяют указанные формулы и таблицу.
Ошибка: считать, что насыщенный пар всегда имеет одинаковое давление. Давление насыщения зависит от температуры, поэтому одно и то же вещество при нагревании и охлаждении имеет разные значения. Так думают, если запоминают только одно табличное число. Проверьте себя: перед сравнением давлений укажите температуру, при которой они измерены.
Ошибка: считать любой пар в закрытом сосуде насыщенным. Закрытость не означает, что успело установиться равновесие или что в сосуде достаточно жидкости; такой вывод часто делают, смешивая герметичность с насыщением. Проверьте условие: указаны ли равновесие и наличие конденсированной фазы? Если нет, насыщение не доказано.
Ошибка: утверждать, что при сжатии насыщенного пара его давление обязательно возрастает. Если рядом есть жидкость, часть пара конденсируется, поэтому давление после установления равновесия остаётся соответствующим прежней температуре. Ошибка возникает при переносе поведения обычного газа на пар, находящийся в равновесии. Проверьте себя: есть ли возможность конденсации и не меняется ли температура?
Ошибка: считать, что в состоянии насыщения испарение прекращается. На самом деле оно продолжается, но конденсация идёт с такой же средней скоростью; слово «равновесие» иногда ошибочно принимают за неподвижность частиц. Проверьте себя: равны ли скорости двух встречных процессов или оба процесса остановлены? Для насыщенного пара верен первый вариант.
Для понимания насыщенного пара нужны знания об испарении, конденсации, температуре, давлении и уравнении состояния идеального газа. Эти понятия позволяют объяснить обмен частиц между жидкостью и паром и рассчитать давление по плотности. Далее они понадобятся при изучении влажности воздуха и точки росы: охлаждение может привести к образованию облаков и атмосферных осадков. Насыщенный пар также помогает объяснить кипение и принципы работы холодильных установок и тепловых машин.
Почему насыщенный пар не конденсируется полностью?
В равновесии испарение не прекращается: новые частицы переходят из жидкости в пар. Столько же частиц в среднем возвращается обратно, поэтому пар не исчезает.
Может ли пар быть насыщенным без жидкости в сосуде?
Да, если пар ранее находился в равновесии с жидкостью и затем её отделили, не изменив температуру и состояние пара. Но при изменении условий или утечке пара насыщение может нарушиться.
Почему давление насыщенного пара не зависит от объёма сосуда?
Если при данной температуре в сосуде есть жидкость, изменение объёма вызывает испарение или конденсацию. Эти процессы возвращают пар к давлению насыщения, пока обе фазы могут сосуществовать.
Чем насыщенный пар отличается от влажного воздуха?
Насыщенный пар — состояние самого пара относительно жидкости при заданной температуре. Влажный воздух — смесь воздуха и водяного пара, который может быть как насыщенным, так и ненасыщенным.
Почему при охлаждении воздуха появляется роса?
При охлаждении давление насыщенного водяного пара уменьшается. Когда фактическое содержание пара достигает предела насыщения, избыток воды конденсируется на холодных поверхностях каплями.
§ 33. Насыщенный пар
