12. Испарение и конденсация. Насыщенный пар

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости. Оно возможно при любой температуре: кипение для него не требуется. Испарением объясняется, например, постепенное высыхание воды из открытого сосуда.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Это процесс, обратный испарению: молекулы пара возвращаются в жидкость. Конденсация помогает понять, откуда берутся капли на холодном стекле.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это значит, что за одинаковое время в среднем столько же молекул покидает жидкость, сколько возвращается из пара. Понятие нужно, чтобы описывать равновесное состояние жидкости и пара в закрытом сосуде.

Динамическое равновесие — состояние, при котором испарение и конденсация продолжаются одновременно, но количество жидкости и пара в среднем не меняется. Слово «динамическое» указывает, что молекулы не остановились: равны скорости двух встречных процессов. Так можно отличить равновесие от полного прекращения движения.

Как это устроено

Молекулы жидкости непрерывно движутся и имеют разные скорости. У поверхности некоторые из них движутся достаточно быстро, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул. Они уходят в пространство над жидкостью, поэтому и происходит испарение. Чем больше таких молекул за единицу времени покидает поверхность, тем быстрее испаряется жидкость.

При испарении жидкость обычно охлаждается по двум причинам. Во-первых, её покидают преимущественно наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя энергия движения оставшихся молекул уменьшается. Во-вторых, на переход молекул в пар требуется энергия. Если тепло не поступает из окружающей среды, она берётся у самой жидкости и её температура снижается.

На скорость испарения влияет температура: при нагревании молекулы в среднем движутся быстрее, и больше из них может вырваться с поверхности. Важна и площадь свободной поверхности: чем она больше, тем больше молекул может испаряться одновременно. У разных жидкостей притяжение между молекулами различается, поэтому они испаряются с разной скоростью. Движение воздуха над жидкостью уносит пар, и испарение обычно ускоряется.

Молекулы пара движутся беспорядочно, поэтому часть из них снова сталкивается с жидкостью и возвращается в неё. Так происходит конденсация; особенно заметно она усиливается, если пар соприкасается с более холодной поверхностью. Молекулы при столкновениях отдают ей энергию и легче остаются в жидкости. Поэтому на холодном предмете могут появиться капли воды из окружающего воздуха.

В закрытом сосуде сначала над жидкостью мало пара, поэтому молекул, возвращающихся в жидкость, немного. По мере испарения пара становится больше и конденсация учащается. Равновесие устанавливается, когда средние скорости конденсации и испарения сравниваются; такой пар называют насыщенным. Если нагреть сосуд, равновесное содержание пара возрастёт: часть жидкости испарится, пока не установится новое равновесие.

Испарение, конденсация и насыщенный пар

Сравнивайте строки по тому, куда переходят молекулы и как соотносятся испарение с конденсацией. Так можно определить, является ли пар ненасыщенным или уже достиг равновесия с жидкостью. Видимая густота пара сама по себе этого не показывает.

Разбор задач

1. Площадь поверхности и испарение

Две одинаковые капли воды оставили в одинаковых условиях, но одну распределили тонким слоем по широкой поверхности. Какая испарится быстрее и почему? Нужно сравнить условия: температура, род жидкости и движение воздуха одинаковы, а площадь свободной поверхности различается. Значит, вывод можно сделать именно по площади.

1. У тонкого слоя площадь свободной поверхности больше, чем у капли.
2. С большей поверхности за одно и то же время может улететь больше молекул.
3. Следовательно, тонкий слой теряет воду быстрее.

Ответ: быстрее испарится вода, распределённая тонким слоем, потому что у неё больше площадь свободной поверхности.

2. Нагревание закрытого сосуда

В закрытом сосуде над водой установилось равновесие между жидкостью и паром. Что произойдёт с количеством пара сразу после повышения температуры и почему? Вначале скорости испарения и конденсации были равны, но нагрев меняет движение молекул и нарушает прежнее равновесие. Нужно проследить, как затем изменятся количества пара и жидкости.

1. При нагревании молекулы воды в среднем движутся быстрее, поэтому испарение усиливается.
2. Сразу после нагрева количество пара увеличивается: испарение временно идёт быстрее конденсации.
3. Позже возросшее содержание пара усилит конденсацию. В новом равновесии пара будет больше, чем до нагревания.

Ответ: количество пара сначала возрастёт, потому что испарение станет интенсивнее; затем в сосуде установится новое равновесие с большим содержанием насыщенного пара.

3. Удельная теплота парообразования

На испарение воды массой 0,02 кг затратили 4,6 · 10⁴ Дж. Определите удельную теплоту парообразования воды. Используем формулу Q = Lm, где Q — затраченная теплота, L — удельная теплота парообразования, m — масса воды. Искомую величину найдём, разделив количество теплоты на массу.

1. Запишем данные: Q = 4,6 · 10⁴ Дж, m = 0,02 кг.
2. Выразим удельную теплоту: L = Q/m.
3. Подставим значения: L = (4,6 · 10⁴)/0,02 = 2,3 · 10⁶ Дж/кг.

Ответ: L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг. Единица Дж/кг показывает, сколько энергии требуется для испарения одного килограмма воды.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что испарение происходит только при кипении. Так думают, потому что кипение заметно по пузырькам и пару, но это не единственный способ перехода жидкости в газ. Испарение идёт с поверхности при любой температуре. Проверь себя: если вода в открытой ёмкости постепенно убывает, хотя она не кипит, значит, происходит испарение.

Ошибка — представлять динамическое равновесие как остановку молекул. Слово «равновесие» может создавать такое впечатление, но здесь уравновешены скорости двух процессов, а не движение частиц. Испарение и конденсация продолжаются одновременно. Проверь себя вопросом: равны ли средние числа молекул, переходящих в обе стороны за одинаковое время?

Ошибка — называть насыщенным пар, который просто выглядит густым. Видимость не определяет насыщенность: она зависит от того, установилось ли равновесие пара с жидкостью. Пар может быть невидимым, но насыщенным, если выполняется это условие. Проверь себя: есть ли в системе жидкость и равны ли средние скорости испарения и конденсации?

Ошибка — утверждать, что испарение нагревает оставшуюся жидкость. Можно перепутать выделение пара с поступлением тепла, однако на испарение энергия расходуется, а быстрые молекулы уходят первыми. Поэтому оставшаяся жидкость обычно охлаждается, если тепло не поступает извне. Проверь себя: учтены ли и затраты энергии, и то, какие именно молекулы покинули жидкость?

Связь с другими темами

Для понимания испарения нужно знать, что вещество состоит из движущихся молекул и что с повышением температуры их средняя скорость растёт. Эти представления объясняют, почему быстрые молекулы могут покидать жидкость и почему нагрев влияет на равновесное содержание пара. Дальше тема поможет разобраться в кипении и влажности воздуха. Испарение и конденсация также объясняют образование облаков и выпадение росы.

Что запомнить

• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
• Чем выше температура и больше площадь поверхности, тем быстрее обычно идёт испарение.
• Движение воздуха над жидкостью ускоряет испарение.
• При испарении жидкость обычно охлаждается.
• Конденсация — переход пара в жидкость.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
• При повышении температуры равновесное содержание насыщенного пара увеличивается.