§ 17. Испарение и конденсация

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, который происходит с поверхности жидкости при любой температуре. На поверхности молекулы могут покинуть жидкость, если их движения хватает, чтобы преодолеть притяжение соседей. Это понятие помогает объяснить, как высыхают вода и другие жидкости без кипения.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при охлаждении пара или соприкосновении с более холодной поверхностью. Молекулы пара теряют часть энергии и сильнее притягиваются друг к другу. Понятие нужно, чтобы объяснить появление росы, тумана и капель на холодных предметах.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько возвращается в неё. Поэтому количество жидкости и пара остаётся постоянным. Термин помогает описывать состояние пара в закрытом сосуде.

Динамическое равновесие — состояние, при котором испарение и конденсация продолжаются одновременно, но количество жидкости и пара не изменяется. Это не означает, что молекулы перестали двигаться: процессы просто идут с одинаковой скоростью. Такое описание помогает понять, почему в закрытом сосуде состав жидкости и пара может перестать заметно меняться.

Как это устроено

Молекулы жидкости непрерывно движутся и имеют неодинаковые скорости. На поверхности быстрее движущаяся молекула может получить достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседей и улететь в пространство над жидкостью. Поэтому покидают жидкость преимущественно наиболее быстрые молекулы, а средняя энергия оставшихся уменьшается. С этим связано охлаждение жидкости при испарении.

При повышении температуры молекулы в среднем движутся быстрее, а доля частиц, способных покинуть жидкость, становится больше. Увеличение площади поверхности даёт больше молекул, которые могут испариться одновременно. Движение воздуха уносит пар от поверхности, поэтому около неё не успевает накапливаться влажный воздух. По этим причинам тепло, большая открытая поверхность и ветер ускоряют испарение.

Разные жидкости испаряются с разной скоростью, потому что силы притяжения между их молекулами неодинаковы. Если молекулы сильно притягиваются друг к другу, частице труднее покинуть жидкость, и испарение идёт медленнее. Если притяжение слабее, больше молекул при тех же условиях может вырваться с поверхности. Поэтому скорость испарения зависит не только от температуры и площади, но и от того, какая именно жидкость испаряется.

Пар состоит из молекул, движущихся над жидкостью. При охлаждении они движутся медленнее, и притяжение между ними может сблизить молекулы так, что образуются капли жидкости; конденсат на холодной поверхности появляется именно так. При конденсации энергия выделяется: молекулы, переходя в жидкость, отдают часть энергии окружающей среде. Поэтому конденсация не просто меняет агрегатное состояние, но и сопровождается передачей энергии.

В закрытом сосуде часть молекул сначала испаряется и оказывается над жидкостью. Чем больше пара накапливается, тем чаще его молекулы возвращаются в жидкость при конденсации. В конце концов за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько в неё возвращается. Наступает динамическое равновесие: испарение и конденсация продолжаются, но количество жидкости и пара уже не меняется.

Сравнение испарения и конденсации

Сначала определите, из какого состояния в какое переходит вещество: это сразу показывает, какой процесс происходит. Затем сравните условия и изменение энергии, чтобы объяснить, почему тело нагревается или охлаждается. Примеры помогают связать признаки процессов с повседневными наблюдениями.

Разбор задач

Почему мокрая одежда быстрее высыхает на ветру и на солнце?

Условие. Нужно объяснить, почему мокрое бельё высыхает быстрее, если его сушат в тёплую солнечную погоду и на ветру. Сравним, как влияют на испарение температура и движение воздуха. Здесь не нужно вычислять время сушки: достаточно проследить причинную связь.

1. Солнечный свет нагревает воду в ткани. При более высокой температуре молекулы движутся быстрее, и больше из них может покинуть поверхность.
2. Ветер уносит влажный воздух от белья и заменяет его более сухим. Поэтому возле ткани меньше накапливается водяной пар, который мог бы замедлять испарение.
3. Оба условия повышают скорость перехода воды из жидкости в пар. Вода быстрее покидает волокна, и бельё скорее высыхает.

Ответ. На солнце испарение ускоряется из-за нагревания воды, а ветер удаляет влажный воздух у ткани. Вместе эти причины позволяют белью высохнуть быстрее.

Почему после выхода из воды человеку холодно, особенно при ветре?

Условие. Человек выходит из воды, и на коже остаётся влага. Нужно объяснить ощущение холода, а затем выяснить, почему оно усиливается при ветре. Рассмотрим, что происходит с молекулами воды и энергией кожи.

1. Вода с поверхности кожи испаряется, причём при любой температуре. Для перехода в пар молекулы должны получить энергию.
2. Часть этой энергии забирается у кожи и оставшейся на ней воды. Уходят преимущественно быстрые молекулы, поэтому кожа теряет энергию и охлаждается.
3. Ветер уносит влажный воздух рядом с телом. На его место приходит менее влажный воздух, и испарение продолжается быстрее.

Ответ. При испарении вода отнимает энергию у кожи, поэтому человеку холодно. Ветер ускоряет испарение и усиливает охлаждение.

На холодной поверхности образовались капли воды. Какой процесс произошёл, откуда взялась вода и почему поверхность была холодной?

Условие. На поверхности появились капли, хотя жидкость на неё не проливали. Требуется назвать процесс, установить источник воды и объяснить роль температуры поверхности. Подсказка: водяной пар есть в окружающем воздухе.

1. Капли образуются, когда газообразное вещество переходит в жидкость. Такой переход называется конденсацией, значит, здесь произошла именно она.
2. Вода пришла из воздуха в виде водяного пара. Молекулы пара сталкивались с поверхностью, охлаждались и объединялись в жидкие капли.
3. Поверхность была холодной относительно воздуха с водяным паром. Она охлаждала молекулы пара у себя, и часть пара конденсировалась.

Ответ. Произошла конденсация водяного пара, содержащегося в воздухе. Капли образовались потому, что холодная поверхность охладила пар.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Такое представление появляется из-за того, что при кипении хорошо заметен пар, а испарение при низкой температуре часто незаметно. Проверьте себя: если жидкость постепенно исчезает с открытой поверхности, она испаряется, даже если не кипит.

Ошибка — путать испарение с кипением и считать, что оба процесса происходят одинаково. На деле испарение идёт с поверхности, а кипение охватывает весь объём жидкости и сопровождается образованием пузырьков пара. Чтобы проверить ответ, спросите себя, где именно образуется пар: только у поверхности или также внутри жидкости.

Ошибка — утверждать, что при испарении жидкость получает тепло и поэтому обязательно нагревается. Так думают, потому что для перехода в пар требуется энергия, но быстрые молекулы чаще покидают жидкость, и оставшаяся часть обычно охлаждается. Проверка: проследите, откуда берётся энергия для испарения и что происходит со средней энергией оставшихся молекул.

Ошибка — считать, что при конденсации энергия поглощается. Это путают с испарением, при котором энергия требуется для перехода в газ. При конденсации пар отдаёт энергию окружающим телам; проверить себя можно, проследив переход от более свободного движения молекул пара к жидкости.

Связь с другими темами

Чтобы понять испарение и конденсацию, нужно знать, что вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся, и что температура связана со средней кинетической энергией их движения. Эти идеи объясняют, почему быстрые молекулы покидают жидкость и почему охлаждение пара способствует конденсации. Далее тема помогает разобраться в кипении, влажности воздуха, облаках, росе и тумане. Она также связывает теплообмен с круговоротом воды в природе и работой холодильных установок.

Что запомнить

• Испарение — переход жидкости в пар с её поверхности.
• Испарение происходит при любой температуре.
• Скорость испарения возрастает с повышением температуры, увеличением площади поверхности и усилением движения воздуха.
• При испарении жидкость охлаждается.
• Конденсация — переход пара в жидкость.
• При конденсации выделяется энергия.
• В закрытом сосуде испарение и конденсация могут привести к динамическому равновесию.