§ 18. Скорость процесса испарения. Насыщенный пар

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. Например, вода уходит в воздух не только при нагревании, но и из лужи в прохладный день. Это понятие помогает отличить испарение от кипения, при котором пар образуется во всём объёме жидкости.

Скорость испарения показывает, насколько быстро жидкость превращается в пар. Она зависит от температуры, площади поверхности, рода жидкости и движения воздуха. Это понятие нужно, чтобы сравнивать, например, как быстро высохнут одинаковые количества воды в разных условиях.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: испарение и конденсация идут с одинаковой скоростью. Конденсацией называют обратный переход пара в жидкость. Определение помогает понять, почему в закрытом сосуде количество пара не обязательно растёт бесконечно.

Динамическое равновесие — состояние, при котором противоположные процессы продолжаются одновременно, но их скорости равны. Поэтому при равновесии испарение не прекращается, однако общее количество жидкости и пара в сосуде не меняется. Слово «динамическое» напоминает, что молекулы продолжают переходить из одного состояния в другое.

Как это устроено

Молекулы жидкости движутся с разными скоростями и сталкиваются друг с другом. Те, что находятся у поверхности и движутся особенно быстро, могут преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость. Поэтому в пар в первую очередь переходят молекулы с достаточной кинетической энергией, а не все частицы сразу.

При повышении температуры средняя скорость движения молекул возрастает, и больше частиц получает возможность вырваться с поверхности за одно и то же время. Увеличение площади поверхности тоже ускоряет испарение: на ней одновременно находится больше молекул, которые могут покинуть жидкость. Движущийся воздух уносит пар от поверхности, поэтому около неё не накапливается столько водяного пара, который мог бы вернуться в жидкость.

При испарении жидкость охлаждается, потому что её покидают преимущественно быстрые молекулы. Средняя кинетическая энергия оставшихся частиц становится меньше, а значит, уменьшается и температура жидкости. Энергия для выхода молекул берётся из самой жидкости и окружающей среды; если тепла поступает мало, жидкость остывает заметнее.

В закрытом сосуде молекулы непрерывно покидают поверхность воды и возвращаются из пара обратно в жидкость. Сначала испарение преобладает, потому что пара над водой мало и обратно возвращается немного молекул. Со временем пара становится больше, чаще происходят столкновения его молекул с жидкостью и усиливается конденсация; в итоге скорости двух процессов сравниваются.

Ненасыщенный пар ещё не находится в равновесии с жидкостью: испарение преобладает над конденсацией, и жидкости может становиться меньше. Насыщенный пар, напротив, уже равновесен с жидкостью, но оба процесса в нём продолжаются. При неизменной температуре и наличии жидкости его плотность задаётся температурой; если температура меняется, равновесное состояние тоже меняется.

Сравнение ненасыщенного и насыщенного пара

Сравнивайте пар по связи с жидкостью и по соотношению скоростей двух процессов. Эти признаки позволяют определить, может ли количество пара ещё увеличиваться при данных условиях. Учтите: утверждение о насыщении относится к установившемуся равновесию и наличию жидкости.

Разбор задач

В двух одинаковых блюдцах находятся равные количества воды. Одно блюдце оставили в комнате, а другое поставили под струю воздуха. В каком блюдце вода испарится быстрее и почему?

1. Сравним условия: одинаковы количество воды, площадь поверхности и температура, поэтому эти причины не дают преимущества ни одному блюдцу. Отличается только движение воздуха над водой.
2. Струя уносит водяной пар, который образуется у поверхности. Из-за этого рядом с водой сохраняется меньше пара, и больше молекул может продолжать переходить в воздух.
3. Значит, скорость испарения под струёй воздуха выше. При прочих равных вода в этом блюдце исчезнет быстрее.

Ответ: быстрее испарится вода в блюдце под струёй воздуха, потому что поток уносит пар от её поверхности.

Почему после протирания кожи влажной салфеткой или после выхода из воды человек чувствует холод?

1. На коже остаётся тонкий слой воды, молекулы которой движутся с разными скоростями. Наиболее быстрые из них могут покинуть поверхность и перейти в пар.
2. Ушедшие молекулы уносят часть энергии, а на испарение требуется дополнительная энергия. Она поступает, в частности, от кожи, поэтому её температура понижается.
3. Чем быстрее испаряется вода, тем быстрее отводится энергия и тем сильнее ощущается охлаждение. Движение воздуха может усилить этот эффект, унося пар от кожи.

Ответ: кожа охлаждается, потому что испарение забирает энергию, а в пар преимущественно уходят быстрые молекулы.

В закрытом сосуде над водой установилось равновесие между испарением и конденсацией. Что произойдёт с насыщенным паром при повышении температуры сосуда, если вода в нём ещё есть?

1. При нагревании молекулы воды движутся быстрее. Поэтому сначала возрастает число молекул, способных покинуть поверхность, и испарение усиливается.
2. Равновесие нарушается: испарение на время становится быстрее конденсации. В сосуде появляется дополнительное количество пара, а его молекулы также чаще возвращаются в жидкость.
3. Процессы продолжаются, пока их скорости снова не сравняются. При новой, более высокой температуре устанавливается новое равновесие, которому соответствует большая плотность насыщенного пара.

Ответ: пар сначала становится более насыщенным, затем устанавливается новое равновесное состояние; вода в сосуде при этом должна присутствовать.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Такое представление возникает, если смешать два перехода жидкости в пар. Проверьте себя: вспомните, что лужа уменьшается и в прохладную погоду, а испарение идёт с поверхности при любой температуре.

Ошибка: путать испарение с кипением. Оба процесса образуют пар, поэтому их легко принять за одно и то же, но при кипении пар образуется во всём объёме жидкости, а при испарении — только на поверхности. Чтобы проверить ответ, спросите себя, появляются ли пузырьки пара внутри жидкости.

Ошибка: утверждать, что насыщенный пар совсем не испаряется и не конденсируется. Равновесие иногда ошибочно принимают за остановку процессов, хотя в действительности они продолжаются с равными скоростями. Проверьте себя: если процессы полностью остановились, это не динамическое равновесие.

Ошибка: считать, что при данной температуре насыщенный пар всегда имеет одинаковую массу независимо от объёма сосуда. Плотность насыщенного пара при наличии жидкости определяется температурой, а не масса всей порции пара. При изменении объёма количество пара может измениться: часть жидкости испарится или часть пара сконденсируется.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в испарении, нужно знать строение вещества и тепловое движение молекул: они объясняют, почему частицы жидкости могут покидать её поверхность. Понятие кинетической энергии помогает понять, почему первыми уходят самые быстрые молекулы и почему жидкость охлаждается. Изменение внутренней энергии связывает этот процесс с передачей энергии между жидкостью и окружающей средой.

Знание испарения и конденсации пригодится при изучении влажности воздуха, образования росы и тумана. Эти процессы также важны в работе холодильных установок и при сушке материалов. В каждом случае полезно проследить, где жидкость испаряется, куда уходит пар и где он может снова стать жидкостью.

Что запомнить

• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
• Чем выше температура и больше площадь поверхности, тем быстрее испарение.
• Движение воздуха ускоряет испарение.
• При испарении жидкость охлаждается.
• В закрытом сосуде пар одновременно испаряется и конденсируется.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
• При постоянной температуре характеристики насыщенного пара определяются температурой, если жидкость присутствует.