§ 40. Испарение и конденсация

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости. Например, вода постепенно превращается в водяной пар даже без кипения. Это понятие нужно, чтобы объяснять высыхание луж, одежды и капель.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Так пар превращается в капли на холодном стекле или в облаках. Термин помогает описывать обратный испарению процесс.

Скорость испарения — количество вещества, испарившееся за единицу времени. Чем больше жидкости уходит за одну и ту же минуту, тем выше скорость испарения. Сравнивая её, можно установить, как влияют температура, площадь поверхности и ветер.

Охлаждение при испарении — понижение температуры жидкости из-за ухода наиболее быстрых молекул. В оставшейся жидкости средняя кинетическая энергия молекул уменьшается. Это объясняет прохладу после выхода из воды и действие пота.

Как это устроено

Испарение происходит с поверхности жидкости, потому что именно у поверхности молекула может покинуть вещество. Молекулы непрерывно движутся и сталкиваются, но имеют неодинаковые скорости. Наиболее быстрые из них обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и уйти в пространство над жидкостью.

При испарении жидкость охлаждается не случайно. Покидают её главным образом молекулы с большей кинетической энергией, а более медленные остаются. Поэтому средняя энергия движения оставшихся молекул уменьшается, что и проявляется как понижение температуры.

Скорость испарения возрастает при повышении температуры: быстрых молекул становится больше, и они чаще покидают поверхность. Увеличение площади поверхности также ускоряет процесс, поскольку одновременно может выйти больше молекул. Движение воздуха уносит образовавшийся пар и не даёт ему накапливаться около жидкости, поэтому новые молекулы испаряются легче.

Род вещества влияет на скорость испарения из-за различий в межмолекулярном притяжении. Если оно слабое, молекулам проще оторваться от поверхности, поэтому такая жидкость испаряется быстрее. При конденсации происходит обратное: молекулы пара теряют энергию, сближаются и возвращаются в жидкость, передавая энергию окружающей среде.

Сравнение испарения и конденсации

Таблица помогает быстро определить направление перехода и энергетический эффект каждого процесса. При решении задачи сначала найдите, жидкость испаряется или пар конденсируется, а затем установите, поглощается энергия или выделяется. Для сравнения скорости испарения обращайте внимание на температуру, площадь поверхности и движение воздуха.

Разбор задач

Высыхание ткани на ветру

Условие. Мокрая ткань лежит сначала в неподвижном воздухе, а затем оказывается на ветру. Нужно объяснить, в каком случае она высохнет быстрее. Температура и площадь ткани считаются одинаковыми.

1. Вода испаряется с поверхности ткани, поэтому над ней накапливается водяной пар.
2. В неподвижном воздухе влажный слой сохраняется около ткани и замедляет выход новых молекул.
3. Ветер уносит этот слой пара, поэтому испарение продолжается быстрее.

Ответ. Ткань быстрее высохнет на ветру. Движение воздуха удаляет водяной пар от её поверхности и увеличивает скорость испарения.

Широкое блюдце и узкий стакан

Условие. В одинаковых условиях налили одинаковое количество воды в широкое блюдце и узкий стакан. Нужно сравнить скорость испарения воды. Температура, движение воздуха и род жидкости одинаковы.

1. При одинаковой температуре число быстрых молекул в каждой жидкости определяется её температурой.
2. В блюдце открытая поверхность воды больше, чем в стакане, поэтому одновременно может уйти больше молекул.
3. Следовательно, за одинаковое время из блюдца испарится больше воды.

Ответ. Вода быстрее испаряется в широком блюдце. Причина — большая площадь свободной поверхности, а не различие в количестве налитой воды.

Расчёт массы испарившейся воды

Условие. Для испарения воды передали количество теплоты Q. Удельная теплота парообразования воды равна L. Требуется найти массу испарившейся воды, не учитывая нагревание самой воды.

1. Для испарения массы m требуется количество теплоты Q = Lm.
2. Разделим обе части равенства на L и получим формулу m = Q/L.
3. Подставим известные значения Q и L в одной системе единиц и вычислим результат.

Ответ. Масса испарившейся воды равна m = Q/L. Формула показывает: чем больше передано теплоты, тем больше воды может испариться, а большая удельная теплота парообразования требует больше энергии на каждый килограмм.

Типичные ошибки

Испарение бывает только при температуре кипения. Так думают, потому что кипение заметнее и сопровождается пузырьками. Проверьте себя: открытая вода высыхает и при комнатной температуре, значит, испарение возможно при любой температуре.

При испарении жидкость нагревается. Ошибка возникает из-за представления, что жидкость обязательно получает тепло от воздуха. Спросите себя, какие молекулы уходят: быстрые, поэтому оставшаяся жидкость обычно охлаждается.

Испарение и кипение — одно и то же. Их путают, потому что оба процесса образуют пар. Проверьте место процесса: испарение идёт только с поверхности, а кипение — по всему объёму жидкости.

Конденсация поглощает теплоту. Так можно ошибиться, если рассматривать её как простое обратное испарение без учёта энергии. При переходе пара в жидкость молекулы теряют энергию, поэтому теплота выделяется.

Связь с другими темами

Для понимания испарения и конденсации нужны знания о строении вещества и движении молекул. Температура показывает, насколько интенсивно движутся частицы, а агрегатные состояния описывают разные формы существования вещества.

Эта тема связана с кипением, потому что оба процесса относятся к парообразованию. Она также помогает объяснить влажность воздуха, образование облаков, росы и атмосферных осадков: водяной пар конденсируется при охлаждении.

Что запомнить

• Испарение — парообразование с поверхности жидкости.
• Испарение происходит при любой температуре.
• Чем выше температура и больше площадь поверхности, тем быстрее испарение.
• Движение воздуха ускоряет испарение.
• При испарении жидкость охлаждается.
• Конденсация — переход пара в жидкость с выделением теплоты.