"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Испарение и конденсация — переходы вещества между жидким и газообразным состояниями. Испарение происходит с поверхности жидкости даже без кипения, а при конденсации пар превращается обратно в жидкость. Эти процессы объясняют, почему высыхают лужи и одежда, почему после купания становится прохладно и как образуются облака. В закрытом сосуде испарение и конденсация могут идти одновременно: когда их скорости становятся равны, устанавливается динамическое равновесие и пар называют насыщенным.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — переход жидкости в пар, происходящий с её свободной поверхности при любой температуре. Свободная поверхность — граница жидкости с воздухом или другим газом. В отличие от кипения, испарение не требует нагревать жидкость до определённой температуры и не происходит одновременно во всём её объёме.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Например, водяной пар может превратиться в капли на холодном стекле. Это понятие помогает описать обратный процесс по отношению к испарению.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью в закрытом сосуде. Иными словами, в таком сосуде пар уже не просто накапливается: молекулы одновременно покидают жидкость и возвращаются в неё. Понятие насыщенного пара нужно, чтобы описать состояние вещества, когда два перехода уравновешивают друг друга.
Динамическое равновесие — состояние, при котором за одинаковые промежутки времени из жидкости испаряется столько же молекул, сколько пара конденсируется. Слово «динамическое» показывает, что оба процесса продолжаются, а не останавливаются. Поэтому количество жидкости и пара в сосуде может оставаться постоянным.
Молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся, но их скорости неодинаковы. У поверхности некоторым молекулам удаётся набрать достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Поэтому испарение возможно и без кипения: для него не требуется, чтобы быстрыми стали все молекулы или чтобы пузырьки пара образовались внутри жидкости.
При испарении жидкость теряет прежде всего наиболее быстрые молекулы. Средняя энергия движения тех молекул, которые остались, становится меньше, а температура связана именно со средней энергией их движения. Кроме того, на преодоление притяжения молекул расходуется энергия. Если её не восполнять нагреванием или из окружающей среды, жидкость охлаждается; поэтому прохладно после купания, когда испаряется вода с кожи.
Скорость испарения зависит от нескольких условий. При более высокой температуре больше молекул движется достаточно быстро, чтобы покинуть поверхность; при большей площади поверхности за одно и то же время может уйти больше молекул. Разные жидкости удерживают молекулы с разной силой, поэтому испаряются с неодинаковой скоростью. Движение воздуха уносит молекулы пара от поверхности, не давая воздуху рядом быстро насытиться паром, и тем самым ускоряет испарение.
Когда молекулы пара соприкасаются с более холодной поверхностью, они передают ей часть энергии и движутся медленнее. Из-за этого притяжение молекул жидкости может удержать их на поверхности, и они переходят в жидкость — происходит конденсация. При превращении пара в жидкость энергия выделяется, поэтому конденсация сопровождается передачей энергии окружающим телам.
В закрытом сосуде часть молекул покидает жидкость и остаётся над ней в виде пара. Чем больше пара накапливается, тем чаще его молекулы возвращаются в жидкость, поэтому конденсация постепенно усиливается. Наконец, за одинаковое время число испаряющихся молекул сравнивается с числом конденсирующихся. Устанавливается динамическое равновесие: процессы не прекращаются, но количество жидкости и пара перестаёт заметно изменяться.
| Процесс | Переход вещества | Где происходит | Что происходит с энергией жидкости |
|---|---|---|---|
| Испарение | Из жидкости в пар | С поверхности жидкости | Жидкость отдаёт энергию и может охлаждаться |
| Конденсация | Из пара в жидкость | При охлаждении пара или соприкосновении с холодной поверхностью | При переходе пара в жидкость выделяется энергия |
Сначала определите, из какого состояния в какое переходит вещество: так проще не перепутать процессы. Затем сравните, где происходит переход и как меняется энергия. В последней графе речь идёт о тепловом эффекте: испарение может охлаждать жидкость, а при конденсации энергия выделяется.
Выясним, от чего зависит высыхание. Вода должна испариться с поверхности ткани, значит, важна скорость испарения.
У поверхности мокрой ткани образуется водяной пар. В неподвижном воздухе он задерживается рядом с тканью, поэтому новые молекулы воды испаряются медленнее.
Ветер уносит этот пар и приносит воздух, в котором его меньше. Молекулы воды могут продолжать переходить в воздух, поэтому бельё сохнет быстрее.
Ответ: на ветру бельё высыхает быстрее, потому что движущийся воздух удаляет водяной пар от ткани.
Сначала молекулы воды покидают её поверхность, и над жидкостью накапливается пар. Сосуд закрыт, поэтому пар не уходит из него в окружающий воздух.
Чем больше молекул пара находится над водой, тем чаще они сталкиваются с жидкостью и возвращаются в неё. Это обратный переход называется конденсацией.
Через некоторое время за одинаковые промежутки времени из воды уходит столько же молекул, сколько возвращается. Значит, испарение не прекратилось, но его скорость сравнялась со скоростью конденсации.
Ответ: устанавливается динамическое равновесие, поэтому масса воды перестаёт заметно меняться, хотя испарение и конденсация продолжаются.
Условия опыта одинаковы: массы капель и площади блюдец совпадают. Поэтому различие в скорости испарения связано с родом жидкости.
Эфир — более летучая жидкость, чем вода: его молекулы легче покидают поверхность. При одинаковых условиях за одно и то же время с поверхности эфира уйдёт больше молекул.
Значит, капля эфира быстрее уменьшится и исчезнет. Этот вывод основан на зависимости скорости испарения от вида жидкости, а не на различии температуры или площади поверхности.
Ответ: быстрее испарится эфир, потому что он более летуч, чем вода.
Ошибка — считать, что испарение возможно только при кипении. Так думают, потому что оба процесса превращают жидкость в пар, но кипение заметнее: в жидкости появляются пузырьки. Проверьте себя: если жидкость сохнет при комнатной температуре, значит, испарение возможно и без кипения.
Ошибка — путать испарение с кипением и считать, что оба процесса идут одинаково. Это происходит из-за общего результата — образования пара. Чтобы проверить себя, спросите, где идёт процесс: испарение происходит с поверхности, а кипение — во всём объёме жидкости.
Ошибка — полагать, что в состоянии динамического равновесия испарение прекращается. Слово «равновесие» может показаться указанием на неподвижность, но равны здесь скорости двух процессов. Проверьте себя: если молекулы продолжают переходить в обе стороны, а их число за равное время одинаково, равновесие динамическое.
Ошибка — думать, что одного наличия пара достаточно для конденсации. Пар может оставаться газом, если условия не способствуют переходу в жидкость. Обычно его нужно охладить или привести в соприкосновение с холодной поверхностью; это подсказывает, какое условие проверить в задаче.
Чтобы понять испарение, нужно знать, что вещество состоит из движущихся молекул и что их скорость связана с температурой. Эти знания объясняют, почему самые быстрые молекулы покидают поверхность, а испаряющаяся жидкость охлаждается. Тема пригодится при изучении влажности воздуха, образования облаков и осадков: в атмосфере вода испаряется и затем конденсируется. Она также помогает разбираться в тепловых процессах при переходах вещества между агрегатными состояниями.
Почему лужи высыхают и в прохладную погоду?
При любой температуре некоторые молекулы воды у поверхности движутся достаточно быстро, чтобы покинуть жидкость. Они переходят в воздух в виде пара, поэтому лужа постепенно высыхает и без кипения.
Почему после купания человеку бывает холодно?
Вода на коже испаряется, а для этого нужны энергия и тепло. Часть энергии забирается у кожи, поэтому её температура немного снижается и человек чувствует холод.
Почему на ветру бельё сохнет быстрее?
Воздух у ткани быстро уносит водяной пар, который образовался при испарении. На его место приходит более сухой воздух, поэтому испарение продолжается быстрее.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости и начинается при определённой для данных условий температуре.
Прекращается ли испарение, когда пар становится насыщенным?
Нет, молекулы продолжают покидать жидкость. Но в состоянии динамического равновесия столько же молекул за то же время возвращается из пара в жидкость при конденсации.
§ 23. Испарение и конденсация. Насыщенный пар
