"Физика", Изергин Э.Т.
Испарение, кипение и конденсация — взаимосвязанные превращения жидкости и пара. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, кипение — по всему объёму при определённых условиях, а конденсация возвращает пар в жидкость. Знание этих процессов помогает объяснить высыхание одежды, образование облаков, работу холодильника и изменение температуры кипения воды в горах. Главное — понять движение молекул и обмен энергией.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — превращение жидкости в пар, происходящее с её свободной поверхности при любой температуре. Оно объясняет, почему вода постепенно исчезает даже без кипения. Чем быстрее идёт испарение, тем заметнее высыхает жидкость.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости при определённой для данных условий температуре. При этом внутри жидкости возникают пузырьки пара. Температуру, при которой начинается кипение, называют температурой кипения.
Конденсация пара — превращение пара в жидкость при охлаждении или соприкосновении с более холодной поверхностью. Так появляются капли на холодном стекле и вода из водяного пара в атмосфере. При конденсации пар отдаёт энергию окружающей среде.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это значит, что за одинаковое время столько же молекул испаряется, сколько возвращается в жидкость. Понятие помогает описывать состояние пара над жидкостью в закрытом сосуде.
Молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся, но притягиваются друг к другу. У поверхности наиболее быстрые молекулы способны преодолеть это притяжение и покинуть жидкость, поэтому происходит испарение. Оставшиеся частицы в среднем движутся медленнее, из-за чего жидкость обычно охлаждается.
Скорость испарения зависит от температуры, потому что при нагревании возрастает число быстрых молекул. Большая площадь поверхности даёт большему числу частиц возможность покинуть жидкость одновременно. Движение воздуха уносит образовавшийся пар, поэтому над поверхностью не накапливается насыщенный пар и испарение ускоряется; влияет также род жидкости.
При нагревании внутри жидкости могут появляться пузырьки, заполненные паром. Вначале они сжимаются внешним давлением и исчезают, но при достижении температуры кипения давление пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением. Тогда пузырьки растут, всплывают и лопаются у поверхности, поэтому кипение идёт по всему объёму.
Во время кипения подводимая энергия не увеличивает среднюю скорость молекул жидкости. Она расходуется на ослабление притяжения между частицами и их переход в пар, поэтому при постоянном давлении температура остаётся постоянной. После испарения всей жидкости дальнейший нагрев уже может повышать температуру пара.
При конденсации молекулы пара сближаются и переходят в связанное жидкое состояние. Их потенциальная энергия уменьшается, а лишняя энергия выделяется в окружающую среду в виде теплоты. Поэтому пар может обжечь сильнее воды той же температуры: при его конденсации дополнительно выделяется энергия парообразования.
| Свойство | Испарение | Кипение | Конденсация |
|---|---|---|---|
| Где происходит процесс | На свободной поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости и на её поверхности | В объёме пара и на поверхности охлаждённого тела |
| При каких температурах происходит | При любой температуре | При определённой температуре кипения | При охлаждении пара или его контакте с холодной поверхностью |
| Изменение температуры | Жидкость обычно охлаждается | При постоянном давлении температура остаётся постоянной | При переходе в жидкость выделяется энергия |
| Энергетический эффект | Поглощение энергии | Поглощение энергии | Выделение энергии |
Сначала определите, где происходит процесс: только на поверхности, во всём объёме или в паре. Затем сравните условие по температуре и направление передачи энергии. Такая последовательность помогает не путать испарение с кипением и парообразование с конденсацией.
Высыхание — это испарение воды с поверхности ткани. Нужно выяснить, какие условия делают испарение более быстрым. В задаче указаны движение воздуха и расправленный вид одежды.
Ответ: расправленная одежда высыхает быстрее из-за большей площади поверхности, а ветер ускоряет удаление влажного воздуха.
Вода уже находится при температуре кипения, поэтому нагревать её до этой температуры не нужно. Используем формулу количества теплоты для парообразования: Q = Lm. Массу оставляем в килограммах, а результат сначала получаем в мегаджоулях.
Ответ: требуется 0,46 МДж, или 460 кДж теплоты.
Температура кипения зависит не только от вещества, но и от внешнего давления. В горах атмосферное давление меньше, чем у уровня моря, поэтому пузырькам пара легче увеличиваться. Нужно связать это изменение с процессом приготовления пищи.
Ответ: уменьшение атмосферного давления понижает температуру кипения, поэтому приготовление пищи в горах замедляется.
Ошибка: считать, что испарение бывает только при кипении. Так думают, потому что при кипении пар хорошо виден и процесс идёт быстро. Проверьте себя: испарение идёт с поверхности даже у холодной воды.
Ошибка: утверждать, что при кипении температура обязательно растёт. Это происходит из-за смешения нагревания жидкости с переходом в пар. Проверьте условие: при постоянном давлении температура кипящей жидкости не изменяется.
Ошибка: считать парообразование и испарение одним процессом. Испарение является только одним видом парообразования, второй вид — кипение. Проверьте, происходит ли переход в пар на поверхности или во всём объёме.
Ошибка: считать конденсацию поглощением теплоты. Ошибку вызывают неверное применение правила о парообразовании к обратному процессу. При конденсации молекулы сближаются и выделяют энергию.
Для понимания темы нужны представления о строении вещества, движении и взаимодействии молекул. Температура связана со средней кинетической энергией частиц: при нагревании их движение в среднем становится более быстрым.
Процессы парообразования и конденсации связаны с теплопередачей, а также с плавлением и отвердеванием. Во всех этих переходах энергия либо поглощается веществом, либо выделяется при возвращении к более связанному состоянию.
Знания применяются для объяснения работы холодильников, сушки веществ и образования облаков. Изменение температуры кипения при изменении давления используют в скороварке, где повышенное давление позволяет готовить пищу при более высокой температуре.
Почему жидкость испаряется, если она не нагрета до кипения?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Даже при невысокой температуре некоторые из них достаточно быстры, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и уйти с поверхности.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
С поверхности улетают преимущественно самые быстрые молекулы. Оставшиеся частицы в среднем движутся медленнее, поэтому внутренняя энергия и температура жидкости уменьшаются.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности и при любой температуре. Кипение начинается при определённой температуре, пузырьки пара образуются во всём объёме жидкости.
Почему температура кипения изменяется с высотой над уровнем моря?
С высотой атмосферное давление обычно уменьшается. Поэтому давление пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением раньше, и жидкость закипает при более низкой температуре.
Почему на холодном стекле появляются капли воды?
В воздухе всегда содержится водяной пар. При соприкосновении с холодным стеклом он охлаждается и конденсируется, то есть превращается в жидкую воду.
§ 34. Испарение. Кипение. Конденсация пара
