§ 34. Испарение и конденсация

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости. При этом молекулы покидают жидкость и становятся частью окружающего газа. Испарение может идти при любой температуре, а не только при нагревании до кипения. Это понятие помогает объяснить высыхание луж и белья.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Так, водяной пар в воздухе может превратиться в капли на холодном стекле. Конденсация происходит, когда молекулы пара теряют достаточно энергии, чтобы притяжение соседних молекул удержало их вместе. Это понятие нужно, чтобы понимать образование росы и облаков.

Скорость испарения — количество жидкости, испаряющееся за определённое время. Она показывает, насколько быстро жидкость переходит в газ, и зависит от температуры, площади поверхности, рода жидкости и движения воздуха. Чем выше температура и больше открытая поверхность, тем быстрее испарение. Движение воздуха уносит пар от жидкости и тоже ускоряет процесс.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, когда испарение и конденсация происходят с одинаковой скоростью. Динамическое равновесие означает, что оба процесса продолжаются, но количество молекул, уходящих из жидкости и возвращающихся в неё за одинаковое время, совпадает. Это определение объясняет, почему в закрытом сосуде количество жидкости может не меняться, хотя молекулы всё время движутся.

Как это устроено

В жидкости молекулы непрерывно движутся и сталкиваются друг с другом. Их скорости неодинаковы: одни движутся медленнее, другие быстрее. Если быстрая молекула оказывается у поверхности, её энергии может хватить, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул. Тогда она покидает жидкость, а испарение происходит именно с поверхности: молекулы внутри окружены соседями со всех сторон.

При испарении чаще уходят молекулы с большей энергией движения. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, а температура связана со средней энергией их движения. Поэтому жидкость охлаждается. Теплота, необходимая для испарения, поступает из самой жидкости и окружающих предметов: из-за этого прохладнее может стать и предмет, с которого испаряется жидкость, например кожа после купания.

Нагревание ускоряет испарение, потому что молекулы движутся быстрее и большая их доля способна покинуть поверхность. Чем больше площадь поверхности, тем больше молекул одновременно находится на границе жидкости с воздухом. Движение воздуха уносит уже испарившиеся молекулы и уменьшает количество пара рядом с жидкостью. Поэтому новые молекулы могут легче переходить в газ, а испарение идёт быстрее.

Разные жидкости испаряются с разной скоростью даже при одинаковых условиях. Причина в том, что молекулы веществ притягиваются друг к другу неодинаково. Если для выхода с поверхности молекуле нужно преодолеть более сильное притяжение, она испаряется труднее; при более слабом притяжении — легче. Поэтому скорость зависит не только от нагревания и ветра, но и от того, какая именно жидкость испаряется.

Молекулы пара движутся беспорядочно, и часть из них возвращается в жидкость — это конденсация. В закрытом сосуде по мере накопления пара таких возвращений становится больше. Когда за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько возвращается, устанавливается динамическое равновесие и пар называют насыщенным. Охлаждение пара или соприкосновение с холодной поверхностью способствует тому, что молекулы теряют энергию и конденсируются.

Сравнение испарения и конденсации

Сначала сравните направление перехода: жидкость превращается в газ при испарении, а газ — в жидкость при конденсации. Затем посмотрите, где происходит процесс и как он связан с теплотой. По примерам можно определить, какое явление наблюдается в повседневной ситуации.

Разбор задач

Задача 1. Почему мокрая одежда быстрее высыхает на ветру и в расправленном виде? Нужно сравнить условия испарения у одежды, которая висит на ветру, и у скомканной одежды в неподвижном воздухе. Числовых данных нет, поэтому достаточно проследить, как меняются площадь поверхности и движение воздуха. Затем применим эти условия к скорости испарения.

1. Расправленная одежда имеет большую площадь, соприкасающуюся с воздухом.
2. Ветер уносит водяной пар от ткани, поэтому возле неё не накапливается много пара.
3. При большей площади и движении воздуха вода испаряется быстрее.

Ответ: расправленная мокрая одежда на ветру высыхает быстрее, потому что вода имеет большую открытую поверхность, а воздух уносит образующийся пар.

Задача 2. Почему после выхода из воды человеку становится холодно, особенно при ветре? На коже остаётся вода, которая испаряется. Нужно определить, откуда берётся теплота для этого процесса и что ветер делает с водяным паром у кожи. Так можно объяснить и охлаждение, и усиление ощущения холода.

1. При испарении вода поглощает теплоту, в том числе от кожи.
2. Кожу покидают быстрые молекулы воды; испарение охлаждает поверхность.
3. Ветер уносит пар от кожи и ускоряет испарение оставшейся воды.

Ответ: испаряясь, вода отбирает теплоту у кожи. Ветер ускоряет испарение, поэтому охлаждение становится заметнее.

Задача 3. Холодный стакан с водой покрылся каплями снаружи, хотя вода через стенки стакана не проходит. Откуда взялись капли? Важно определить, какая жидкость появилась на наружной поверхности и что могло перейти в неё. Сравним температуру поверхности с температурой окружающего воздуха.

1. Воздух вокруг стакана содержит водяной пар.
2. При соприкосновении с холодной поверхностью пар охлаждается.
3. Часть молекул пара конденсируется и образует капли снаружи стакана.

Ответ: капли образовались из водяного пара окружающего воздуха при конденсации на холодной поверхности. Вода внутри стакана не просачивалась сквозь его стенки.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение идёт во всём объёме жидкости. Её допускают, потому что молекулы движутся во всей жидкости, но покинуть её могут те, что находятся у поверхности. Проверьте себя: пузырьки внутри жидкости характерны для кипения, а обычное испарение происходит на границе с воздухом.

Ошибка: утверждать, что испарение нагревает жидкость. Поскольку жидкость покидают преимущественно быстрые молекулы, её оставшаяся часть охлаждается, а теплота поглощается. Ошибка возникает, если перепутать испарение с выделением тепла. Проверка простая: после выхода из воды мокрая кожа обычно ощущается прохладной.

Ошибка: путать испарение с кипением. Испарение возможно при любой температуре и идёт с поверхности, тогда как кипение охватывает весь объём жидкости и происходит при определённой температуре. Эти процессы похожи тем, что жидкость превращается в газ, поэтому их легко смешать. Чтобы проверить себя, спросите, образуются ли пузырьки пара во всём объёме.

Ошибка: считать, что капли на холодном предмете просачиваются изнутри. Обычно поверхность покрывает вода, появившаяся из водяного пара в воздухе; на холодном предмете пар конденсируется. Такое заблуждение возникает, если не учитывать влагу в воздухе. Проверьте, сух ли предмет снаружи до охлаждения: на его поверхности могли бы появиться капли и без воды внутри, например на холодном стакане.

Связь с другими темами

Для понимания испарения и конденсации нужны знания об агрегатных состояниях вещества, движении и взаимодействии молекул, а также о передаче теплоты. Эти процессы помогают объяснить кипение, влажность воздуха, образование облаков и осадков. Испарение объясняет охлаждение тела, а переходы жидкости в пар и обратно используют в холодильных установках. Знание испарения также помогает понять, как сушат вещества.

Что запомнить

• Испарение — переход жидкости в газ с её поверхности.
• При испарении жидкость охлаждается, потому что её покидают наиболее быстрые молекулы.
• Скорость испарения возрастает с повышением температуры и увеличением площади поверхности.
• Движение воздуха ускоряет испарение.
• Конденсация — переход пара в жидкость.
• При конденсации выделяется теплота.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.