"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Жидкость и её пар в закрытом сосуде могут находиться в динамическом равновесии: молекулы непрерывно испаряются и конденсируются, но среднее количество пара не меняется. Такое состояние называют равновесием между жидкостью и паром, а пар — насыщенным. Главная характеристика системы — давление насыщенного пара: оно определяется температурой и родом жидкости. Понимание этой зависимости помогает объяснить кипение, влажность воздуха и образование облаков.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью при данной температуре. Это означает, что испарение и конденсация взаимно компенсируют друг друга. Понятие нужно, чтобы описывать предельное состояние пара над жидкостью.
Динамическое равновесие — состояние, при котором скорости испарения и конденсации равны, хотя оба процесса продолжаются. Отдельные молекулы постоянно меняют состояние, но среднее количество жидкости и пара не изменяется. Благодаря этому равновесие отличается от полного прекращения движения.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью. Оно зависит от температуры и рода жидкости, но при наличии обеих фаз не зависит от объёма сосуда. Эта величина позволяет определить, начнётся ли кипение.
Испарение и конденсация — взаимно обратные переходы молекул: с поверхности жидкости в пар и обратно. Испарение уменьшает количество жидкости, а конденсация его увеличивает. Сравнение скоростей этих процессов показывает, устанавливается ли равновесие.
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями и постоянно сталкиваются друг с другом. Самые быстрые молекулы имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседей и покинуть поверхность. Поэтому испарение возможно при любой температуре, хотя при нагревании оно обычно ускоряется.
В открытом сосуде молекулы пара рассеиваются в окружающем пространстве, а в закрытом остаются над жидкостью. Часть из них при движении возвращается к поверхности и захватывается межмолекулярным притяжением. Так возникает конденсация, и она идёт одновременно с испарением.
Сначала пара над жидкостью мало, поэтому молекул, возвращающихся обратно, немного. По мере накопления пара растёт число его столкновений с поверхностью, а значит, увеличивается скорость конденсации. Наконец она сравнивается со скоростью испарения, и устанавливается равновесие.
Равновесие называют динамическим, потому что движение молекул не прекращается. Одни молекулы покидают жидкость, другие в тот же момент возвращаются в неё. Неизменным остаётся только средний состав системы, а не состояние каждой отдельной молекулы.
При постоянной температуре равновесное давление определяется тем, сколько молекул пара нужно для компенсации испарения конденсацией. Если изменить объём сосуда, часть пара сконденсируется или, наоборот, дополнительное количество жидкости испарится, пока прежнее давление не восстановится. При повышении температуры быстрых молекул становится больше, поэтому давление насыщенного пара возрастает.
Кипение отличается от обычного испарения тем, что пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости. Оно начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. Поэтому изменение внешнего давления меняет температуру кипения.
| Состояние | Соотношение скоростей процессов | Что происходит с количеством пара | Давление пара |
|---|---|---|---|
| Испарение преобладает | Скорость испарения больше скорости конденсации | Увеличивается | Меньше давления насыщенного пара при данной температуре |
| Динамическое равновесие | Скорости испарения и конденсации равны | В среднем не изменяется | Равно давлению насыщенного пара |
| Конденсация преобладает | Скорость конденсации больше скорости испарения | Уменьшается | Понижается до давления насыщенного пара |
Сначала определите, какое из двух процессов идёт быстрее. Затем по третьему столбцу установите, растёт или уменьшается количество пара, а по последнему — как меняется его давление. Равновесию соответствует только средняя неизменность количества пара, а не остановка молекулярного движения.
В закрытом сосуде давление водяного пара меньше давления насыщенного пара при той же температуре. Требуется определить преобладающий процесс и изменение давления. Сравнение давлений показывает, насколько система удалена от равновесия.
Ответ: преобладает испарение; давление пара увеличивается до давления насыщенного пара.
Найти массу насыщенного водяного пара объёмом V = 0,50 м³ при T = 27 °C и p = 3,6 кПа. Молярная масса воды M = 18 г/моль. Используем модель идеального газа, поскольку нужно связать давление, объём, температуру и количество вещества.
Ответ: масса насыщенного пара примерно 0,013 кг, или 13 г.
В открытом сосуде вода нагревается при внешнем давлении 60 кПа. По графику нужно найти температуру начала кипения. Начало кипения соответствует равенству давления насыщенного пара внешнему давлению.
Ответ: вода начнёт кипеть приблизительно при 86 °C.
Насыщенный пар якобы больше не испаряется. Ошибка возникает из-за слова «насыщенный», которое ошибочно связывают с остановкой процесса. Проверьте себя: при равновесии испарение продолжается, но его скорость равна скорости конденсации.
Давление насыщенного пара зависит от объёма сосуда. Так рассуждают, применяя формулу газа без учёта присутствия жидкости. Если жидкость и пар есть одновременно, изменение объёма вызывает испарение или конденсацию до восстановления равновесного давления.
Давление насыщенного пара принимают за общее давление газа. Над жидкостью могут находиться воздух и другие газы, поэтому общее давление складывается из парциальных давлений. Уточните, о каком именно газе говорится в условии.
Вода всегда кипит при 100 °C. Значение 100 °C относится примерно к нормальному атмосферному давлению. Для проверки сравните давление насыщенного пара с внешним: при меньшем внешнем давлении кипение начинается при более низкой температуре.
Для понимания равновесия нужны знания о молекулярно-кинетическом объяснении испарения и конденсации, а также о давлении газа. При расчётах массы пара применяется уравнение состояния идеального газа. Тема продолжает изучение кипения и помогает объяснить влажность воздуха, образование облаков и влияние давления на температуру кипения.
Почему насыщенный пар продолжает испаряться и конденсироваться?
Насыщенный пар находится в динамическом равновесии: испарение и конденсация идут одновременно. Их скорости равны, поэтому количество пара в среднем остаётся постоянным.
Чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного?
В насыщенном паре при данной температуре установилось равновесие с жидкостью, и его давление максимально для этих условий. В ненасыщенном паре испарение преобладает над конденсацией, поэтому давление может увеличиваться.
Почему давление насыщенного пара растёт при нагревании?
При повышении температуры молекулы движутся быстрее, и большее их число может покинуть поверхность жидкости. Поэтому в равновесии в паре находится больше молекул, а его давление возрастает.
Почему при наличии жидкости давление насыщенного пара не зависит от объёма сосуда?
При постоянной температуре жидкость испаряется или конденсируется до тех пор, пока не установится одно и то же равновесное давление. Изменение объёма меняет количество пара, необходимое для равновесия, но не само давление.
Почему вода кипит при разных температурах на уровне моря и в горах?
Кипение начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. В горах внешнее давление ниже, поэтому это равенство достигается при температуре ниже 100 °C.
§ 6.2. Равновесие между жидкостью и паром
