"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Испарение и конденсация — противоположные переходы между жидким и газообразным состояниями вещества. Испарение происходит с поверхности жидкости и возможно даже тогда, когда она далека от кипения: отдельные молекулы покидают её, унося энергию. Поэтому жидкость охлаждается. Пар может снова превращаться в жидкость — это конденсация. Чтобы объяснить высыхание луж, прохладу от испаряющейся воды и появление капель, нужно знать, как движутся молекулы и от чего зависят скорости этих процессов.
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. Оно возможно при любой температуре, а не только при кипении: молекулы у поверхности могут покинуть жидкость и без нагревания до точки кипения. Это понятие помогает объяснить, например, почему высыхают лужи и мокрая одежда.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Молекулы пара при этом возвращаются в жидкость, сближаясь с её молекулами. Так объясняются капли воды, появляющиеся на холодной поверхности, если рядом есть водяной пар.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью в закрытом сосуде. Это значит, что пар уже не просто накапливается: часть его молекул возвращается обратно. Понятие нужно, чтобы описывать состояние системы, в которой одновременно есть жидкость и её пар.
Динамическое равновесие — состояние, при котором число молекул, покидающих жидкость, в среднем равно числу молекул, возвращающихся в неё. Речь идёт о равенстве скоростей двух процессов, а не об остановке движения молекул. Это помогает понять, почему в закрытом сосуде количество жидкости и пара может оставаться почти постоянным.
Молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся, но скорости у них неодинаковы: одни движутся медленнее, другие быстрее. На молекулы у поверхности действуют соседние частицы, притягивая их внутрь жидкости. Если молекула движется достаточно быстро, её энергии хватает, чтобы преодолеть это притяжение и вылететь наружу. Так начинается испарение, а молекула становится частью пара над поверхностью.
Из жидкости чаще уходят быстрые молекулы, потому что именно им легче преодолеть притяжение соседей. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, то есть их средняя кинетическая энергия — энергия движения — уменьшается. Температура связана со средней кинетической энергией движения молекул, поэтому жидкость охлаждается. Этот эффект особенно заметен, когда испарение идёт быстро и тепло не успевает поступать извне.
Чем выше температура, тем быстрее в среднем движутся молекулы и тем больше среди них тех, кто может покинуть жидкость за одно и то же время. Большая свободная поверхность даёт больше мест, откуда молекулы могут вылететь. Движущийся воздух уносит пар от поверхности, поэтому молекулам легче продолжать уходить, чем в неподвижном воздухе, где пар скапливается рядом. Кроме этих условий, на скорость влияет то, насколько сильно молекулы притягиваются в конкретной жидкости.
Молекулы пара тоже движутся беспорядочно и сталкиваются с жидкостью. При столкновении некоторые из них могут задержаться среди молекул жидкости и стать её частью — это и есть конденсация. При охлаждении пара его молекулы в среднем движутся медленнее, и переход в жидкость происходит легче. Поэтому на холодных поверхностях водяной пар часто превращается в капли.
В закрытом сосуде сначала испарение обычно идёт быстрее конденсации: пара над жидкостью мало, и обратно возвращается небольшое число молекул. По мере накопления пара всё больше его молекул сталкивается с поверхностью и конденсируется. В конце концов за одинаковое время жидкость покидает столько же молекул, сколько возвращается. Устанавливается динамическое равновесие: оба процесса продолжаются, но количества жидкости и пара в среднем уже не меняются.
| Свойство | Испарение | Конденсация |
|---|---|---|
| Направление перехода | Из жидкости в пар | Из газа в жидкость |
| Где происходит | С свободной поверхности жидкости | В объёме газа, когда его молекулы возвращаются в жидкость |
| Как движутся молекулы | Быстрые молекулы покидают жидкость | Молекулы пара присоединяются к жидкости |
| Энергетический эффект для жидкости | Жидкость охлаждается, если не получает достаточно энергии извне | При переходе пара в жидкость энергия выделяется |
| Условия, влияющие на интенсивность | Температура, площадь поверхности, движение воздуха, свойства жидкости | Температура пара и условия, при которых молекулы сталкиваются с жидкостью |
Сначала сравните направление перехода: это самый быстрый способ не перепутать процессы. Затем найдите, какие молекулы движутся и что происходит с жидкостью. Последняя строка помогает определить, какие изменения условий ускорят или замедлят процесс.
Нужно сравнить испарение воды в двух случаях: воздух около ткани движется или остаётся неподвижным. Сама ткань не обязательно становится теплее, поэтому ищем различие именно в удалении водяного пара от поверхности. Чем меньше пара задерживается рядом, тем легче воде продолжать испаряться.
Ответ: ветер уносит водяной пар от ткани, поэтому вода испаряется быстрее.
Рассмотрим, что происходит с молекулами воды на коже. Они имеют разные скорости, и для ухода с поверхности им нужно преодолеть притяжение соседних молекул. Значит, важно выяснить, какие частицы чаще покидают воду и как это влияет на оставшуюся жидкость.
Ответ: испаряющаяся вода уносит энергию, поэтому кожа охлаждается.
Сначала в сосуде есть жидкая вода и мало водяного пара над ней. Испарение начинается сразу, но сосуд закрыт, поэтому пар не может уйти наружу. Нужно проследить, как меняются два встречных процесса по мере накопления пара.
Ответ: в закрытом сосуде устанавливается динамическое равновесие между водой и её паром.
Ошибка — считать, что испарение происходит только при кипении. Так думают, потому что кипение заметнее: во всей жидкости образуются пузырьки, а испарение поверхности может быть незаметным. Проверьте себя на примере лужи: она высыхает и в обычный тёплый день, когда вода не кипит. Значит, испарение возможно при любой температуре.
Ошибка — утверждать, что при испарении жидкость нагревается, потому что молекулы получают энергию. Отдельные молекулы действительно должны иметь достаточно энергии для ухода, но чаще уходят самые быстрые, а не вся жидкость разом «получает» энергию. Проверьте объяснение вопросом: какие молекулы остались? Если их средняя скорость уменьшилась, жидкость охлаждается.
Ошибка — путать испарение и конденсацию, меняя местами направления переходов. Это легко случается, если помнить только, что в обоих случаях встречаются жидкость и пар. Проверьте себя цепочкой: жидкость превращается в пар — испарение; пар превращается в жидкость — конденсация. Направление процесса должно быть названо явно.
Ошибка — думать, что при динамическом равновесии молекулы перестают испаряться и конденсироваться. Кажется, что раз количество жидкости и пара не меняется, то переходы остановились. Но постоянными остаются количества, а не движение молекул. Проверьте себя: в равновесии скорости процессов равны, и оба продолжаются.
Чтобы объяснить испарение и конденсацию, нужно знать, что молекулы непрерывно движутся, взаимодействуют и образуют разные агрегатные состояния вещества. Эти представления показывают, почему частицы могут покидать жидкость и возвращаться в неё. Дальше они пригодятся при изучении кипения, влажности воздуха, круговорота воды в природе и тепловых процессов. Так микроскопическое движение молекул связывается с явлениями, которые можно наблюдать вокруг.
Почему лужи высыхают, даже если вода не кипит?
При любой температуре часть молекул у поверхности воды движется достаточно быстро, чтобы покинуть жидкость. Они переходят в пар, поэтому лужа постепенно уменьшается, хотя кипения нет.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
Жидкость покидают прежде всего наиболее быстрые молекулы. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а вместе с ней снижается температура жидкости.
От чего зависит скорость испарения?
Она обычно растёт при повышении температуры и увеличении площади свободной поверхности. Движение воздуха уносит пар от жидкости и тоже ускоряет испарение; значение имеют и свойства самой жидкости.
Чем конденсация отличается от испарения?
При испарении вещество переходит из жидкости в пар с её свободной поверхности. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкое состояние.
Что происходит с молекулами при динамическом равновесии?
Молекулы продолжают покидать жидкость и возвращаться из пара. В среднем за одинаковое время в обоих направлениях переходит одинаковое число молекул, поэтому количества жидкости и пара заметно не меняются.
§ 28. Испарение и конденсация
