"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Испарение и конденсация — взаимные переходы вещества между жидким и газообразным состояниями. Испарение идёт с поверхности жидкости при любой температуре, а конденсация превращает пар обратно в жидкость. Эти процессы объясняются движением молекул: самые быстрые частицы покидают жидкость, а при возвращении передают ей энергию. В закрытом сосуде устанавливается динамическое равновесие, а давление насыщенного пара растёт с температурой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. Оно объясняет, почему лужа высыхает не только в жару, но и в прохладную погоду.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Так образуются капли на холодном стекле: молекулы пара теряют часть энергии и сближаются.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью при данной температуре. Это не «самый плотный» пар вообще, а состояние, в котором при конкретной температуре больше пара над жидкостью накопиться не может.
Динамическое равновесие — состояние, при котором число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, равно числу молекул пара, возвращающихся в неё. Оно нужно, чтобы описать неизменное в среднем количество жидкости и пара, хотя движение молекул не прекращается.
Молекулы жидкости непрерывно и хаотически движутся, но их скорости различны. У поверхности иногда оказывается частица с большой кинетической энергией; если её энергии хватает для преодоления притяжения соседних молекул, она улетает в пространство над жидкостью. Поэтому испарение возможно при любой температуре, хотя при нагревании таких быстрых молекул становится больше.
Покидают жидкость главным образом самые быстрые молекулы, поэтому среди оставшихся частиц уменьшается доля молекул с большой энергией. Средняя кинетическая энергия движения частиц и внутренняя энергия жидкости снижаются. Если тепло не поступает от окружающей среды, температура жидкости падает: это и есть охлаждение при испарении.
Молекулы пара тоже движутся хаотически и сталкиваются с поверхностью жидкости. При столкновении часть из них может попасть под действие притяжения соседних частиц и остаться в жидкости. Во время конденсации молекулы переходят в более связанное состояние, а избыток их энергии передаётся жидкости и окружающим телам.
В открытом пространстве испарившиеся молекулы уносятся от поверхности, поэтому обратный процесс обычно не успевает уравновесить испарение. В закрытом сосуде пар постепенно накапливается. Чем больше его молекул, тем чаще они сталкиваются с жидкостью, поэтому скорость конденсации растёт.
Через некоторое время число молекул, покидающих жидкость за секунду, становится равным числу возвращающихся молекул. Устанавливается динамическое равновесие, а пар становится насыщенным. Если повысить температуру, молекулы будут двигаться быстрее и большее их число сможет находиться в паре, поэтому возрастут равновесная концентрация молекул и давление насыщенного пара.
| Свойство | Испарение | Конденсация |
|---|---|---|
| Направление перехода | Из жидкого состояния в газообразное | Из газообразного состояния в жидкое |
| Где происходит | На поверхности жидкости | В объёме пара и у поверхности жидкости |
| Как меняется внутренняя энергия вещества | Уменьшается у оставшейся жидкости, если нет подвода энергии | Передаётся жидкости и окружающим телам |
| Условия и роль температуры | Возможно при любой температуре; нагревание ускоряет процесс | Происходит при охлаждении пара или его контакте с холодной поверхностью |
| Связь с движением молекул | Уходят преимущественно наиболее быстрые молекулы | Молекулы пара возвращаются в жидкость и теряют часть энергии |
Таблица помогает сравнить процессы по одному и тому же набору признаков. При решении задачи сначала определите направление перехода и место его протекания, затем свяжите наблюдаемое изменение температуры или энергии с движением молекул.
Условие: объяснить, почему вода в открытом блюдце постепенно исчезает даже при комнатной температуре. Нужно установить, какой процесс происходит и почему он не прекращается.
Ответ: вода исчезает из-за испарения с поверхности. Процесс идёт при комнатной температуре, потому что часть молекул достаточно быстры, а пар постоянно удаляется от жидкости.
Условие: объяснить, почему мокрая ткань сохнет на ветру быстрее, чем в неподвижном воздухе. Сравним условия испарения у поверхности ткани.
Ответ: ветер ускоряет высыхание, потому что удаляет водяной пар от поверхности ткани и не даёт ему быстро накопиться.
Условие: в закрытом сосуде с водой при постоянной температуре сначала количество пара увеличивается, а затем перестаёт изменяться. Требуется объяснить смену режимов.
Ответ: сначала испарение опережает конденсацию, а затем между ними устанавливается динамическое равновесие. Пар в таком состоянии является насыщенным.
Ошибка 1. Считать, что испарение возможно только при кипении. Так думают, потому что оба процесса связаны с образованием пара, но испарение идёт с поверхности при любой температуре. Проверка проста: лужа высыхает без кипения.
Ошибка 2. Путать испарение с кипением. При испарении переход происходит на поверхности, а при кипении пар образуется во всём объёме жидкости. Спросите себя, возникают ли пузырьки внутри жидкости: если нет, речь, скорее всего, об испарении.
Ошибка 3. Утверждать, что при динамическом равновесии молекулы перестают двигаться. Равны не движения отдельных частиц, а скорости двух встречных процессов. Проверьте формулировку: испарение и конденсация продолжаются одновременно.
Ошибка 4. Считать, что давление насыщенного пара определяется только объёмом сосуда. При наличии жидкости и постоянной температуре оно прежде всего задаётся температурой, а лишний объём лишь позволяет пару разместиться. Для проверки уточните, сохраняется ли жидкость в сосуде.
Для объяснения испарения нужно знать, что молекулы жидкости движутся хаотически и имеют разные скорости. Именно распределение скоростей позволяет быстрым частицам покидать поверхность.
Насыщенный пар связан с влажностью воздуха и атмосферными явлениями. Сравнение фактического количества водяного пара с насыщенным помогает описывать влажность и образование облаков.
Испарение и конденсация относятся к тепловым процессам. Эти представления пригодятся при изучении кипения, парообразования, охлаждения тел и работы тепловых установок.
Почему испарение происходит и при низкой температуре?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями даже при низкой температуре. Некоторые из них имеют достаточно большую энергию, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть поверхность.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
С поверхности преимущественно уходят наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя энергия оставшихся частиц уменьшается. Если энергия извне не поступает, это проявляется как охлаждение жидкости.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт по всему объёму жидкости при определённой для данных условий температуре, когда внутри образуются пузырьки пара.
Что означает динамическое равновесие между жидкостью и паром?
Это состояние, при котором за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько возвращается из пара. Оба процесса продолжаются, но количество жидкости и пара в среднем не меняется.
От чего зависит давление насыщенного пара?
При наличии жидкости давление насыщенного пара прежде всего зависит от температуры. При её повышении молекулы движутся быстрее, равновесная концентрация пара увеличивается, поэтому растёт и его давление.
§ 21. Испарение и конденсация
