"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Жидкость и пар — два состояния одного вещества, между которыми постоянно возможны переходы. Молекулы жидкости движутся и могут покидать её поверхность, превращаясь в пар, а при потере энергии возвращаются обратно. Так объясняются испарение, конденсация и кипение. Главное — различать поверхностное испарение и кипение во всём объёме, а также понимать роль температуры, давления и движения молекул.
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 с поверхности жидкости. Оно происходит при любой температуре, потому что молекулы движутся с разными скоростями, и часть из них может преодолеть притяжение соседей. Это понятие нужно, чтобы объяснить высыхание, охлаждение и образование пара.
Конденсация — переход вещества из пара в жидкость при потере молекулами энергии или при увеличении плотности пара. Более медленные молекулы легче удерживаются притяжением жидкости и возвращаются в неё. Так возникают капли воды, роса и облака.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. В нём испарение и конденсация продолжаются, но в среднем компенсируют друг друга. При данной температуре давление такого пара максимально, поскольку дальнейшее добавление молекул приводит к их конденсации.
Кипение — интенсивное парообразование во всём объёме жидкости, когда давление насыщенного пара равно внешнему давлению. Пузырьки пара при этом могут существовать внутри жидкости и подниматься к поверхности. Определение позволяет отличить кипение от обычного испарения.
На поверхности жидкости молекулы постоянно движутся и сталкиваются друг с другом. Наиболее быстрые из них имеют большую кинетическую энергию и могут преодолеть силы притяжения, удерживающие их в жидкости. Поэтому с поверхности вылетают преимущественно быстрые молекулы, а средняя энергия оставшихся уменьшается, что вызывает охлаждение жидкости.
Одновременно с испарением идёт обратный процесс — конденсация: молекулы пара сталкиваются с поверхностью и иногда удерживаются ею. В открытом сосуде пар уносится, поэтому конденсация обычно не компенсирует испарение. В закрытом сосуде молекул пара становится всё больше, конденсация ускоряется и в конце концов сравнивается с испарением, устанавливая динамическое равновесие.
При постоянной температуре насыщенный пар имеет определённую плотность и давление. Если объём сосуда увеличить, часть жидкости испарится и заполнит дополнительное пространство; если уменьшить, часть пара сконденсируется. Поэтому при наличии жидкости давление и плотность насыщенного пара зависят от температуры и свойств вещества, но не от объёма сосуда.
Нагревание увеличивает долю быстрых молекул и их способность покидать жидкость. Большая площадь поверхности даёт большему числу молекул возможность вылететь одновременно, движение воздуха уносит пар, а сухой воздух принимает его легче. Поэтому испарение ускоряется при повышении температуры, увеличении площади, ветре и уменьшении влажности.
При нагревании давление насыщенного пара растёт, и в жидкости появляются пузырьки пара. Они не схлопываются, когда давление пара внутри становится не меньше внешнего давления, поэтому начинают расти и подниматься. Так кипение начинается при равенстве давления насыщенного пара внешнему давлению, а при большем внешнем давлении для кипения нужна более высокая температура.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит процесс | Только на поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости и на поверхности |
| При каких температурах происходит | При любой температуре | При определённой температуре кипения |
| Участие пузырьков пара | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Образуются и растут пузырьки пара |
| Влияние на температуру жидкости | Обычно вызывает охлаждение | При постоянном давлении температура остаётся близкой к температуре кипения |
| Условие прекращения или начала процесса | Замедляется при насыщении воздуха паром и прекращается в равновесии | Начинается при равенстве давления насыщенного пара внешнему давлению |
| Зависимость от внешнего давления | Влияет главным образом на удаление пара и скорость процесса | Определяет температуру кипения |
Таблицу удобно использовать, сравнивая сначала место и механизм процесса, а затем его температурные условия. Если вещество покидает только поверхность без пузырьков, это испарение. Если пар образуется внутри жидкости и его давление сравнивается с внешним, наблюдается кипение.
Задача 1. Мокрая одежда быстрее высыхает на ветру и медленнее — во влажном закрытом помещении. Нужно объяснить это с точки зрения движения молекул пара и условий испарения. Важно сравнить не только температуру, но и возможность удаления пара от ткани.
Ответ: на ветру одежда сохнет быстрее из-за постоянного удаления пара, а во влажном закрытом помещении — медленнее из-за малой разности концентраций пара.
Задача 2. Давление насыщенного пара воды при некоторой температуре равно 80 кПа, а внешнее давление — 100 кПа. Начнётся ли кипение? Нужно проверить условие образования устойчивых пузырьков.
Ответ: при данных условиях кипение не начнётся. Оно станет возможным после нагревания воды до температуры, при которой давление насыщенного пара достигнет 100 кПа.
Задача 3. В закрытом сосуде при постоянной температуре часть жидкости испарилась. Как изменятся давление пара и количество жидкости после установления равновесия? Рассуждаем с учётом того, что жидкость в сосуде сохранилась.
Ответ: после равновесия давление пара будет насыщенным и определится температурой, а количество жидкости уменьшится по сравнению с начальным, но не исчезнет полностью.
Испарение возможно только при температуре кипения. Так считают, смешивая поверхностное парообразование с кипением. Проверка проста: лужа и одежда высыхают при комнатной температуре, значит испарение не требует кипения.
При испарении температура жидкости повышается. Ошибка возникает из-за представления, будто уход молекул не меняет энергию жидкости. Нужно вспомнить: уходят наиболее быстрые молекулы, поэтому оставшаяся жидкость охлаждается, если тепло не подводится.
Насыщенный пар — это любой пар большой плотности. Насыщенность определяется не произвольным количеством молекул, а равновесием с жидкостью при данной температуре. Если рядом нет жидкости или равновесие ещё не установилось, пар может быть ненасыщенным.
Повышение внешнего давления повышает давление насыщенного пара. Здесь путают два разных давления: давление насыщенного пара задаётся температурой и веществом, а внешнее давление влияет прежде всего на температуру кипения. Проверяйте, о каком давлении говорится в условии.
Для понимания темы нужны представления о строении вещества, тепловом движении молекул, распределении молекул по скоростям, давлении газа и внутренней энергии. Эти знания объясняют, почему отдельные молекулы покидают жидкость и как меняется её температура.
Дальше понятия насыщенного пара и конденсации понадобятся при изучении влажности воздуха, холодильных установок, тепловых двигателей и других фазовых переходов. Они связывают микроскопическое движение молекул с измеряемыми давлением и температурой.
В быту тема проявляется в работе скороварки, охлаждении при испарении, образовании росы и облаков. Скороварка повышает давление и температуру кипения, а роса и облака возникают при конденсации водяного пара.
Почему испарение происходит даже при комнатной температуре?
Молекулы жидкости имеют разные скорости, и среди них всегда есть достаточно быстрые, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть поверхность. Поэтому испарение возможно при любой температуре, хотя его скорость меняется.
Почему жидкость охлаждается при испарении?
С поверхности преимущественно вылетают наиболее быстрые молекулы, то есть молекулы с большей энергией. Средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, поэтому жидкость охлаждается, если тепло извне не компенсирует потери.
Чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного?
Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью: число испаряющихся молекул в среднем равно числу возвращающихся. Ненасыщенный пар может принять ещё некоторое количество вещества при той же температуре.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Поэтому равенство давления насыщенного пара внешнему давлению достигается при более низкой температуре.
Почему кипение происходит во всём объёме жидкости, а испарение — только с поверхности?
При испарении жидкость покидают отдельные быстрые молекулы с поверхности. При кипении внутри жидкости возникают пузырьки пара, которые растут и поднимаются, поэтому парообразование идёт по всему объёму.
11. Жидкость и пар
