"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Конденсация — переход пара в жидкость, который происходит, когда условия перестают поддерживать газообразное состояние вещества. Она объясняет появление росы и облаков, а также лежит в основе работы холодильных установок. Для понимания процесса нужно знать, как пар обменивается молекулами с жидкостью, что означает насыщение и почему давление насыщенного пара зависит от температуры. При конденсации пар отдаёт энергию, а его давление при охлаждении уменьшается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при отводе энергии или изменении условий. Например, водяной пар превращается в капли на охлаждённом стекле. Это понятие помогает определить направление фазового перехода и понять, почему после него пар отдаёт энергию.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это не означает, что молекулы остановились: они продолжают переходить из жидкости в пар и обратно. Понятие нужно, чтобы описывать состояние, в котором количества испаряющегося и конденсирующегося вещества в среднем не меняются.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, и зависящее от температуры и рода вещества. Для воды при разных температурах это давление различно. Оно позволяет определить, станет ли пар насыщенным при охлаждении или увеличении его плотности.
Динамическое равновесие — состояние, при котором скорости испарения и конденсации равны, хотя оба процесса продолжаются. Поэтому количество жидкости и пара остаётся постоянным, если внешние условия не меняются. Этот термин нужен, чтобы отличать равновесие от остановки движения молекул.
Молекулы пара движутся беспорядочно и сталкиваются с поверхностью жидкости. Некоторые из них оказываются достаточно близко к жидкости и под действием притяжения между молекулами остаются в ней. Так происходит конденсация: пар теряет молекулы, которые переходят в жидкость.
В закрытом сосуде сначала испарение может идти быстрее конденсации: молекул пара становится больше, и они чаще возвращаются в жидкость. По мере роста количества пара увеличивается число столкновений с поверхностью, а значит, возрастает скорость конденсации. Когда за одинаковое время число перешедших в пар молекул сравняется с числом вернувшихся, установится динамическое равновесие.
Если жидкость и пар находятся вместе в равновесии, давление пара задаётся температурой и видом вещества. При неизменной температуре и большем объёме сосуда часть жидкости испарится, пока давление не восстановится. Если объём уменьшить, избыток пара сконденсируется. Поэтому объём влияет на количество пара, но при наличии обеих фаз практически не меняет его равновесное давление.
При испарении жидкость поглощает энергию: молекулам необходимо преодолеть притяжение соседей и покинуть жидкость. При конденсации молекулы вновь оказываются в связанном состоянии, и соответствующая энергия передаётся окружающим телам. Для одной и той же массы вещества при одинаковых условиях количество выделившейся при конденсации теплоты равно количеству теплоты, поглощённому при испарении. Если масса равна m, а удельная теплота парообразования — L, модуль теплоты равен Q = Lm.
Давление насыщенного пара быстро растёт с температурой: при нагревании молекулы движутся быстрее, поэтому равновесная концентрация пара становится больше. При охлаждении давление насыщенного пара уменьшается. Если фактическое давление пара оказывается выше значения, соответствующего новой температуре, часть молекул переходит в жидкость, пока не восстановится равновесное состояние.
| Свойство | Испарение | Конденсация |
|---|---|---|
| Направление фазового перехода | Из жидкости в пар | Из пара в жидкость |
| Условия протекания | Происходит при любой температуре с поверхности жидкости | Усиливается при охлаждении пара или повышении его плотности |
| Изменение внутренней энергии | Жидкость поглощает энергию | Пар выделяет энергию |
| Движение молекул | Наиболее быстрые молекулы покидают жидкость | Молекулы пара теряют возможность оставаться в газовой фазе |
| Связь с насыщенным паром | Уменьшает количество молекул пара до установления равновесия | Уменьшает количество пара при превышении давления насыщения |
Сравнивайте процессы по одной строке: так видно, в каком направлении движется вещество и как меняется его энергия. Если в задаче речь идёт об охлаждении пара или появлении капель, ищите признаки конденсации. Если жидкость теряет молекулы с поверхности, это испарение.
1. Почему на холодной поверхности появляется роса? Водяной пар из воздуха соприкасается с холодной поверхностью и охлаждается. При снижении температуры давление насыщенного пара становится меньше, поэтому прежнее количество пара уже не может оставаться газом. Часть молекул переходит в жидкость и образует росу.
2. Сколько теплоты выделится при конденсации 0,2 кг водяного пара? Используем Q = Lm, где L = 2,3 МДж/кг, а m = 0,2 кг. Сначала умножаем удельную теплоту парообразования на массу: 2,3 × 0,2 = 0,46 МДж. При конденсации это количество теплоты выделяется, а не поглощается.
3. Пар в герметичном сосуде охлаждают со 100 °C до 20 °C. Объём сосуда V = 0,5 м³, вначале пар насыщенный. Используем табличные давления насыщенного водяного пара: при 100 °C примерно 101,3 кПа, при 20 °C — 2,34 кПа. Нужно определить, сколько водяного пара исчезнет из газовой фазы; именно эта масса сконденсируется.
Ошибочно считать, что конденсация возможна только при 0 °C или иной фиксированной температуре. Такое представление возникает из-за знакомства с замерзанием воды, но конденсация — другой фазовый переход. Проверка проста: спросите, превращается ли газ в жидкость; для этого достаточно достижения насыщения при соответствующей температуре.
Насыщенный пар — не «максимально возможный пар» при любых условиях, а пар в равновесии с жидкостью при заданной температуре. Ошибка появляется, если забыть, что насыщение зависит от температуры и вещества. Чтобы проверить себя, укажите, с какой жидкостью и при какой температуре рассматривается пар.
Нельзя говорить, что при конденсации теплота поглощается: в таком случае перепутано направление перехода. Часто это происходит из-за механического переноса правила об испарении на обратный процесс. Проверьте знак по энергии: жидкость при испарении получает энергию, а пар при переходе в жидкость отдаёт её.
Утверждение, что давление насыщенного пара зависит от объёма сосуда при наличии жидкости, неверно. Причина путаницы — смешение давления с общим количеством газа: объём меняет количество пара, нужное для равновесия, но не само равновесное давление при данной температуре. Проверьте условие: вывод справедлив, только если в сосуде действительно есть и жидкость, и пар.
Для объяснения конденсации нужны представления молекулярно-кинетической теории: молекулы движутся и взаимодействуют. Испарение помогает сравнить прямой и обратный переходы, а понятие внутренней энергии — понять выделение теплоты. В расчётах массы пара используют уравнение идеального газа.
Конденсация связана с влажностью воздуха и точкой росы — температурой, при охлаждении до которой водяной пар становится насыщенным. Этот же процесс участвует в образовании облаков: водяной пар превращается в мельчайшие капли. Теплота фазовых переходов учитывается при работе холодильных установок и тепловых машин.
Почему конденсация может происходить даже при комнатной температуре?
Для конденсации не требуется охлаждение до 0 °C: важны температура и количество пара в данном объёме. Если пар охлаждается до состояния насыщения или его плотность становится слишком большой, часть молекул переходит в жидкость.
Чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного?
Насыщенный пар находится в равновесии со своей жидкостью: за единицу времени испаряется столько же молекул, сколько конденсируется. Ненасыщенный пар при той же температуре может принять дополнительные молекулы, не переходя сразу в равновесие с жидкостью.
Почему при конденсации выделяется теплота?
При переходе из пара в жидкость молекулы сближаются, и внутренняя энергия вещества уменьшается. Разность энергии передаётся окружающим телам в виде теплоты.
Зависит ли давление насыщенного пара от объёма сосуда?
Если в сосуде одновременно есть жидкость и насыщенный пар, давление при данной температуре практически не зависит от объёма сосуда. При увеличении объёма часть жидкости испаряется, а при уменьшении часть пара конденсируется, пока не установится равновесное давление.
Почему на холодном стекле появляются капли воды?
В воздухе есть водяной пар. Возле холодного стекла он охлаждается, и когда достигает насыщения, часть молекул конденсируется на поверхности, образуя капли.
§ 61. Фазовый переход пар—жидкость
