"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Испарение и конденсация — взаимные переходы вещества между жидким и газообразным состояниями. Испарение идёт с поверхности жидкости при любой температуре, а конденсация возвращает молекулы пара в жидкость и сопровождается выделением энергии. Эти процессы объясняют высыхание одежды, образование облаков, охлаждение жидкости и работу холодильных установок. Главное — понять роль энергии молекул, условий испарения и динамического равновесия.
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. Его обозначают как процесс перехода жидкости в пар; знание этого определения помогает отличать испарение от кипения, которое идёт во всём объёме.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при потере молекулами энергии. При конденсации пар превращается в жидкость, поэтому это понятие используют для объяснения появления капель воды и выделения теплоты.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью; его давление при данной температуре максимально. Такой пар важен для описания закрытого сосуда: сколько бы ни менялся объём при той же температуре, давление насыщенного пара остаётся одним и тем же, пока есть жидкость.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар без изменения температуры. Её обозначают буквой L и измеряют в Дж/кг; связь с полученной энергией задаётся формулой Q = Lm.
Испарение происходит с поверхности, потому что молекулы внутри жидкости окружены соседями со всех сторон и испытывают их притяжение. У поверхностной молекулы связей с соседями меньше, а самые быстрые молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы вырваться наружу. Поэтому пар образуется сначала над границей жидкости и воздуха.
При испарении жидкость охлаждается: покидают её главным образом быстрые молекулы, уносящие больше энергии, чем в среднем имеют оставшиеся частицы. Скорость процесса растёт с температурой, поскольку быстрых молекул становится больше. Она также увеличивается при расширении площади поверхности, движении воздуха, удаляющем пар, и зависит от рода жидкости: например, спирт испаряется быстрее воды.
Конденсация начинается, когда молекулы пара теряют часть энергии и уже не могут удерживаться в газовой фазе. Они могут столкнуться с поверхностью жидкости и войти в неё или объединиться с другими молекулами возле поверхности. При переходе в более связанное жидкое состояние энергия выделяется, поэтому конденсирующийся пар нагревает окружающие тела.
В закрытом сосуде сначала испарение преобладает: число молекул пара растёт, и они чаще возвращаются в жидкость. По мере увеличения плотности пара конденсация ускоряется, пока её скорость не станет равной скорости испарения. Это динамическое равновесие: оба процесса продолжаются, но их средние скорости равны, поэтому количество пара и жидкости не меняется.
При повышении температуры молекулы движутся быстрее, и для равновесия требуется больше молекул пара над жидкостью. Поэтому давление насыщенного пара возрастает с температурой. Объём сосуда при постоянной температуре на это давление не влияет, если одновременно присутствуют жидкость и пар: при увеличении объёма часть жидкости испаряется, а при уменьшении часть пара конденсируется.
| Свойство | Испарение | Конденсация |
|---|---|---|
| Направление перехода | Из жидкости в газ | Из газа в жидкость |
| Где происходит процесс | Только на поверхности жидкости | На поверхности жидкости или при соприкосновении пара с холодной поверхностью |
| Условия протекания | При любой температуре; легче при нагревании и движении воздуха | При потере паром энергии, охлаждении или соприкосновении с жидкостью |
| Изменение внутренней энергии | Жидкость теряет энергию, если не получает её извне | Пар теряет энергию |
| Тепловой эффект | Энергия поглощается | Энергия выделяется |
| Зависимость скорости от температуры | При нагревании обычно ускоряется | При охлаждении обычно ускоряется |
| Примеры в быту и природе | Высыхание белья, испарение воды с поверхности почвы | Роса, запотевание стекла, образование облаков |
Таблица помогает сравнивать процессы по направлению перехода, месту протекания и тепловому эффекту. При решении задач сначала определите, какой процесс идёт, а затем проверьте, поглощается энергия или выделяется.
Если в условии говорится о поверхности, охлаждении или насыщенном паре, нужную строку можно использовать как краткий ориентир. Однако скорость процесса и направление перехода следует связывать с движением и энергией молекул.
Условие. Объяснить, почему вода в широкой открытой чашке испаряется быстрее, чем в узком стакане, а на ветру — быстрее, чем в неподвижном воздухе. Нужно связать наблюдение с числом молекул, покидающих поверхность.
Ответ. Широкая поверхность увеличивает число молекул, способных испариться, а ветер удаляет образующийся пар. Поэтому в обоих случаях вода высыхает быстрее.
Условие. При испарении воды массой m = 0,5 кг затрачивается энергия Q = 1,15 МДж. Найти удельную теплоту парообразования L.
Ответ. Удельная теплота парообразования воды равна L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг. Это означает, что для превращения 1 кг воды в пар без изменения температуры требуется такая энергия.
Условие. В закрытом сосуде при постоянной температуре над водой установилось равновесие между испарением и конденсацией. Определить, что произойдёт после добавления ещё некоторого количества воды.
Ответ. При постоянной температуре и наличии воды давление насыщенного пара не изменится. После краткого нарушения равновесия скорости испарения и конденсации снова станут равными; сама добавленная вода останется жидкостью.
Испарение возможно только при температуре кипения. Так считают, потому что кипение заметнее и связано с нагреванием, но испарение идёт при любой температуре. Проверка: спросите себя, может ли высохнуть лужа в прохладный день; если да, значит, испарение не требует кипения.
При испарении температура жидкости всегда повышается. Ошибка возникает из-за смешения испарения с нагреванием: обычно быстрые молекулы уходят, и жидкость охлаждается. Проверяйте направление переноса энергии: при испарении она поглощается, а не выделяется.
Испарение и кипение — одно и то же. Оба процесса дают пар, поэтому их легко спутать, но испарение идёт только с поверхности, а кипение — по всему объёму. Проверка проста: ищите в условии пузырьки пара внутри жидкости и определённую температуру кипения.
Давление насыщенного пара растёт вместе с объёмом сосуда. Такое рассуждение применимо не к насыщенному пару, а к постоянному количеству газа без жидкости. Если жидкость и пар сохраняются при той же температуре, давление определяется температурой, а не объёмом.
Для понимания испарения нужны представления о тепловом движении, температуре и внутренней энергии из молекулярно-кинетической теории. Эти процессы связаны с кипением, влажностью воздуха и точкой росы, а также объясняют работу холодильных установок.
В природе испарение воды с поверхности водоёмов и почвы, а затем конденсация пара участвуют в круговороте воды. Поглощение и выделение энергии при этих переходах влияют на теплопередачу и образование облаков.
Почему мокрая одежда высыхает даже в прохладную погоду?
При любой температуре часть молекул воды на поверхности имеет достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Поэтому вода испаряется и в прохладную погоду, хотя при низкой температуре процесс идёт медленнее.
Почему испарение вызывает охлаждение жидкости?
Из жидкости прежде всего вылетают наиболее быстрые молекулы, уносящие большую энергию. Средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, поэтому температура жидкости обычно снижается.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение начинается при определённой температуре и идёт по всему объёму с образованием пузырьков пара.
Почему ветер ускоряет испарение?
Поток воздуха уносит молекулы пара от поверхности жидкости. Возле поверхности не успевает накопиться много пара, поэтому новые молекулы легче покидают жидкость.
Что происходит с насыщенным паром при повышении температуры?
Давление насыщенного пара увеличивается, потому что при нагревании молекулы движутся быстрее и их равновесная концентрация над жидкостью становится больше. Если жидкость присутствует, новое равновесие устанавливается при более высоком давлении.
§ 62. Испарение. Конденсация
