"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Парообразование — переход жидкости в газ, а конденсация — обратный переход. Парообразование происходит при испарении с поверхности жидкости или при кипении во всём её объёме. Скорость испарения зависит от температуры, площади поверхности, рода жидкости и движения воздуха. При переходе жидкости в пар энергия поглощается, а при конденсации выделяется. Эти процессы объясняют высыхание белья, образование облаков и появление капель на холодных предметах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Например, вода превращается в водяной пар. Это общее название процессов, при которых жидкость становится газом.
Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре. Оно идёт медленно и может происходить даже в холодной воде. Это понятие помогает объяснить высыхание луж, белья и других влажных предметов.
Кипение — парообразование по всему объёму жидкости при определённой для данного давления температуре. При кипении внутри жидкости появляются и растут пузырьки пара. Так отличают кипение от обычного испарения с поверхности.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Так водяной пар превращается в капли на холодном стакане. Процесс обратен парообразованию и сопровождается выделением энергии.
Молекулы жидкости непрерывно движутся с разными скоростями и сталкиваются друг с другом. У поверхности иногда оказывается молекула, движущаяся достаточно быстро, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость. Поэтому испаряются преимущественно самые быстрые молекулы, а не все подряд.
При повышении температуры средняя скорость движения молекул увеличивается, и быстрых молекул становится больше. Значит, за одно и то же время поверхность покидает больше частиц, поэтому испарение ускоряется. Чем больше площадь поверхности, тем больше молекул одновременно может выйти наружу.
Скорость испарения зависит и от рода жидкости: частицы одних жидкостей удерживаются слабее, чем частицы других. Поэтому спирт обычно испаряется быстрее воды, а масло — медленнее. Движение воздуха уносит образовавшийся пар от поверхности и освобождает место для новых молекул, из-за чего бельё на ветру сохнет быстрее.
При кипении пар образуется не только сверху, но и внутри жидкости. Нагретые участки превращают часть жидкости в пузырьки пара, а пузырьки поднимаются вверх и увеличиваются. Это возможно, когда давление пара внутри пузырька становится достаточным для противодействия внешнему давлению.
Температура кипения зависит от внешнего давления. При меньшем давлении пузырьку легче расширяться, поэтому кипение начинается при более низкой температуре; при большем давлении нужна более высокая температура. При конденсации молекулы пара теряют часть энергии движения, сближаются и образуют жидкость, а потерянная энергия передаётся окружающей среде.
Таблица помогает быстро отличить три процесса по направлению перехода, месту протекания и тепловому эффекту. Если нужно определить явление в задаче, сначала найдите, вещество превращается в пар или в жидкость, а затем уточните условия процесса.
| Свойство | Испарение | Кипение | Конденсация |
|---|---|---|---|
| Направление перехода | Жидкость → газ | Жидкость → газ | Газ → жидкость |
| Где происходит процесс | На поверхности жидкости | По всему объёму жидкости | В объёме пара и на охлаждённых поверхностях |
| При какой температуре происходит | При любой температуре | При определённой температуре для данного давления | При охлаждении пара до подходящих условий |
| Что происходит со скоростью процесса при нагревании | Обычно увеличивается | Кипение начинается после достижения температуры кипения | Обычно уменьшается |
| Тепловой эффект | Энергия поглощается | Энергия поглощается | Энергия выделяется |
| Пример | Высыхание лужи | Кипение воды в чайнике | Капли на холодном стакане |
Задача 1. При высыхании белья вода превращается в пар с поверхности, поэтому происходит испарение: жидкость переходит в газ. Капли на холодном стакане образуются из водяного пара, значит, это конденсация, то есть переход газа в жидкость. При нагревании воды с пузырьками по всему объёму наблюдается кипение, также являющееся переходом жидкости в газ.
Ответ: бельё высыхает при испарении воды; на стакане происходит конденсация пара; при кипении вода превращается в пар по всему объёму.
Задача 2. Нужно превратить в пар 200 г воды, уже находящейся при температуре кипения. Температура постоянна, поэтому формула Q = cmΔt здесь не подходит: тепло тратится не на нагревание, а на парообразование. Используем Q = Lm.
Ответ: необходимо сообщить 0,46 МДж, или 460 кДж, теплоты.
Задача 3. При конденсации 0,5 кг пара при 100 °C выделяется теплота Q₁ = Lm. Затем образовавшаяся вода охлаждается до 20 °C и выделяет дополнительную теплоту Q₂ = cmΔt. Полное количество теплоты равно сумме Q₁ и Q₂.
Ответ: при конденсации и последующем охлаждении выделится 1,318 МДж теплоты.
Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Её допускают, когда не различают медленный процесс с поверхности и кипение во всём объёме. Проверьте себя: если жидкость высыхает без пузырьков и без кипения, это испарение.
Ошибка: утверждать, что при испарении улетают любые молекулы жидкости. На самом деле покинуть поверхность преимущественно могут наиболее быстрые молекулы, способные преодолеть притяжение соседей. Спросите себя, почему после испарения средняя энергия оставшихся молекул уменьшается.
Ошибка: путать парообразование и конденсацию. Парообразование означает переход жидкости в газ, а конденсация — обратный переход газа в жидкость. Для проверки поставьте стрелку направления между агрегатными состояниями.
Ошибка: использовать Q = cmΔt для превращения жидкости в пар при постоянной температуре. Эта формула описывает нагревание или охлаждение, а для фазового перехода нужна формула Q = Lm. Сначала выясните, меняется ли температура вещества или его агрегатное состояние.
Для понимания темы нужны знания об агрегатных состояниях, строении вещества и движении молекул. Также важно помнить, что внутренняя энергия может изменяться при теплопередаче и при совершении работы. Эти представления объясняют движение частиц, испарение и выделение энергии при конденсации.
Дальше знания пригодятся при изучении влажности воздуха, теплового баланса и работы тепловых двигателей. Испарение и конденсация лежат в основе круговорота воды в природе. По этим процессам можно объяснить образование облаков, дождя и охлаждение поверхности при испарении.
Почему лужа может высохнуть, хотя вода в ней не кипит?
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а не только при кипении. Наиболее быстрые молекулы покидают воду, поэтому лужа постепенно уменьшается.
Почему ветер ускоряет высыхание белья?
Движение воздуха уносит молекулы водяного пара от поверхности ткани. Воздух рядом с бельём не успевает насытиться паром, поэтому испарение продолжается быстрее.
Почему при кипении температура жидкости не повышается?
После достижения температуры кипения подводимая энергия расходуется главным образом на превращение жидкости в пар. Поэтому температура жидкости остаётся почти постоянной, пока не выкипит значительная её часть.
Почему на холодном стакане появляются капли воды?
Водяной пар из воздуха соприкасается с холодной поверхностью, охлаждается и конденсируется. Капли образуются из пара, содержащегося в воздухе, а не просачиваются через стекло.
От чего зависит температура кипения жидкости?
Она зависит от рода жидкости и внешнего давления. При уменьшении давления температура кипения обычно понижается, а при увеличении давления повышается.
1. Парообразование и конденсация
