"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Пар образуется, когда молекулы жидкости покидают её поверхность. В закрытом сосуде они могут возвращаться в жидкость, и постепенно устанавливается динамическое равновесие. Такой пар называют насыщенным: испарение и конденсация идут с одинаковой интенсивностью. Если конденсация ещё не успевает уравновесить испарение, пар ненасыщенный. Давление насыщенного пара зависит от температуры, но при наличии жидкости не зависит от объёма сосуда.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: испарение и конденсация происходят с одинаковой интенсивностью. В таком состоянии среднее количество жидкости и пара не изменяется. Это понятие показывает, что пар достиг предельного содержания при данной температуре.
Ненасыщенный пар — пар, который при данной температуре может увеличивать свою плотность, не конденсируясь. В нём ещё недостаточно молекул, чтобы возвращение их в жидкость сравнялось с испарением. Поэтому такой пар способен поглощать новые молекулы жидкости.
Динамическое равновесие — состояние, при котором испарение и конденсация продолжаются, но количество жидкости и пара в среднем не меняется. Слово «динамическое» означает, что движение молекул не прекращается. Неизменность наблюдается только в среднем, а не для каждой отдельной молекулы.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии со своей жидкостью при данной температуре. Оно характеризует предельное содержание пара. При одной и той же температуре это давление одинаково в сосудах разного объёма, если жидкость в них сохраняется.
При испарении наиболее быстрые молекулы жидкости покидают её поверхность и переходят в пространство над жидкостью. В открытом сосуде они обычно рассеиваются, поэтому обратный процесс заметен слабо. В замкнутом сосуде молекулы пара сталкиваются друг с другом и со стенками, а некоторые возвращаются в жидкость: это называется конденсацией.
Сразу после закрытия сосуда пара мало, поэтому молекул, возвращающихся в жидкость, тоже немного. Испарение в этот момент идёт интенсивнее конденсации, и количество пара растёт. Чем больше пара накапливается, тем чаще его молекулы попадают на поверхность жидкости и тем сильнее становится конденсация, пока её интенсивность не сравняется с испарением.
До установления равновесия пар является ненасыщенным: испарение преобладает над конденсацией, поэтому плотность пара увеличивается. После установления равновесия пар становится насыщенным, хотя оба процесса продолжаются. Разница между состояниями определяется не просто количеством молекул, а соотношением скоростей двух процессов при заданной температуре.
Если температура постоянна и жидкость остаётся в сосуде, давление насыщенного пара не зависит от объёма сосуда. При уменьшении объёма молекул в единице объёма временно становится больше, но избыток пара конденсируется. При расширении часть жидкости испаряется, поэтому равновесное давление снова устанавливается на прежнем уровне.
При нагревании молекулы движутся быстрее, и большее их число может покинуть жидкость. Поэтому для нового равновесия требуется больше пара, а давление насыщенного пара возрастает. В воздухе отдельно рассматривают парциальное давление водяного пара — давление, создаваемое именно молекулами воды; если оно ниже давления насыщенного пара, воздух ненасыщен.
| Признак | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Связь с жидкостью | Находится в равновесии с жидкостью | Равновесие ещё не установилось |
| Соотношение интенсивностей испарения и конденсации | Интенсивности равны | Испарение интенсивнее конденсации |
| Возможность дальнейшего испарения | При данной температуре предельная; новые молекулы компенсируются конденсацией | Пар может принять новые молекулы без конденсации |
| Как меняется при сжатии при постоянной температуре | Часть пара конденсируется, давление в итоге не меняется | Плотность и давление растут, пока пар не станет насыщенным |
| Зависимость давления от температуры | Давление насыщенного пара растёт при нагревании | Давление определяется количеством пара и температурой |
Сначала определите, есть ли равновесие пара с жидкостью, а затем сравните интенсивности испарения и конденсации. При вопросах о сжатии обязательно проверьте, осталась ли жидкость: от этого зависит, начнётся ли конденсация.
Условие: В закрытом сосуде над водой установилось равновесие. Определите, какой пар находится в сосуде, и сравните интенсивности испарения и конденсации.
Ответ: в сосуде находится насыщенный водяной пар. Испарение и конденсация продолжаются с одинаковой интенсивностью.
Условие: При данной температуре парциальное давление водяного пара в воздухе меньше давления насыщенного пара. Определите, насыщен ли водяной пар, и может ли вода продолжать испаряться.
Ответ: водяной пар ненасыщенный. Вода может продолжать испаряться.
Условие: Сосуд с водой и водяным паром при постоянной температуре сжали, причём жидкость в сосуде осталась. Объясните, как изменятся давление пара и состояние равновесия.
Ответ: часть пара сконденсируется. Давление насыщенного пара в конечном состоянии не изменится, потому что температура постоянна и жидкость сохранилась.
Ошибка 1. Насыщенным считают просто очень плотный пар. Так думают, потому что слово «насыщенный» связывают с большим количеством вещества, но решающим признаком является равновесие с жидкостью. Проверьте, равны ли интенсивности испарения и конденсации.
Ошибка 2. Считают, что в динамическом равновесии процессы прекращаются. Ошибка возникает из-за слова «равновесие», которое иногда понимают как полный покой. Помните: молекулы продолжают двигаться, а равными становятся скорости испарения и конденсации.
Ошибка 3. Утверждают, что при сжатии давление насыщенного пара обязательно растёт. На самом деле при наличии жидкости избыток пара конденсируется. Проверка проста: если температура не изменилась и жидкость осталась, конечное давление насыщенного пара прежнее.
Ошибка 4. Путают давление насыщенного пара с давлением воздуха. В смеси газов давление водяного пара является только частью общего давления. Уточните, о каком давлении говорится: парциальном водяного пара или полном давлении воздуха.
Для понимания темы нужны представления о тепловом движении молекул, испарении и конденсации. Скорость молекул объясняет, почему при нагревании испарение усиливается, а давление насыщенного пара возрастает.
Знания о насыщенном паре используются при изучении влажности воздуха и точки росы. Они также помогают понять образование облаков: при охлаждении воздух может достичь насыщения, после чего водяной пар конденсируется в капли.
Почему насыщенный пар называют насыщенным?
При данной температуре он содержит максимально возможное количество пара, совместимое с наличием жидкости. Дополнительные молекулы не остаются в газе надолго: они конденсируются.
Могут ли испарение и конденсация происходить одновременно?
Да, молекулы постоянно покидают жидкость и возвращаются в неё. В динамическом равновесии скорости этих процессов одинаковы, поэтому среднее количество жидкости и пара не меняется.
Зависит ли давление насыщенного пара от объёма сосуда?
При постоянной температуре оно не зависит от объёма, если в сосуде остаётся жидкость. При изменении объёма устанавливается новое равновесие, а давление возвращается к тому же значению.
Что происходит с паром при сжатии насыщенного пара?
Сначала молекул пара становится больше в расчёте на единицу объёма, поэтому часть пара конденсируется. Если температура постоянна и жидкость есть, в конце давление насыщенного пара остаётся прежним.
Чем давление насыщенного пара отличается от давления воздуха?
Давление насыщенного пара относится только к водяному пару. Давление воздуха является общим и складывается из давлений всех газов, входящих в его состав.
5. Насыщенный и ненасыщенныий пар
