"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, который происходит испарением или кипением. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — по всему объёму при определённой температуре. Обратный процесс называют конденсацией: пар превращается в жидкость и отдаёт энергию. Знание этих процессов помогает объяснить высыхание одежды, образование облаков, работу холодильника и вычисление теплоты, необходимой для превращения жидкости в пар.
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. Оно происходит двумя способами: испарением или кипением. Это общее понятие помогает отличать сам переход в пар от конкретных условий его протекания.
Испарение — парообразование с поверхности жидкости при любой температуре. Его скорость зависит от температуры, площади поверхности, движения воздуха и состава жидкости. Поэтому одна и та же жидкость может испаряться медленно или быстро.
Кипение — быстрое парообразование по всему объёму жидкости при определённой для данного давления температуре. Внутри жидкости появляются пузырьки пара, которые поднимаются вверх. Понятие кипения нужно, чтобы отличать этот процесс от испарения.
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Обычно она происходит при охлаждении пара: молекулы теряют часть энергии и сближаются. При этом энергия не исчезает, а выделяется в окружающую среду.
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями и постоянно сталкиваются. У поверхности наиболее быстрые молекулы могут преодолеть притяжение соседних частиц и покинуть жидкость. Поэтому при испарении уходят прежде всего энергичные молекулы, а средняя энергия оставшихся уменьшается.
Скорость испарения увеличивается при повышении температуры, потому что больше молекул получает достаточную энергию для выхода. При увеличении площади поверхности открывается больше участков, откуда частицы могут покинуть жидкость. Движение воздуха уносит образовавшийся пар, а состав жидкости влияет на силу притяжения между её молекулами.
При кипении пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости. Пузырьки пара поднимаются вверх, однако они смогут расти и не исчезать только тогда, когда давление пара внутри сравняется с внешним давлением. Поэтому кипение начинается при определённой температуре, зависящей от условий.
Внешнее давление влияет на температуру кипения: при меньшем давлении пузырькам легче расширяться. Значит, равенство давления пара и внешнего давления достигается при меньшем нагревании. Именно поэтому в горах вода кипит при температуре ниже 100 °C, а в скороварке — при более высокой.
При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость и переходят в состояние с более сильным взаимодействием. Избыток энергии выделяется в окружающую среду, поэтому конденсация сопровождается нагреванием окружающих тел. Обратный процесс, испарение, требует поглощения теплоты.
Таблица помогает сравнить процессы по одним и тем же признакам. Сначала определите направление перехода, затем обратите внимание на место и условия процесса. Последние строки показывают, куда передаётся энергия и где явление встречается в жизни.
| Свойство | Испарение | Кипение | Конденсация |
|---|---|---|---|
| Направление перехода между состояниями | Жидкость → газ | Жидкость → газ | Газ → жидкость |
| Где происходит процесс | Только с поверхности | По всему объёму | На поверхности охлаждённого тела или в объёме пара |
| При какой температуре происходит | При любой | При определённой для данного давления | При охлаждении пара; температура может быть разной |
| Роль внешнего давления | Влияет на скорость | Определяет температуру кипения | Влияет на условия перехода пара в жидкость |
| Поглощение или выделение энергии | Теплота поглощается | Теплота поглощается | Теплота выделяется |
| Пример из жизни | Высыхание одежды | Кипение воды в кастрюле | Капли на холодном стакане |
В задачах на парообразование сначала определяют, нужно ли только испарить жидкость или ещё и нагреть её. Для полного превращения жидкости в пар при температуре кипения используют формулу Q = Lm. Если нагревание происходит от начальной температуры до кипения, теплоты складывают.
Нужно объяснить, какие условия влияют на скорость испарения воды. Ветер уносит влажный воздух от ткани, а расправленная одежда имеет большую площадь соприкосновения с воздухом. Поэтому вода покидает поверхность быстрее.
Ответ: одежда быстрее высыхает из-за движения воздуха и увеличения площади поверхности; повышение температуры дополнительно ускоряет испарение.
Дано: m = 0,5 кг, L = 2,3 МДж/кг. Вода уже находится при температуре кипения, поэтому нагревание учитывать не нужно. Переведём удельную теплоту в СИ: 2,3 МДж/кг = 2,3·10⁶ Дж/кг.
Ответ: необходимо сообщить 1,15 МДж теплоты.
Дано: m = 0,2 кг, t₁ = 20 °C, t₂ = 100 °C, c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Процесс состоит из нагревания до кипения и последующего парообразования. Поэтому общее количество теплоты равно Q = cmΔt + Lm.
Ответ: нужно затратить 527 200 Дж, или примерно 0,527 МДж.
Испарение считают возможным только при кипении. Так ошибаются, потому что связывают любое появление пара с нагреванием до высокой температуры. Проверка: вспомните высыхание лужи в прохладную погоду — испарение идёт при любой температуре.
Испарение путают с кипением. Причина ошибки — оба процесса превращают жидкость в газ. Проверьте себя вопросом: происходит ли парообразование только на поверхности или во всём объёме.
Температуру кипения всегда принимают равной 100 °C. Это значение относится к воде при нормальном атмосферном давлении, а не ко всем жидкостям и условиям. В условии задачи нужно учитывать род жидкости и внешнее давление.
Для полного превращения жидкости в пар используют только Q = cmΔt. Эта формула описывает нагревание и не учитывает скрытую теплоту перехода. При парообразовании добавляют слагаемое Lm, а при постоянной температуре используют Q = Lm.
Для понимания темы нужны знания об агрегатных состояниях вещества, строении вещества и движении молекул. Именно движение частиц объясняет, почему одни молекулы покидают жидкость, а другие остаются.
При решении задач используется формула нагревания Q = cmΔt. Её соединяют с формулой парообразования Q = Lm, если жидкость сначала нагревают, а затем превращают в пар.
Эти явления связаны с тепловыми машинами, влажностью воздуха, круговоротом воды в природе и способами охлаждения. Испарение отводит энергию, а конденсация возвращает её окружающим телам.
Почему жидкость испаряется, даже если она не кипит?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Некоторые из них у поверхности имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость, поэтому испарение возможно при любой температуре.
Почему при испарении жидкость охлаждается?
С поверхности уходят преимущественно самые быстрые и энергичные молекулы. В оставшейся жидкости средняя энергия движения молекул уменьшается, поэтому её температура понижается.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре. Кипение идёт по всему объёму с образованием пузырьков пара при определённой температуре.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Поэтому давление пара в пузырьках сравнивается с внешним давлением уже при более низкой температуре.
Почему при конденсации выделяется теплота?
При конденсации молекулы пара сближаются и переходят в более связанное жидкое состояние. Их потенциальная энергия уменьшается, а лишняя энергия передаётся окружающим телам в виде теплоты.
§5. Парообразование и конденсация
