10. Превращение воды в пар

Определения и обозначения

Водяной пар — это вода в газообразном состоянии. Он невидим, но может находиться в воздухе и смешиваться с ним. Поэтому мы не видим сам пар, хотя вода уже перешла из жидкости в газ. Это понятие помогает отличать пар от белого облачка над горячей водой.

Испарение — превращение воды в пар с её поверхности. Оно происходит не только при нагревании: вода испаряется и при комнатной температуре. Так объясняют, например, высыхание мокрой поверхности. Зная это понятие, можно понять, почему вода постепенно исчезает из открытой посуды.

Кипение — быстрое превращение воды в пар во всём объёме жидкости с образованием пузырьков. Пузырьки возникают внутри воды и поднимаются наверх, поэтому кипение легко отличить от обычного испарения. Этот термин нужен, чтобы описывать сильный нагрев жидкости. Кипение начинается, когда вода достигает определённой температуры.

Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит. При обычном атмосферном давлении вода закипает при 100 °C. Это значение позволяет определить, когда при таких условиях начнётся кипение. Если условия отличаются, температура кипения тоже может измениться.

Как это устроено

Вода состоит из очень маленьких частиц, которые постоянно движутся. У поверхности некоторые из них движутся достаточно быстро, чтобы покинуть жидкость и перейти в воздух. Там они уже находятся в газообразном состоянии — в виде водяного пара. Так происходит испарение, и для него не требуется, чтобы вся вода стала горячей.

Испарение возможно при любой температуре, потому что частицы воды движутся с разной скоростью. Даже в прохладной воде находятся частицы, способные покинуть поверхность. При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, и больше их за то же время уходит в воздух. Поэтому тёплая вода обычно испаряется быстрее холодной.

На скорость испарения влияют температура, площадь поверхности и движение воздуха. Чем выше температура, тем больше частиц может покинуть воду; чем шире открытая поверхность, тем больше частиц одновременно могут перейти в воздух. Движущийся воздух уносит пар от поверхности, и рядом с водой остаётся меньше уже испарившихся частиц. Поэтому ветер ускоряет высыхание мокрых вещей.

При кипении вода нагревается до температуры кипения, и пузырьки водяного пара появляются не только у поверхности, но и внутри жидкости. Внутри воды образовавшиеся пузырьки растут и поднимаются наверх. Это отличает кипение от испарения, которое происходит только на поверхности. При обычном атмосферном давлении вода начинает кипеть при 100 °C.

Переход воды из жидкости в пар требует тепла. При испарении частицы, покидая поверхность, уносят энергию, поэтому оставшаяся вода может охлаждаться. Например, влажная кожа ощущается прохладной, когда вода с неё испаряется. При кипении тепло продолжают подводить, чтобы вода могла переходить в пар; если нагрев прекратить, кипение постепенно остановится.

Сравнение испарения и кипения воды

Сначала найдите в таблице, где образуется пар: это главный признак, который помогает различить процессы. Затем сравните температуру и наличие пузырьков внутри жидкости. Помните, что нагревание ускоряет испарение, но испарение не требует кипения.

Разбор задач

Задача 1. На блюдце и в узкий стакан налили одинаковое количество воды и оставили в одной комнате. Нужно определить, где вода, вероятнее всего, испарится быстрее. Температура и движение воздуха вокруг обеих ёмкостей примерно одинаковы, поэтому сравним площадь открытой воды. Ответ дадим после выбора главного признака.

1. Вспомним, что испарение происходит с поверхности воды.
2. У блюдца открытая поверхность шире, чем у узкого стакана.
3. За одно и то же время с большей поверхности в воздух может перейти больше частиц воды.

Ответ: вода, вероятнее всего, быстрее испарится на блюдце. Решение основано на площади поверхности, а не на количестве налитой воды. Если условия в комнате одинаковы, широкая поверхность способствует более быстрому испарению.

Задача 2. Мокрое полотенце высохло быстрее на ветру, чем в неподвижном воздухе. Нужно объяснить, почему это произошло. Полотенце нагрето примерно одинаково в обоих случаях, поэтому сравним движение воздуха. Важно проследить, что происходит с водяным паром около ткани.

1. Вода испаряется с поверхности мокрых волокон и переходит в воздух.
2. В неподвижном воздухе рядом с полотенцем остаётся водяной пар.
3. Ветер уносит этот пар, поэтому новые частицы воды легче переходят с ткани в воздух.

Ответ: на ветру полотенце сохнет быстрее, потому что движение воздуха ускоряет испарение. Чтобы проверить рассуждение, достаточно вспомнить, что скорость испарения зависит от движения воздуха. Ветер не превращает воду в пар сам по себе, а помогает пару удаляться от поверхности ткани.

Задача 3. Воду нагревали: сначала с её поверхности поднимался пар, а затем внутри появились пузырьки. Нужно назвать два наблюдавшихся процесса. Сравним, где образовывался пар на каждом этапе. Появление пузырьков внутри воды служит важным признаком второго процесса.

1. Сначала пар образовывался только с поверхности воды — это испарение.
2. Затем внутри жидкости появились пузырьки водяного пара.
3. Образование пузырьков во всём объёме показывает, что вода закипела.

Ответ: сначала наблюдалось испарение, затем началось кипение. При испарении пузырьки внутри жидкости не образуются. При кипении пар появляется во всём объёме воды, а не только на поверхности.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что испарение возможно только при кипении. Так думают, потому что кипящая вода заметно выпускает пузырьки и белое облачко, а обычное испарение не всегда видно. Проверьте себя: если лужа или мокрое бельё высыхают без нагревания до 100 °C, значит, испарение происходит и без кипения. Оно возможно при разных температурах.

Ошибка — думать, что кипение происходит только на поверхности. Пузырьки видны именно там, где они выходят из воды, поэтому можно принять место выхода за место образования. Проверьте, появляются ли пузырьки внутри жидкости: при кипении они образуются там и поднимаются к поверхности. Это отличает кипение от испарения.

Ошибка — называть видимое белое облачко водяным паром. Оно похоже на дымку, и поэтому легко решить, что газ можно увидеть. Но водяной пар невидим, а белое облачко состоит из мельчайших капелек воды. Проверьте себя: пар находится в воздухе, а капли образуют видимое облачко.

Ошибка — считать, что вода кипит при любой температуре. Испарение и кипение путают, потому что оба процесса связаны с переходом воды в пар. При обычном атмосферном давлении вода начинает кипеть при 100 °C, а испаряется и при более низкой температуре. Чтобы проверить себя, спросите: есть ли пузырьки внутри воды и достигла ли она температуры кипения?

Связь с другими темами

До изучения превращения воды в пар нужно знать, что вода бывает в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. При испарении жидкая вода переходит в газообразное состояние. Это помогает увидеть связь между разными состояниями одного и того же вещества. Водяной пар — именно газообразная вода.

Испарение связано с круговоротом воды в природе. Вода с поверхности водоёмов и влажной почвы переходит в воздух в виде невидимого пара. Позже водяной пар может превратиться в мельчайшие капли воды. Так вода возвращается из воздуха и продолжает свой круговорот.

Что запомнить

• Испарение — превращение воды в пар с поверхности.
• Испарение происходит при разных температурах.
• Нагревание, большая поверхность и движение воздуха ускоряют испарение.
• Кипение происходит во всём объёме жидкости и сопровождается пузырьками.
• При обычном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C.
• Водяной пар невидим.