ПАРООБРАЗОВАНИЕ.

НАСЫЩЕННЫЙ И НЕНАСЫЩЕННЫЙ ПАР.

1.Парообразование.

Между молекулами вещества, находящегося в жидком или твёрдом состоянии, действуют силы притяжения. Для твёрдого вещества они достаточно велики. Это приводит к тому, что молекулы твёрдого вещества малоподвижны, они могут только колебаться около своего положения равновесия. В жидкости молекулы не так сильно притягиваются друг к другу, они могут перемещаться на небольшие расстояния и перескакивать на соседние положения равновесия. Однако, в результате обмена энергиями при соударениях молекул или в результате поступления энергии извне, какая-то отдельная молекула может получить такое количество кинетической энергии, которое позволит ей преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул и покинуть поверхность жидкости или твёрдого вещества. Некоторые из этих молекул, потеряв свою энергию, возвращаются обратно в жидкость или твёрдое вещество, но самые энергичные, которые смогли удалиться на расстояние около 10 -9 м, где силы притяжения уже практически не действуют, становятся свободными.

Переход вещества из твёрдого или жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а совокупность молекул вещества, покинувших поверхность жидкости или твёрдого тела, называется паром этого вещества.

Чаще всего под парообразованием понимается переход вещества в газообразное состояние из жидкого. Парообразование, происходящее из твёрдого состояния, называется возгонкой или сублимацией .

Парообразование из жидкого состояния разделяют на испарение и кипение .

2.Испарение и его интенсивность.

Испарение – это парообразование, происходящее при любой температуре только со свободной поверхности жидкости в воздух или вакуум, сопровождающееся понижением температуры жидкости.

Механизм испарения и происходящее при этом охлаждение жидкости можно объяснить с точки зрения МКТ.

Как уже говорилось выше, поверхность жидкости покидают только те молекулы, кинетическая энергия которых превышает значение работы, необходимой для преодоления сил молекулярного притяжения со стороны соседних молекул и выхода молекулы с поверхности жидкости в воздух. Эта работа называется работой выхода . В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается и, следовательно, температура жидкости понижается.

Интенсивность испарения зависит от нескольких факторов:

от температуры жидкости;

от площади свободной поверхности;

от скорости удаления паров с поверхности жидкости;

от внешнего давления;

от рода жидкости.

Чем выше температура, чем больше площадь свободной поверхности, чем больше скорость удаления паров с поверхности жидкости, чем меньше внешнее давление, тем испарение идёт интенсивней.

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое называется конденсацией .

3.Насыщенные и ненасыщенные пары.

Рассмотрим два сосуда с жидкостью – один открытый, другой закрыт крышкой. В обоих сосудах происходит и испарение жидкости, и конденсация пара.

Однако в первом случае, испарение преобладает над конденсацией, так как молекулы жидкости имеют возможность покинуть пределы сосуда и в жидкость они не возвратятся, а на их место с поверхности жидкости в воздух выходят другие молекулы. Число молекул N 1 , покидающих поверхность за 1 с, превышает число молекул N 2 , возвращающихся обратно. Если процесс испарения преобладает над процессом конденсации, то образующийся пар называется ненасыщенным .

В герметически закрытом сосуде вначале число молекул N 1 , покидающих поверхность за 1 с, превышает число молекул N 2 , возвращающихся обратно. Поэтому плотность пара над поверхностью жидкости, а также его давление возрастают. Но по мере увеличения плотности и давления возрастает количество молекул, возвращающихся в жидкость в течение 1 с. Через некоторое время скорости испарения и конденсации становятся одинаковыми, т.е. количество вылетевших из жидкости молекул N 1 равно количеству возвратившихся N 2 . Говорят, что между паром и его жидкостью установилось динамическое равновесие.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным .

4.Кипение.

Кипение – это парообразование, происходящее и с поверхности, и во всём объёме жидкости при постоянной температуре.

Механизм кипения можно объяснить следующим образом.

На стенках сосуда всегда имеются пузырьки адсорбированного газа. Кроме того, в жидкости всегда присутствует некоторое количество растворённого газа (воздуха), степень растворения которого понижается с ростом температуры, и который при нагревании начинает выделяться также в виде пузырьков. Вовнутрь пузырьков происходит испарение жидкости. Поэтому кроме воздуха внутри пузырьков находится насыщенный пар, его давление с ростом температуры увеличивается. Следовательно, пузырьки раздуваются. Действующая на пузырьки сила Архимеда становится больше их силы тяжести, и они начинают всплывать. Дальнейшее поведение пузырьков зависит от того, насколько прогрета жидкость.

Если жидкость ещё не равномерно прогрета и верхние её слои холоднее нижних, то по мере всплывания пузырьков пар внутри них конденсируется, давление внутри пузырьков уменьшается. Следовательно, уменьшается и объём пузырьков. Зависящая от объёма пузырьков сила Архимеда также становится меньше, движение пузырьков наверх замедляется и, не дойдя до поверхности жидкости, пузырьки исчезают.

Если жидкость прогрета равномерно, то по мере всплывания пузырьков объём их будет возрастать, так как уменьшается сила гидростатического давления жидкости, действующая на пузырьки. Увеличение объёма приводит к увеличению силы Архимеда. Поэтому движение пузырьков наверх ускоряется. Пузырьки достигают свободной поверхности, лопаются, и насыщенный пар выходит наружу. Этот момент называется кипением жидкости. При этом давление насыщенного пара в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению, называется температурой кипения .

Температура кипения зависит:

1) от внешнего давления (чем оно больше, тем температура кипения выше);

2) от наличия примеси (обычно температура кипения увеличивается с ростом концентрации примеси);

3) от растворённого в жидкости воздуха или других газов (с уменьшением количества растворённого воздуха температура повышается);

4) от состояния стенок сосуда (в сосудах с более гладкими стенками жидкость закипает при более высокой температуре);

5) от рода жидкости.

5.Сравнение свойств насыщенного пара и идеального газа.

1.Давление и плотность насыщенного пара постоянны и не зависят от объёма пространства над испаряющейся жидкостью. Для идеального газа давление и плотность уменьшаются с ростом объёма.

Насыщенный пар Идеальный газ

2.С увеличением температуры при неизменном объёме рост давления насыщенного пара происходит не по линейного закону, как для идеального газа, а гораздо быстрее. Это объясняется тем, что увеличение давления происходит не только за счёт увеличения кинетической энергии, но и за счёт увеличения количества испарившихся молекул.

По этой же причине плотность насыщенного пара не остаётся постоянной, она возрастает.

3.Давление и плотность насыщенного пара зависят от рода жидкости и определяются теплотой парообразования. Чем меньше теплота парообразования, тем больше давление и плотность насыщенного пара.

Видеоурок 2: Температурная зависимость давления пара. Точка росы

Лекция: Насыщенные и ненасыщенные пары

Твердые тела отличаются от жидких более устойчивым положением молекул. В жидкостях имеются силы притяжения, однако их не всегда достаточно. Если молекуле некоторого жидкого вещества придать кинетическую энергию, которая позволит структурным единицам стать свободными, то они способны покинуть поверхность жидкости и улететь в газ, который находится сверху. Некоторым молекулам энергии становится недостаточно, и они возвращаются обратно в жидкость.

Процесс, в результате которого молекулы покидают жидкость, называется парообразованием. Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией .

Существует два вида образования парообразного состояния: испарение и кипение.

Испарение

Процесс испарения характеризуется способностью молекул жидкости покидать верхние слои при любой температуре. В тот момент, когда молекула покидает поверхность, температура жидкости снижается. Это происходит в результате того, что для отрывания структурной единицы необходима энергия, а когда энергия расходуется, температура падает.

Именно поэтому организм человека выделяет пот. В результате его испарения температура тела падает. Каждый из нас, выходя из реки, моря или другого водоема, ощущал холодок - это происходит в результате испарения.

Скорость процесса испарения зависит :

1. От размера свободной поверхности жидкости . Если взять одинакового объема кружку и тарелку, то с тарелки испарения будет происходить быстрее за счет большей площади.

2. От рода жидкости . Спирт испаряется быстрее, чем вода, например. Его молекулы более активны из-за этого он быстрее диссоциирует с молекулами воздуха. Чем легче структурная единица вещества, тем быстрее происходит испарение.

3. От температуры жидкости . Чем выше температура, тем быстрее протекает процесс.

4. От давления окружающей среды . Если давление большое, то оно не дает жидкости покинуть поверхность, поэтому испарение протекает медленнее.

5. Если жидкость находится в закрытом пространстве, то ей тяжелее испарятся . Поэтому скорость зависит от количества водяного пара над поверхностью жидкости.

Пары: насыщенный и ненасыщенный

Представьте, что вы взяли два сосуда. Один из которых закрыли крышкой. В обоих сосудах происходит и испарение и конденсация.

В сосуде, который не закрыт, количество молекул, что испарились, больше тех, что вернулись обратно. Такой пар называется ненасыщенным. В закрытом сосуде количество молекул, покинувших жидкость, равна тем, что вернулись обратно. Такой пар называется насыщенным.

Кипение

Данный процесс перехода жидкости в газообразное состояние происходит со всего объема и при определенной температуре. Для каждой жидкости соответствует своя температура кипения. Для воды, например, при нормальном давлении температура кипения 100 градусов. Чем меньше давление, тем меньше температура кипения. Таким образом, на высокой горе закипетить воду можно при более низкой температуре.

Только обратите внимание, приготовить на такой воде мясо практически невозможно - для него нужна температура выше.

Во время кипения пузырьки газа, содержащиеся в жидкости, выходят с её объема. Закипетить повторно воду тяжелее, поскольку данных пузырьков нет. Кипение начинается тогда, когда давление в пузырьках меньше, чем в жидкости - они начинают лопаться.

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. Если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться в широких пределах в сторону уменьшения и в сторону увеличения.

Процесс испарения в замкнутое пространство (закрытый сосуд с жидкостью) может при данной температуре происходить только до определенного предела . Это объясняется тем, что одновременно с испарением жидкости происходит конденсация пара. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся обратно, и плотность, а значит, и давление пара растет. Это приводит к увеличению скорости конденсации. Через некоторое время наступает динамическое равновесие, при ко тором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром . Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным .

Опыт показывает, что ненасыщенные пары подчиняются всем газовым законам , и тем точнее, чем дальше они от насыщения Для насыщенных паров характерны следующие свойства:

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 198-199.

Пар называется насыщенным , если количество молекул вещества, переходящих в газообразное состояние, равно количеству молекул, возвращающихся в жидкую или твердую фазу. Это состояние динамического равновесия.
Если количество испаряющихся молекул больше, чем конденсирующихся, то пар ненасыщенный . Процесс испарения продолжается до тех пор, пока будет достигнуто состояние динамического равновесия, или пока все вещество не испарится.

Давление пара – что это?

Насыщенный и ненасыщенный пар прежде всего ассоциируется с водяным паром. Содержание пара в воздухе – важная характеристика климата, погодных условий, санитарно-гигиенических условий помещения. В то же время давление пара – это техническая характеристика состояния термодинамической системы.
При испарении в герметично закрытом сосуде пар оказывает давление на поверхность жидкости. Чем выше температура, тем выше давление пара. Оно может и железный котел разорвать, если слишком сильно повышать температуру.
В замкнутом сосуде между водой и паром быстро достигается динамическое равновесие, и пар становится насыщенным. На открытом воздухе чаще наблюдается ненасыщенный пар. Важная характеристика погодных условий – относительная влажность воздуха, которая вычисляется как отношение давления имеющегося в воздухе пара к давлению насыщенного пара при данной температуре .

Водяной пар: чем холоднее погода, тем суше воздух

Абсолютная влажность – это количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха. При низких температурах в воздухе мало водяного пара, в абсолютном исчислении, но при этом пар может быть насыщенным или имеет относительную влажность более 90 %. При нагревании воздуха до 20° С абсолютное содержание остается прежним, но относительная влажность резко снижается, воздух становится сухим, абсолютная влажность может составлять 15-20 %.
Поэтому зимой в отапливаемом помещении чересчур сухой воздух, и это не связано с видом обогревателя, а связано лишь с разницей температур на улице и в помещении.

Насыщенный пар в термодинамике

Давление насыщенного пара при повышении температуры растет значительно быстрее, чем давление идеального газа при повышении температуры в замкнутом объеме. Именно поэтому для первых тепловых двигателей использовался водяной пар, а точнее система вода-пар. При нагревании такой системы увеличивается не только давление пара, но и количество молекул пара, их концентрация.

Жидкости имеют свойство испаряться. Если бы мы капнули на стол по капле воды, эфира и ртути (только не делайте этого в домашних условиях!), смогли бы наблюдать, как постепенно капли исчезают – испаряются. Одни жидкости испаряются быстрее, другие медленнее. Процесс испарения жидкости еще называется парообразованием. А обратный процесс превращения пара в жидкость – конденсацией.

Эти два процесса иллюстрируют фазовый переход – процесс перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое:

• испарение (переход из жидкого в газообразное состояние);
• конденсация (переход из газообразного состояния в жидкое);
• десублимация (переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкую фазу);
• возгонка, она же сублимация (переход из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое).

Сейчас, к слову, подходящий сезон, чтобы наблюдать процесс десублимации в природе: иней и изморозь на деревьях и предметах, морозные узоры на окнах – ее результат.

Как образуется насыщенный и ненасыщенный пар

Но вернемся к парообразованию. Мы продолжим экспериментировать и нальем жидкость – воду, например, в открытый сосуд, а к нему подсоединим манометр. Невидимое глазу, в сосуде происходит испарение. Все молекулы жидкости находятся в непрерывном движении. Некоторые движутся так быстро, что их кинетическая энергия оказывается сильнее той, что связывает молекулы жидкости вместе.

Покинув жидкость, эти молекулы продолжают хаотически двигаться в пространстве, подавляющее их большинство рассеивается в нем – так образуется ненасыщенный пар . Лишь небольшая их часть возвращается обратно в жидкость.

Если закроем сосуд, молекул пара постепенно будет становиться все больше. И все больше их будет возвращаться в жидкость. При этом будет увеличиваться давление пара. Это зафиксирует подсоединенный к сосуду манометр.

Спустя какое-то время число молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся в нее, сравняется. Давление пара перестанет изменяться. В результате насыщения пара установится термодинамическое равновесие системы жидкость-пар. То есть испарение и конденсация будут равны.

Свойства насыщенного пара

Чтобы их проиллюстрировать наглядно, используем еще один эксперимент. Призовите всю силу своего воображения, чтобы представить его. Итак, возьмем ртутный манометр, состоящий из двух колен – сообщающихся трубок. В оба налита ртуть, один конец открыт, второй запаян и над ртутью в нем находится еще некоторое количество эфира и его насыщенного пара. Если опускать и поднимать не запаянное колено, уровень ртути в запаянном будет также опускаться и подниматься.

При этом будет изменяться и количество (объем) насыщенного пара эфира. Разность уровней ртутных столбиков в обоих коленах манометра показывает давление насыщенного пара эфира. Оно будет сохраняться неизменным все время.

Отсюда вытекает свойство насыщенного пара – его давление не зависит от занимаемого им объема. Давление насыщенных паров различных жидкостей (воды и эфира, к примеру) разное при одинаковой температуре.

Однако температура насыщенного пара имеет значение. Чем выше температура, тем выше и давление. Давление насыщенного пара с увеличением температуры возрастает быстрее, чем это происходит с ненасыщенным паром. Температура и давление ненасыщенного пара связаны линейной зависимостью.

Можно провести еще один любопытный опыт. Взять пустую колбу без паров жидкости, закрыть ее и подсоединить манометр. Постепенно, по капле, подавать внутрь колбы жидкость. По мере поступления жидкости и ее испарения устанавливается давление насыщенного пара, наибольшее для данной жидкости при данной температуре.

Еще о температуре и насыщенном паре

Температура пара влияет и на скорость конденсации. Так же, как температура жидкости определяет скорость испарения – число молекул, которые вылетают с поверхности жидкости в единицу времени, другими словами.

У насыщенного пара его температура равна температуре жидкости. Чем выше температура насыщенного пара, тем выше его давление и плотность, ниже плотность жидкости. При достижении критической для вещества температуры плотность жидкости и пара одинаковая. Если температура пара выше критической для вещества температуры, физические различия между жидкостью и насыщенным паром стираются.

Определение давления насыщенного пара в смеси с другими газами

Мы сказали о неизменном при постоянной температуре давлении насыщенного пара. Мы определяли давление в «идеальных» условиях: когда в сосуде или колбе присутствуют жидкость и пар только одного вещества. Рассмотрим еще эксперимент, в котором молекулы вещества рассеяны в пространстве в смеси с другими газами.

Для этого возьмем два открытых стеклянных цилиндра и поместим в оба закрытые сосуды с эфиром. Как водится, подсоединим манометры. Один сосуд с эфиром раскрываем, после чего манометр фиксирует повышение давления. Разность между этим давлением и давлением в цилиндре с закрытым сосудом эфира и позволяет узнать давление насыщенного пара эфира.

О давлении и кипении

Испарение возможно не только с поверхности жидкости, но и в ее объеме – тогда его называют кипением. При повышении температуры жидкости образуются пузырьки пара. Когда давление насыщенного пара больше либо равно давлению газа в пузырьках, жидкость испаряется внутрь пузырьков. А те расширяются и поднимаются на поверхность.

Жидкости кипят при разных температурах. В обычных условиях вода закипает при 100 0 С. Но с изменением атмосферного давления меняется и температура кипения. Так, в горах, где воздух сильно разрежен и атмосферное давление ниже, по мере подъема в горы снижается и температура кипения воды.

Кстати, в герметично закрытом сосуде кипение невозможно вообще.

Еще один пример взаимосвязи давления пара и испарения демонстрирует такая характеристика содержания паров воды в воздухе, как относительная влажность воздуха. Она представляет собой отношение парциального давления паров воды к давлению насыщенного пара и определяется по формуле: φ = р/р о * 100%.

При понижении температуры воздуха концентрация водяных паров в нем повышается, т.е. они становятся более насыщенными. Эта температура называется точкой росы.

Подведем итоги

На несложных примерах мы разобрали суть процесса испарения и образующиеся в его результате ненасыщенный и насыщенный пар. Все эти явления вы ежедневно можете наблюдать вокруг себя: например, видеть высыхающие после дождя лужи на улицах или запотевшее от пара зеркало в ванной комнате. В ванной вы даже можете наблюдать, как сначала происходит парообразование, а потом конденсация скопившейся на зеркале влаги обратно в воду.

Вы также можете использовать эти знания, чтобы сделать свою жизнь более комфортной. Например, зимой во многих квартирах воздух очень сухой, и это плохо сказывается на самочувствии. Вы можете использовать современный прибор-увлажнитель, чтобы сделать его более влажным. Или по старинке поставить в комнате емкость с водой: постепенно испаряясь, вода насытит воздух своими парами.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.