SA. Парообразование

Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты.

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар.

Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры.

Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него теплоты и являющийся процессом, обратным парообразованию, наз. конденсацией . Этот процесс, также как и парообразование, происходит при постоянной температуре.

Возгонкой или сублимацией наз. процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар.

Процесс, обратный процессу сублимации, т.е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние, наз. десублимацией .

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченный объем одновременно происходит и обратный процесс, т.е. явление сжижения. По мере испарения и заполнения паром пространства над жидкостью, уменьшается интенсивность испарения и увеличивается интенсивность обратного ему процесса. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости испарения, в системе наступает динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, будет равно числу молекул, возвращающихся в нее обратно. Следовательно, в паровом пространстве при этом равновесном состоянии будет находиться максимальное число молекул. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и наз. насыщенным . Под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре – переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Вследствие этого состояние сухого пара определяется одним параметром, например, давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар , получающийся при неполном испарении жидкости, явл. смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно по всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре наз. степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре наз. степенью влажности и обозначается y. Очевидно, что y=1-x. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах.

Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы.

При сообщении сухому пару теплоты при постоянном давлении, температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, наз. перегретым .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (т.к. р=const, tпер>tн), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар явл. ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к идеальным газам.

10.3. р,v – диаграммa водяного пара

Рассмотрим особенности процесса парообразования. Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается давление р. Объем воды, находящейся под поршнем равный удельному объему при 0 С, обозначим через ( =0,001м /кг) Будем считать для упрощения, что вода явл. практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 С, а не при 4 С (точнее 3,98 С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t=t н, соответствующей р=р 1 , вода закипит и начнется парообразование.

Все изменения состояния жидкости и пара будем отмечать в р,v координатах (рис. 10.1).

Процесс образования перегретого пара при р=const состоит из трех последовательно осуществляемых физических процессов:

1. Подогрев жидкости до температуры t н;

2. Парообразование при t н =const;

3. Перегрев пара, сопровождающийся повышением температуры.

При р=р 1 этим процессам в р,v – диаграмме соответствуют отрезки а-а , а -а , а -д. В интервале между точками а и а температура будет постоянной и равной tн1 и пар будет влажный, причем ближе к т.а степень сухости его будет меньше (х =0), а в т.а , соответствующей состоянию сухого пара, х=1. Если процесс парообразования будет идти при более высоком давлении (р 2 >р 1), то объем воды практически останется прежним. Объем v , соответствующей кипящей воде, несколько увеличится (), т.к. t н2 >t н1 , а объем , поскольку процесс парообразования при более высоком давлении и высокой температуре протекает более интенсивно. Следовательно, при возрастании давления разность объемов (отрезок ) увеличивается, а разность объемов (отрезок ) уменьшается. Аналогичная картина будет и тогда, когда процесс парообразования идет при большем давлении (р 3 >p 2 ; ; , т.к. t н3 >t н2).

Если на рис.10.1 соединить точки с одним и двумя штрихами, лежащие на изобарах

различных давлений, получим линии ; ,

каждая из которых имеет вполне определенное значение. Например, линия а-b-c выражает зависимость удельного объема воды при 0 С, от давления. Она почти параллельна оси ординат, т.к. вода – практически несжимаемая жидкость. линия дает зависимость удельного объема кипящей воды от давления. Эта линия наз. нижней пограничной кривой . В р,v – диаграмме, эта кривая отделяет область воды от области насыщенных паров. Линия показывает зависимость удельного объема сухого пара от давления и наз. верхней пограничной кривой . Она отделяет область насыщенного пара от области перегретого (ненасыщенного) пара.

Точка встречи пограничных кривых наз. критической точкой К . Эта точка соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, когда отсутствует различие между жидкостью и паром. В этой точке отсутствует участок процесса парообразования. Параметры вещества при этом состоянии наз. критическими. Например, для воды: рк=22,1145 МПа; Тк=647,266 К; Vк=0,003147 м /кг.

Критическая температура явл. максимальной температурой насыщенного пара. При температуре выше критической могут находиться лишь перегретые пары и газы. Впервые понятие о критической температуре было дано в 1860 г. Д.И. Менделеевым. Он определил ее как такую температуру, выше которой газ не может быть переведен в жидкость, какое бы высокое давление к нему не было приложено.

Не всегда, однако, процесс парообразования совершается так, как это показано на рис.10.1. если вода очищена от механических примесей и растворенных в ней газов, парообразование может начаться при температуре выше Т н (иногда на 15-20 К) из-за отсутствия центров парообразования. Такая вода носит название перегретой . С другой стороны при быстром изобарном охлаждении перегретого пара конденсация его может начаться не при Т н. а при несколько более низкой температуре. Такой пар наз. переохлажденным или пересыщенным . При решении вопроса, в каком агрегатном состоянии могут быть вещества (пар или вода) при заданных р и Т р и v или Т и V нужно всегда иметь ввиду следующее. При р=const для перегретого пара и Т д >T н (см. рис. 10.1); для воды, наоборот и Т<Т н; при Т=const для перегретого пара и р е <р н; для воды и р n >р н. Зная эти соотношения и пользуясь таблицами для насыщенного пара, можно всегда определить, в какой из трех областей 1, 2 или 3 (см. рис. 10.2) находится рабочее тело с заданными параметрами, т.е. является ли жидкостью (область 1), насыщенным (область 2) или перегретым (область 3) паром.

Для сверхкритической области за вероятную границу «вода – пар» условно принимают критическую изотерму (штрихпунктирная кривая). При этом слева и справа от этой изотермы вещество находится в однофазном гомогенном состоянии, обладая, например, в т.y свойствами жидкости, а в т.z – свойствами пара.

Что такое испарение

Определение

Испарением называется процесс парообразования, который происходит со свободной поверхности жидкости.

Испарение происходит при любой температуре и происходит интенсивнее с увеличением температуры. В результате испарения происходит охлаждение жидкости, так как испарение можно объяснить тем, что молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией, вылетают с поверхностного слоя жидкости, преодолевая силы притяжения соседних молекул. Скорость испарения зависит от внешнего давления и движения газообразной фазы над свободной поверхностью жидкости. С повышением температуры плотность, следовательно, давление насыщенного пара над жидкостью увеличиваются. При увеличении плотности паров, поверхностное натяжение жидкости уменьшается, следовательно, скрытая теплота парообразования с повышением температуры уменьшается. При критической температуре (${\ T}_k$) плотность насыщенных паров равна плотности жидкости, различие между этими фазами вещества исчезает. Получается, что при критической температуре поверхностное натяжение и скрытая теплота парообразования равны нулю. Пар, строго говоря, газом не является. У паров близких к насыщению давление незначительно изменяется в зависимости от объема. Газовые законы, могут приближенно применяться к ненасыщенным парам.

Что такое кипение

Определение

Процесс интенсивного испарения жидкости не только с ее свободной поверхности, но и по всему объему жидкости внутрь образующихся в процессе пузырьков пара называют кипением.

Давление p внутри пузырька пара определяют в соответствии со следующим выражением:

где $p_0$- внешнее давление, $\rho gh$- давление слоев жидкости, которые расположены выше, $p_{R\ }=\frac{2\sigma}{r}$ -- дополнительное давление, которое вызвано с кривизной пузырька, $r$- радиус пузырька, $h$ - расстояние от центра пузырька до поверхности жидкости, $\rho $ -- плотность жидкости, $ \sigma $ -- поверхностное натяжение жидкости.

Кипение начинается тогда, когда давление (упругость) насыщенного пара внутри пузырька ($p_p$) больше чем давление в правой части формулы (1). Если жидкость имеет центры парообразования, то кипение жидкости начинается при более низких температурах. Если $\rho gh\ll p_0$, то можно считать, что кипение начинается при $p_p\approx p_0$. Температуру жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению, называют температурой (точкой) кипения (${\ T}_k$). Строго говоря, кипение на различных уровнях жидкости происходит при различных температурах, нет какой то одной определенной температуры. Определенную температуру имеет насыщенный пар, который находится над поверхностью кипящей жидкости. Его температура не зависит от того как происходит кипение в глубине жидкости, и определяется только внешним давлением. Именно температура такого пара имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.

Если кипение происходит при постоянном давлении ($p_0$), то температура кипения постоянна. Тепло, подводимое к системе, в таком случае расходуется только на парообразование.

Что такое конденсация

Определение

Процесс, обратный испарению, называют конденсацией.

При конденсации тепло выделяется. Кипение жидкости, конденсация пара -- фазовые переходы первого рода. Напомним, что фазовым переходом первого рода называют переход, который сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности вещества. При фазовых переходах первого рода, к которым относятся испарение и конденсация, термодинамический потенциал (Ф) системы не изменяется.

Количество теплоты, которое необходимо израсходовать при парообразовании единицы массы жидкости при температуре равной ${\ T}_k$, называют удельной теплотой парообразования (или скрытой теплотой кипения) ($r_k$). Удельную теплоту парообразования можно найти из уравнения Клайперона -- Клаузиуса:

где $v_p,v_j$ -- удельные объемы пара и жидкости при температуре кипения $T_k$. Соответственно, зависимость температуры кипения от давления в процессе испарения определяется как:

\[\frac{dT_k}{dp}=\frac{\left(v_p-v_j\right)T_k}{r_k}\ \left(3\right).\]

Так как $v_p>v_j$ и $r_k>0$, то $\frac{dT_k}{dp}>0.\ $ На рис 1. представлена кривая фазового равновесия процесса парообразования. Она заканчивается в критической точке К. Следствием обрыва кривой испарения в точке К является непрерывность жидкого и газообразного состояния вещества. Температура кипения растет при увеличении давления.

Пример 1

Задание: Определите молярную теплоту испарения жидкости при температуре T и давлении p насыщенных паров, если жидкость и ее пар подчиняются уравнению Ван-дер-Ваальса. Коэффициенты в уравнении Ван-дер-Ваальса равны a и b, $T\ll T_k$.

Теплота парообразования, исходя из первого начала термодинамики, может быть вычислена как:

где $U_j-$ внутренняя энергия жидкости, $U_p$ внутренняя энергия пара, $V_j,V_p$ объемы жидкости и пара соответственно, $p\left(V_p-V_j\right)-\ работа,\ совершаемая\ при\ испарении$ против сил внешнего давления p. Разность внутренних энергий по уравнению Ван-дер-Ваальса равна:

используем уравнение Ван-дер-Ваальса для одного моля вещества:

\[\left(p+\frac{a}{V^2}\right)\left(V-b\right)=RT\to p=\frac{RT}{\left(V-b\right)}-\frac{a}{V^2}\ \left(1.3\right).\]

Получаем:

Ответ: Молярная теплота испарения жидкости при заданных условиях равна: $r_p=V_p\left\{\frac{RT}{V_p-b}-\frac{2a}{V^2_p}\right\}-V_j\ \left\{\frac{RT}{V_j-b}-\frac{2a}{V^2_j}\right\}$.

Пример 2

Задание: Два килограмма воды взяли при температуре 00C при атмосферном давлении нагрели и превратили в пар полностью. Найдите изменение энтропии, если считать процесс обратимым.

\[\triangle S=\int{\frac{\delta Q}{T}}=\triangle S_{nagr}+\triangle S_p\ (2.1),\]

где $\triangle S_{nagr}$ изменение энтропии при нагревании воды от нуля по Цельсию до температуры кипения, то есть от $T_1=273\ K\ до\ T_2=373\ K$. $\triangle S_p-\ $изменение энтропии при парообразовании. Найдем изменение энтропии при нагревании воды:

\[\triangle S_{nagr}=\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{\delta Q}{T}}=\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{cmdT}{T}}=cm\int\limits^{T_2}_{T_1}{\frac{dT}{T}}=cmln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)\left(2.2\right),\]

где $c$ удельная теплоемкость воды равна $c=4,2\ {\cdot 10}^3\frac{Дж}{кгК}$

Процесс парообразования при температуре кипения идет без изменения температуры, поэтому выражение для изменения энтропии в этом процессе будет иметь вид:

\[\triangle S_p=\frac{1}{T_2}\int{\delta Q}=\frac{1}{T_2}\triangle Q=\frac{r_pm}{T_2}\left(2.3\right),\]

где $r_p$- удельная теплота парообразования из справочных материалов равна для воды $r_p=22,6\cdot {10}^5\frac{Дж}{кг}$.

Окончательно выражение для изменения энтропии имеем в виде:

\[\triangle S=cmln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)+\frac{r_pm}{T_2}\ \left(2.4\right).\]

Все данные переведены в СИ, проведем расчет:

\[\triangle S=4,2\ {\cdot 10}^3\cdot 2{ln \left(\frac{373}{273}\right)\ }+\frac{22,6\cdot {10}^5\cdot 2}{373}=14,6{\cdot 10}^3\frac{Дж}{К}.\]

Ответ: Изменение энтропии в заданном процессе равно $1,46{\cdot 10}^4\frac{Дж}{К}$.

Темы кодификатора ЕГЭ : изменение агрегатных состояний вещества, плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, кипение жидкости, изменение энергии в фазовых переходах.

Лёд, вода и водяной пар - примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество - зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы - изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы .

Плавление (твёрдое тело жидкость) и кристаллизация (жидкость твёрдое тело).
Парообразование (жидкость пар) и конденсация (пар жидкость).

Плавление и кристаллизация

Большинство твёрдых тел являются кристаллическими , т.е. имеют кристаллическую решётку - строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.

Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия - узлов кристаллической решётки.

Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли - это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1 , на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.

Рис. 1. Кристаллическая решётка

Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело - для этого нужно нагреть его до температуры плавления , которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.

Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием . Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.

Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации . Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае - зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).

Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении - так называемые графики плавления и кристаллизации.

График плавления

Начнём с графика плавления (рис. 2 ). Пусть в начальный момент времени (точка на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру .

Рис. 2. График плавления

Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины - температуры плавления данного вещества. Это участок графика.

На участке тело получает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, - масса тела.

При достижении температуры плавления (в точке ) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке происходит плавление тела - его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке , тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.

Участок соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава ). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты

где - удельная теплоёмкость жидкости.

Но нас сейчас больше всего интересует - участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!

Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами - как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).

Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку - так начинается плавление на участке .

С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц - на нагревание расплава.

Удельная теплота плавления

Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).

Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .

Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:

Коэффициент пропорциональности не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества . Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.

Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.

Так, удельная теплота плавления льда равна кДж/кг, свинца - кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).

График кристаллизации

Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации - процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3) .

Рис. 3. График кристаллизации

Жидкость остывает (участок ), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .

С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке происходит кристаллизация расплава - его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке , тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше - жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе-онаполностьюкристаллизовалась.

Следующий участок соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.

Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?

Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.

Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка ), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.

Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия - кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.

В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).

Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было поглощено при плавлении на участке .

Парообразование и конденсация

Парообразование - это переход жидкости в газообразное состояние (в пар ). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.

Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу - тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее - вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).

Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией .

Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно

В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар .

Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.

Поскольку испарение - это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких;-)).

Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.

Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).

Кипение

Кипение - это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.

Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар - шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.

Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму - испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.

В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения - именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению ). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.

При нормальном атмосферном давлении ( атм или Па) температура кипения воды равна . Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач - часто он считается известным по умолчанию.

На вершине Эльбруса атмосферное давление равно атм, и вода там закипит при температуре . А под давлением атм вода начнёт кипеть только при .

Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников - это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при , эфир - при , ртуть - при . Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при . Значит, при обычных температурах кислород - это газ!

Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится - процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?

Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае - на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.

График кипения

Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости - так называемый график кипения (рис. 4 ).

Рис. 4. График кипения

Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.

Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:

Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.

Так, при удельная теплота парообразования воды равна кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) - удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.

График конденсации

Процесс конденсации пара и последующего остывания жидкости выглядит на графике симметрично процессу нагревания и кипения. Вот соответствующий график конденсации для случая стоградусного водяного пара, наиболее часто встречающегося в задачах (рис. 5 ).

Рис. 5. График конденсации

В точке имеем водяной пар при . На участке идёт конденсация; внутри этого участка - смесь пара и воды при . В точке пара больше нет, имеется лишь вода при . Участок - остывание этой воды.

Опыт показывает, что при конденсации пара массы (т. е. при прохождении участка ) выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было потрачено на превращение в пар жидкости массы при данной температуре.

Давайте ради интереса сравним следующие количества теплоты:

Которое выделяется при конденсации г водяного пара;
, которое выделяется при остывании получившейся стоградусной воды до температуры, скажем, .

Дж;
Дж.

Эти числа наглядно показывают, что ожог паром гораздо страшнее ожога кипятком. При попадании на кожу кипятка выделяется «всего лишь» (кипяток остывает). А вот при ожоге паром сначала выделится на порядок большее количество теплоты (пар конденсируется), образуется стоградусная вода, после чего добавится та же величина при остывании этой воды.

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием . Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и

Испарение

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар .

Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.

Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Например, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.

Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, зависит от площади поверхности жидкости.

Конденсация

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией .

Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.

Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным .

Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.

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

Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.

У всех веществ есть три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное, которые проявляются при особых условиях.

Определение 1

Фазовый переход – это переход вещества от одного состояния к другому.

Примерами такого процесса являются конденсация и испарение.

Если создать определенные условия, можно превратить любой реальный газ (например, азот, водород, кислород) в жидкость. Для этого необходимо понижение температуры ниже некоторого минимума, называемого критической температурой. Она обозначается T к р. Так, для азота значение этого параметра равно 126 К, для воды – 647 , 3 К, для кислорода – 154 , 3 К. При поддержании комнатной температуры вода может сохранять как газообразное, так и жидкое состояние, а азот и кислород – только газообразное.

Определение 2

Испарение – это фазовый переход вещества в газообразное состояние из жидкого.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет этот процесс постепенным перемещением с поверхности жидкости тех молекул, чья кинетическая энергия больше, чем энергия их связи с остальными молекулами жидкого вещества. Вследствие испарения средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что, в свою очередь, приводит к снижению температуры жидкости, если к ней не подведен дополнительный источник внешней энергии.

Определение 3

Конденсация – это фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкое (процесс, обратный испарению).

Во время конденсации молекулы пара возвращаются обратно в жидкое состояние.

Рисунок 3 . 4 . 1 . Модель испарения и конденсации.

Если сосуд, в котором находится жидкость или газ, закупорен, то в таком случае его содержимое может находиться в динамическом равновесии, т.е. скорость процессов конденсации и испарения будет одинаковой (из жидкости будет испаряться столько молекул, сколько возвращается обратно из пара). Такая система получила название двухфазной.

Определение 4

Насыщенный пар – это пар, который находится со своей жидкостью в состоянии динамического равновесия.

Существует зависимость между количеством молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в течение одной секунды, и температурой этой жидкости. Скорость процесса конденсации зависит от концентрации молекул пара и скорости их теплового движения, которая, в свою очередь, также находится в прямой зависимости от температуры. Следовательно, можно сделать вывод, что при равновесии жидкости и ее пара концентрация молекул будет определяться равновесной температурой. При повышении температуры необходима высокая концентрация молекул пара, чтобы испарение и конденсация стали одинаковыми по скорости.

Поскольку, как мы уже выяснили, концентрация и температура будут определять давление пара (газа), мы можем сформулировать следующее утверждение:

Определение 5

Давление насыщенного пара p 0 определенного вещества не зависит от объема, но находится в прямой зависимости от температуры.

Именно по этой причине изотермы реальных газов на плоскости включают в себя горизонтальные фрагменты, которые соответствуют двухфазной системе.

Рисунок 3 . 4 . 2 . Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область I I – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область I I I – газообразное вещество. K – критическая точка.

Если температура будет расти, увеличатся и давление насыщенного пара, и его плотность, а вот плотность жидкости, наоборот, будет снижаться из-за теплового расширения. При достижении критической для данного вещества температуры плотность жидкости и газа уравниваются, после прохождения этой точки физические различия между насыщенным паром и жидкостью исчезают.

Возьмем насыщенный пар и будем сжимать его изотермически при T < T к р. Его давление будет постепенно возрастать, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Постепенно на дне сосуда появится жидкость, и между ней и ее насыщенным паром возникнет динамическое равновесие. По мере уменьшения объема будет происходить конденсация все большей части пара при неизменном давлении (на изотерме это состояние соответствует горизонтальному участку). После того, как весь пар перейдет в жидкое состояние, давление начнет резко увеличиваться при дальнейшем уменьшении объема, поскольку жидкость сжимается слабо.

Необязательно проходить двухфазную область, чтобы совершить переход от газа к жидкости. Процесс можно провести и в обход критической точки. На изображении такой вариант показан при помощи ломаной линии A B C .

Рисунок 3 . 4 . 3 . Модель изотермы реального газа.

Воздух, которым мы дышим, при некотором давлении всегда включает в себя водяные пары. Это давление, как правило, меньше, чем давление насыщенного пара.

Определение 6

Относительная влажность воздуха – это отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара.

В виде формулы это можно записать так:

φ = p p 0 · 100 % .

Для описания ненасыщенного пара допустимо использовать и уравнение состояния идеального газа с учетом обычных для реального газа ограничений: не слишком большого давления пара (p ≤ (10 6 – 10 7) П а) и температуры выше значения, определенного для каждого конкретного вещества.

Для описания насыщенного пара применимы законы идеального газа. Однако при этом давление для каждой температуры должно быть определено по кривой равновесия для данного вещества.

Чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара. Эту зависимость из законов идеального газа вывести нельзя. При условии постоянной концентрации молекул давление газа будет постоянно возрастать прямо пропорционально температуре. Если пар является насыщенным, то с ростом температуры будет расти не только концентрация, но и средняя кинетическая энергия молекул. Из этого следует, что чем выше температура, тем быстрее растет давление насыщенного пара. Этот процесс происходит быстрее, чем рост давления идеального газа при условии постоянной концентрации молекул в нем.

Что такое кипение

Выше мы указывали, что испарение идет в основном с поверхности, но оно также может происходить и из основного объема жидкости. Любое жидкое вещество включает в себя мелкие газовые пузырьки. Если внешнее давление (т.е. давление газа в них) уравнять с давлением насыщенного пара, то произойдет испарение жидкости внутри пузырьков, и они начнут наполняться паром, расширяться и всплывать на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, температура кипения зависит от внешнего давления.

Определение 7

Жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой внешнее давление и давление ее насыщенных паров будут равны.

Если атмосферное давление нормальное, то для кипения воды нужна температура 100 ° С. При ней давление насыщенных водяных паров будет равно 1 а т м. Если мы будем кипятить воду в горах, то из-за уменьшения атмосферного давления температура кипения снизится до 70 ° С.

Жидкость может кипеть только в открытом сосуде. Если его герметично закрыть, то нарушится равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. Узнать температуру кипения при различных значениях давления можно с помощью кривой равновесия.

На изображении выше с помощью изотерма реального газа показаны процессы фазовых переходов – конденсации и испарения. Эта схема является неполной, поскольку вещество может принимать также и твердое состояние. Достижение термодинамического равновесия между фазами вещества при заданной температуре возможно лишь при определенном давлении в системе.

Определение 8

Кривая фазового равновесия – это зависимость между равновесным давлением и температурой.

Примером такой зависимости может быть кривая равновесия жидкости и насыщенного пара. Если мы построим кривые, отображающие равновесие между фазами одного вещества, на плоскости, то мы увидим определенные области, которые соответствуют разным агрегатным состояниям вещества – жидкому, твердому, газообразному. Кривые, построенные в системе координат, называются фазовыми диаграммами.

Рисунок 3 . 4 . 4 . Типичная фазовая диаграмма вещества. K – критическая точка, T – тройная точка. Область I – твердое тело, область I I – жидкость, область I I I – газообразное вещество.

Равновесие между газообразной и твердой фазой вещества отображает так называемая кривая сублимации (на рисунке она обозначена как 0 T), между паром и жидкостью – кривая испарения, которая заканчивается в критической точке. Кривая равновесия между жидкостью и твердым телом называется кривой плавления.

Определение 9

Тройная точка – это точка, в которой сходятся все кривые равновесия, т.е. возможны все фазы вещества.

Многие вещества достигают тройной точки при давлении меньше 1 а т м ≈ 10 5 П а. Они плавятся при нагревании в атмосферном давлении. Так, у воды тройная точка имеет координаты T т р = 273 , 16 К, p т р = 6 , 02 · 10 2 П а. Именно на ней основана абсолютная температурная шкала Кельвина.

У некоторых веществ достижение тройной точки происходит и при давлении выше 1 а т м.

Пример 1

Например, для углекислоты нужно давление в 5 , 11 а т м и температура T т р = 216 , 5 К. Если давление равно атмосферному, то для поддержания ее в твердом состоянии нужна низкая температура, а переход в жидкое состояние становится невозможен. Углекислота в равновесии со своим паром при атмосферном давлении называется сухим льдом. Это вещество не способно плавиться, а может только испаряться (сублимировать).

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter