С.А. Испарување

Сите гасови се пареа од која било супстанција, затоа не постои фундаментална разлика помеѓу концептите на гас и пареа. Водената пареа е феномен. вистински гас и е широко користен во различни индустрии. Ова се објаснува со сеприсутноста на водата, нејзината евтина и безопасност за здравјето на луѓето. Водената пареа се создава со испарување на водата кога се снабдува со топлина.

Испарувањеповикани процесот на менување на течноста во пареа.

Испарувањеповикани испарување што се случува само од површината на течноста и на која било температура. Интензитетот на испарување зависи од природата на течноста и температурата.

Вриеповикани испарување низ целата маса на течност.

Процесот на претворање на пареата во течност, кој настанува кога топлината се отстранува од неа и е процес обратен од испарувањето, т.н. кондензација. Овој процес, како и испарувањето, се случува на константна температура.

Сублимацијаили сублимацијаповикани процес на промена на супстанција од цврста состојба директно во пареа.

Процесот е обратен од процесот на сублимација, т.е. процесот на транзиција на пареата директно во цврста состојба, наречен. десублимација.

Заситена пареа.Кога течноста испарува во ограничен волумен, истовремено се случува и обратниот процес, т.е. феномен на втечнување. Како што испарува пареата и го исполнува просторот над течноста, интензитетот на испарување се намалува и интензитетот на обратниот процес се зголемува. Во одреден момент, кога брзината на кондензација станува еднаква на стапката на испарување, се јавува динамичка рамнотежа во системот. Во оваа состојба, бројот на молекули кои летаат надвор од течноста ќе биде еднаков на бројот на молекули кои се враќаат назад во неа. Следствено, во просторот на пареа во оваа рамнотежна состојба ќе има максимален број на молекули. Пареата во оваа состојба има максимална густина и се нарекува. богат. Под заситена подразбираме пареа која е во рамнотежа со течноста од која се формира. Заситената пареа има температура која е во функција на нејзиниот притисок, еднаква на притисокот на медиумот во кој се случува процесот на вриење. Кога волуменот на заситената пареа се зголемува при константна температура, одредена количина течност се претвора во пареа, а кога волуменот се намалува при константна температура, пареата се претвора во течност, но и во првиот и во вториот случај, притисокот на пареата останува константна.

Сува заситена пареасе добива кога целата течност испарува. Волуменот и температурата на сувата пареа се функции на притисокот. Како резултат на тоа, состојбата на сува пареа се одредува со еден параметар, на пример, притисок или температура.

Влажна заситена пареа, како резултат на нецелосно испарување на течност, феномен. мешавина од пареа со ситни капки течност, рамномерно распоредени низ целата маса и суспендирани во неа.

Масен удел на сува пареа во влажна пареа се нарекува. степен на сувостили масовна содржина на пареа и се означува со x. Масен удел на течност во влажна пареа се нарекува. степен на влажности се означува со y. Очигледно y=1-x. Степенот на сувост и степенот на влажност се изразуваат или како фракции од единица или како процент.

За сува пареа x=1, а за вода x=0. За време на процесот на формирање на пареа, степенот на сувост на пареа постепено се зголемува од нула до еден.

Кога топлината се пренесува на сувата пареа при постојан притисок, нејзината температура ќе се зголеми. Пареата произведена во овој процес се нарекува. прегреани.

Бидејќи специфичниот волумен на прегреана пареа е поголем од специфичниот волумен на заситената пареа (бидејќи р=const, tper>tн), тогаш густината на прегреаната пареа е помала од густината на заситената пареа. Затоа, прегреана пареа е незаситени. Во однос на неговите физички својства, прегреаната пареа се приближува до идеалните гасови.

10.3. Р, v– дијаграм на водена пареа

Да ги разгледаме карактеристиките на процесот на испарување. Нека има 1 kg вода во цилиндар на температура од 0 C, на чија површина се врши притисок p со помош на клипот. Волуменот на вода што се наоѓа под клипот е еднаков на специфичниот волумен на 0 C, означен со ( = 0,001 m / kg, за едноставност, претпоставуваме дека водата е феномен). практично некомпресибилна течност и има најголема густина на 0 C, а не на 4 C (поточно 3,98 C). Кога цилиндерот се загрева и топлината се пренесува во водата, нејзината температура ќе се зголеми, волуменот ќе се зголеми, а кога ќе се достигне t = t n, што одговара на p = p 1, водата ќе зоврие и ќе започне формирањето на пареа.

Сите промени во состојбата на течност и пареа ќе бидат забележани во стр. vкоординати (сл. 10.1).

Процесот на формирање на прегреана пареа при p=const се состои од три последователно извршени физички процеси:

1. Загревање на течноста на температура tn;

2. Испарување при t n =const;

3. Прегревање на пареата, придружено со зголемување на температурата.

Кога p=p 1 овие процеси во p, v– дијаграмот одговара на отсечките a-a, a-a, a-d. Во интервалот помеѓу точките a и a, температурата ќе биде константна и еднаква на tn1, а пареата ќе биде влажна, а поблиску до t.a нејзиниот степен на сувост ќе биде помал (x = 0), а во t.a, што одговара на состојбата сува пареа, x = 1. Ако процесот на испарување се случува при поголем притисок (p 2 > p 1), тогаш волуменот на водата практично ќе остане ист. Волуменот v што одговара на вода што врие малку ќе се зголеми (), бидејќи t n2 >t n1 и волумен, бидејќи процесот на испарување при повисок притисок и висока температура се случува поинтензивно. Следствено, како што се зголемува притисокот, разликата во волуменот (сегмент) се зголемува, а волуменската разлика (сегмент) се намалува. Слична слика ќе се појави кога процесот на испарување ќе се случи при поголем притисок (p 3 > p 2 ; ; , бидејќи t n3 > t n2).

Ако на сл. 10.1 поврземе точки со еден и два удари што лежат на изобарите

различни притисоци, добиваме линии ; ,

од кои секоја има многу специфично значење. На пример, линијата a-b-c ја изразува зависноста на специфичниот волумен на вода на 0 C од притисокот. Таа е речиси паралелна со оската на ординатите, бидејќи Водата е практично некомпресибилна течност. Линијата ја покажува зависноста на специфичниот волумен на врела вода од притисокот. Оваа линија се нарекува крива на долната граница. Во стр, v– дијаграм, оваа крива го одвојува регионот на вода од областа на заситена пареа. Линијата ја покажува зависноста на специфичниот волумен на сува пареа од притисокот и повикана. горната гранична крива. Го одвојува регионот на заситена пареа од презаситената (незаситена) пареа.

Точката на средба на граничните криви се нарекува. критична точка К. Оваа точка одговара на одредена ограничувачка критична состојба на супстанцијата, кога нема разлика помеѓу течност и пареа. Во овој момент не постои дел од процесот на испарување. Параметрите на супстанцијата во оваа состојба се нарекуваат. критички. На пример, за вода: pk=22,1145 MPa; Tk=647,266 K; Vk=0,003147 m/kg.

Критична температура максимална температура на заситена пареа. На температури над критичната температура, може да постојат само прегреани пареи и гасови. Концептот за критична температура првпат бил даден во 1860 година од Д.И. Менделеев. Тој ја дефинираше како температура над која гасот не може да се претвори во течност, без разлика колку висок притисок е на него.

Меѓутоа, процесот на испарување не се случува секогаш како што е прикажано на сл. 10.1. ако водата се исчисти од механички нечистотии и гасови растворени во неа, испарувањето може да започне на температура над Tn (понекогаш за 15-20 К) поради отсуство на центри за испарување. Оваа вода се нарекува прегреани. Од друга страна, со брзо изобарично ладење на прегреана пареа, нејзината кондензација може да не започне на Tn. и на малку пониска температура. Овој пар се нарекува хипотермичкиили презаситен. Кога се одлучува во каква состојба на агрегација можат да бидат супстанциите (пареа или вода) при дадени p и T p и vили T и V секогаш треба да го имате на ум следново. Кога p=const за прегреана пареа и T d >T n (види Сл. 10.1); за вода, обратно и Т<Т н; при Т=const для перегретого пара и р е <р н; для воды и р n >Rn. Знаејќи ги овие односи и користејќи ги табелите за заситена пареа, секогаш можете да одредите во кој од трите региони 1, 2 или 3 (види слика 10.2) се наоѓа работната течност со дадените параметри, т.е. дали е течна (регион 1), заситена (регион 2) или прегреана (регион 3) пареа.

За суперкритичниот регион, критичната изотерма (крива со точки со цртичка) конвенционално се зема како веројатна граница вода-пареа. Во овој случај, лево и десно од оваа изотерма, супстанцијата е во еднофазна хомогена состојба, поседувајќи, на пример, во точката y својствата на течноста, а во точката z - својствата на пареата. .

Што е испарување

Дефиниција

Испарувањето е процес на испарување што се јавува од слободната површина на течноста.

Испарувањето се случува на која било температура и се јавува поинтензивно со зголемување на температурата. Како резултат на испарувањето, течноста се лади, бидејќи испарувањето може да се објасни со фактот дека молекулите со најголема кинетичка енергија летаат од површинскиот слој на течноста, надминувајќи ги привлечните сили на соседните молекули. Стапката на испарување зависи од надворешниот притисок и движењето на гасовитата фаза над слободната површина на течноста. Со зголемување на температурата, густината, а со тоа и притисокот на заситената пареа над течноста, се зголемува. Како што се зголемува густината на пареата, површинскиот напон на течноста се намалува, затоа, латентната топлина на испарувањето се намалува со зголемување на температурата. На критичната температура ($(\T)_k$), густината на заситените пареи е еднаква на густината на течноста, разликата помеѓу овие фази на супстанцијата исчезнува. Излегува дека на критичната температура, површинскиот напон и латентната топлина на испарување се еднакви на нула. Пареата, строго кажано, не е гас. За испарувања блиску до сатурација, притисокот малку се менува во зависност од волуменот. Законите за гас може приближно да се применат на незаситените пареи.

Што врие

Дефиниција

Процесот на интензивно испарување на течноста не само од нејзината слободна површина, туку и низ целиот волумен на течноста во меурчињата на пареа формирани во процесот се нарекува вриење.

Притисокот p во меурот на пареа се одредува според следниот израз:

каде $p_0$ е надворешниот притисок, $\rho gh$ е притисокот на слоевите течност што се наоѓаат погоре, $p_(R\ )=\frac(2\sigma)(r)$ е дополнителниот притисок што е предизвикана од искривувањето на меурот, $r$ е радиусот на меурот, $h$ е растојанието од центарот на меурот до површината на течноста, $\rho $ е густината на течноста, $ \sigma $ е површинскиот напон на течноста.

Вриењето започнува кога притисокот (еластичност) на заситената пареа во меурот ($p_p$) е поголем од притисокот на десната страна од формулата (1). Ако течноста има центри на испарување, тогаш вриењето на течноста започнува на пониски температури. Ако $\rho gh\ll p_0$, тогаш можеме да претпоставиме дека вриењето започнува на $p_p\приближно p_0$. Температурата на течноста на која нејзиниот притисок на заситена пареа е еднаков на надворешниот притисок се нарекува температура на вриење (точка) ($(\T)_k$). Строго кажано, вриењето на различни нивоа на течност се јавува при различни температури. Заситената пареа, која се наоѓа над површината на течноста што врие, има одредена температура. Неговата температура не зависи од тоа како врие во длабочините на течноста и се одредува само со надворешен притисок. Тоа е температурата на таквата пареа што се мисли кога се зборува за точката на вриење.

Ако вриењето се јавува при постојан притисок ($p_0$), тогаш температурата на вриење е константна. Топлината што се доставува до системот во овој случај се троши само за формирање на пареа.

Што е кондензација

Дефиниција

Обратниот процес на испарување се нарекува кондензација.

Кондензацијата ослободува топлина. Течното вриење и кондензацијата на пареа се фазни транзиции од прв ред. Да потсетиме дека фазната транзиција од прв ред е транзиција што е придружена со нагло менување на внатрешната енергија и густината на супстанцијата. За време на фазните транзиции од прв ред, кои вклучуваат испарување и кондензација, термодинамичкиот потенцијал (Ф) на системот не се менува.

Количината на топлина што мора да се потроши при испарување на единица маса на течност на температура еднаква на $(\T)_k$ се нарекува специфична топлина на испарување (или латентна топлина на вриење) ($r_k$). Специфичната топлина на испарување може да се најде од равенката Клејперон-Клаузиус:

каде $v_p,v_j$ се специфичните волумени на пареа и течност на точката на вриење $T_k$. Според тоа, зависноста на точката на вриење од притисокот за време на процесот на испарување е дефинирана како:

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

Бидејќи $v_p>v_j$ и $r_k>0$, тогаш $\frac(dT_k)(dp)>0.\ $ Слика 1 ја прикажува фазната крива на рамнотежата на процесот на испарување. Завршува на критичната точка K. Последица од прекинот на кривата на испарување во точката K е континуитетот на течната и гасовита состојба на супстанцијата. Точката на вриење се зголемува со зголемување на притисокот.

Пример 1

Задача: Одредете ја моларната топлина на испарувањето на течноста на температура T и притисокот p на заситената пареа, ако течноста и нејзината пареа се покоруваат на ван дер Валсовата равенка. Коефициентите во ван дер Валсовата равенка се a и b, $T\ll T_k$.

Топлината на испарување, врз основа на првиот закон на термодинамиката, може да се пресмета како:

каде $U_j-$ внатрешна енергија на течност, $U_p$ внатрешна енергија на пареа, $V_j, V_p$ волумени на течност и пареа соодветно, $p\left(V_p-V_j\десно)-\работа\изведена\за време на испарувањето $ против надворешните сили на притисок стр. Разликата во внатрешните енергии според ван дер Валсовата равенка е еднаква на:

Ја користиме ван дер Валсовата равенка за еден мол од супстанцијата:

\[\лево(p+\frac(a)(V^2)\десно)\лево(V-b\десно)=RT\до p=\frac(RT)(\лево(V-b\десно))-\frac( а)(V^2)\ \лево(1.3\десно).\]

Добиваме:

Одговор: Моларната топлина на испарувањето на течноста под дадени услови е еднаква на: $r_p=V_p\left\(\frac(RT)(V_p-b)-\frac(2a)(V^2_p)\right\) -V_j\ \лево\ (\frac(RT)(V_j-b)-\frac(2a)(V^2_j)\десно\)$.

Пример 2

Задача: Земени се два килограми вода на температура од 00С при атмосферски притисок, загреана и целосно претворена во пареа. Најдете ја промената во ентропијата ако процесот се смета за реверзибилен.

\[\триаголник S=\int(\frac(\делта Q)(T))=\триаголник S_(nagr)+\триаголник S_p\ (2.1),\]

каде $\триаголник S_(nagr)$ е промената на ентропијата кога водата се загрева од нула Целзиусови до точка на вриење, односно од $T_1=273\ K\ до\ T_2=373\ K$. $\триаголник S_p-\ $промена на ентропијата при испарување. Ајде да ја најдеме промената на ентропијата кога водата се загрева:

\[\триаголник S_(nagr)=\int\limits^(T_2)_(T_1)(\frac(\delta Q)(T))=\int\limits^(T_2)_(T_1)(\frac( cmdT)(T))=cm\int\limits^(T_2)_(T_1)(\frac(dT)(T))=cmln\left(\frac(T_2)(T_1)\десно)\лево(2.2 \десно),\]

каде $c$ специфичен топлински капацитет на вода е еднаков на $c=4,2\ (\cdot 10)^3\frac(J)(kgK)$

Процесот на испарување на точката на вриење се случува без промена на температурата, така што изразот за промена на ентропијата во овој процес ќе биде:

\[\триаголник S_p=\frac(1)(T_2)\int(\делта Q)=\frac(1)(T_2)\триаголник Q=\frac(r_pm)(T_2)\лево(2.3\десно), \]

каде што $r_p$ е специфичната топлина на испарување од референтните материјали и е еднаква на $r_p=22,6\cdot (10)^5\frac(J)(kg)$ за вода.

Конечниот израз за промената на ентропијата е:

\[\триаголник S=cmln\лево(\frac(T_2)(T_1)\десно)+\frac(r_pm)(T_2)\ \лево(2.4\десно).\]

Сите податоци се претворени во SI, ајде да ја извршиме пресметката:

\[\триаголник S=4.2\ (\cdot 10)^3\cdot 2(ln \left(\frac(373)(273)\right)\ )+\frac(22.6\cdot (10) ^5\cdot 2)(373)=14,6(\cточка 10)^3\frac(J)(K).\]

Одговор: Промената на ентропијата во даден процес е еднаква на $1,46(\cdot 10)^4\frac(J)(K)$.

Теми на кодификаторот за обединет државен испит: промена на агрегатните состојби на материјата, топење и кристализација, испарување и кондензација, вриење на течноста, промена на енергијата при фазни транзиции.

Мразот, водата и водената пареа се примери за трите состојби на агрегацијасупстанции: цврсти, течни и гасовити. Во каква точна состојба на агрегација се наоѓа одредена супстанција зависи од нејзината температура и другите надворешни услови во кои се наоѓа.

Кога се менуваат надворешните услови (на пример, ако внатрешната енергија на телото се зголемува или намалува како резултат на загревање или ладење), може да се појават фазни транзиции - промени во агрегатните состојби на супстанцијата на телото. Ќе нè интересира следново фазни транзиции.

Топење(цврсто-течно) и кристализација(течно-цврста).
Испарување(течна пареа) и кондензација(течност на пареа).

Топење и кристализација

Повеќето цврсти материи се кристален, т.е. имаат кристална решетка- строго дефиниран, периодично повторуван распоред на неговите честички во вселената.

Честичките (атоми или молекули) на кристално цврсто тело подлежат на термички вибрации во близина на фиксни позиции на рамнотежа - јазликристална решетка.

На пример, јазлите на кристалната решетка од кујнска сол се темиња на кубни ќелии од „тродимензионална карирана хартија“ (види слика 1, во која поголемите топчиња претставуваат атоми на хлор (слика од en.wikipedia.org.)) ; Ако ја оставите водата од солениот раствор да испари, преостанатата сол ќе биде куп мали коцки.

Ориз. 1. Кристална решетка

Топењенаречена трансформација на кристална цврста состојба во течност. Секое тело може да се стопи - за да го направите ова треба да го загреете точка на топење, што зависи само од супстанцијата на телото, но не и од неговата форма или големина. Точката на топење на дадена супстанција може да се одреди од табелите.

Напротив, ако изладите течност, порано или подоцна таа ќе се претвори во цврста состојба. Трансформацијата на течност во кристално цврсто се нарекува кристализацијаили стврднување. Така, топењето и кристализацијата се меѓусебно инверзни процеси.

Температурата на која течноста се кристализира се нарекува температура на кристализација. Излегува дека температурата на кристализација е еднаква на температурата на топење: на дадена температура, може да се појават двата процеси. Значи, кога мразот се топи, водата кристализира; Што точносе јавува во секој конкретен случај - зависи од надворешните услови (на пример, дали топлината се снабдува со супстанцијата или се отстранува од неа).

Како доаѓа до топење и кристализација? Кој е нивниот механизам? За да ја разбереме суштината на овие процеси, да ги разгледаме графиконите на зависноста на температурата на телото од времето за време на неговото загревање и ладење - таканаречените графикони на топење и кристализација.

График на топење

Да почнеме со графикот на топење (сл. 2). Нека во почетниот временски момент (точка на графиконот) телото е кристално и има одредена температура.

Ориз. 2. График на топење

Потоа топлината почнува да му се доставува на телото (да речеме, телото се става во печка за топење), а температурата на телото се зголемува до вредност - температурата на топење на дадената супстанција. Ова е дел од графиконот.

На местото телото добива количина на топлина

каде е специфичниот топлински капацитет на цврстата супстанција и е масата на телото.

Кога ќе се достигне температурата на топење (во точка ) ситуацијата квалитативно се менува. И покрај фактот дека топлината продолжува да се снабдува, температурата на телото останува непроменета. Се случува на локацијата топењетело - нејзиниот постепен премин од цврсто во течно. Внатре во областа имаме мешавина од цврсто и течно, и колку е поблиску до точката, толку помалку цврсто останува и се појавува повеќе течност. Конечно, во еден момент не остана ништо од првобитното цврсто тело: целосно се претвори во течност.

Областа одговара на понатамошно загревање на течноста (или, како што велат, се топи). Во оваа област, течноста апсорбира количина на топлина

каде е специфичниот топлински капацитет на течноста.

Но, она што сега најмногу нè интересира е областа на транзиција на фаза. Зошто температурата на смесата не се менува во оваа област? Доаѓа жештината!

Да се ​​вратиме на почетокот на процесот на загревање. Зголемувањето на температурата на цврстото тело во одредена област е резултат на зголемувањето на интензитетот на вибрациите на неговите честички во јазлите на кристалната решетка: испорачаната топлина се зголемува. кинетичкиенергија на честичките на телото (всушност, одреден дел од испорачаната топлина се троши на извршување на работа за зголемување на просечните растојанија помеѓу честичките - како што знаеме, телата се шират кога се загреваат. Сепак, овој дел е толку мал што може да се игнорирани.).

Кристалната решетка станува се полабава и повеќе и повеќе, а при температурата на топење опсегот на вибрации ја достигнува граничната вредност при која привлечните сили меѓу честичките сè уште се способни да го обезбедат нивниот нареден распоред меѓу себе. Цврстото тело почнува да „пука по шевовите“, а понатамошното загревање ја уништува кристалната решетка - вака започнува топењето во областа.

Од овој момент, целата испорачана топлина се користи за извршување на работа на кршење на врските што ги држат честичките во јазлите на кристалната решетка, т.е. да зголеми потенцијаленергија на честички. Кинетичката енергија на честичките останува иста, па температурата на телото не се менува. Во одреден момент, кристалната структура целосно исчезнува, нема што да се уништи, а испорачаната топлина повторно оди на зголемување на кинетичката енергија на честичките - за загревање на топењето.

Специфична топлина на фузија

Значи, за да се трансформира цврста состојба во течност, не е доволно да се доведе до точка на топење. Потребно е дополнително (веќе на температура на топење) да се обезбеди телото со одредена количина на топлина за целосно уништување на кристалната решетка (т.е. да помине низ пресекот).

Оваа количина на топлина оди да ја зголеми потенцијалната енергија на интеракцијата на честичките. Следствено, внатрешната енергија на топењето во точка е поголема од внатрешната енергија на цврстото во точка за одредена количина.

Искуството покажува дека вредноста е директно пропорционална на телесната тежина:

Коефициентот на пропорционалност не зависи од обликот и големината на телото и е карактеристика на супстанцијата. Тоа се нарекува специфична топлина на фузија на супстанција. Специфичната топлина на фузија на дадена супстанција може да се најде во табелите.

Специфичната топлина на фузија е нумерички еднаква на количината на топлина потребна за да се трансформира еден килограм од дадена кристална супстанција доведена до точката на топење во течност.

Така, специфичната топлина на топењето на мразот е еднаква на kJ/kg, на олово - kJ/kg. Гледаме дека е потребно речиси двојно повеќе енергија за да се уништи ледената кристална решетка! Мразот е супстанца со висока специфична топлина на фузија и затоа не се топи веднаш во пролетта (природата презеде сопствени мерки: ако мразот ја имаше истата специфична топлина на фузија како оловото, целата маса на мраз и снег ќе се стопи со прво затоплување, поплавувајќи сè наоколу).

График на кристализација

Сега да продолжиме да размислуваме кристализација- процес обратен на топење. Почнуваме од точката на претходниот цртеж. Да претпоставиме дека во моментот загревањето на топењето престанало (шпоретот е исклучен и топењето е изложено на воздух). Понатамошни промени во температурата на топењето се прикажани на сл. (3) .

Ориз. 3. График на кристализација

Течноста се лади (пресек) додека нејзината температура не ја достигне температурата на кристализација, што се совпаѓа со точката на топење.

Од овој момент, температурата на топењето престанува да се менува, иако топлината сè уште излегува од него во околината. Се случува на локацијата кристализацијасе топи - неговата постепена транзиција во цврста состојба. Внатре во областа повторно имаме мешавина од цврсти и течни фази, и колку е поблиску до точката, толку станува поцврста и толку помалку течност, конечно, во точката воопшто не останува течност - таа целосно се кристализира.

Следниот дел одговара на понатамошното ладење на цврстото тело кое произлегува од кристализацијата.

Повторно нè интересира делот за фазна транзиција: зошто температурата останува непроменета и покрај загубата на топлина?

Да се ​​вратиме повторно на поентата. Откако ќе се прекине снабдувањето со топлина, температурата на топењето се намалува, бидејќи нејзините честички постепено ја губат кинетичката енергија како резултат на судири со молекулите на животната средина и емисијата на електромагнетни бранови.

Кога температурата на топењето ќе падне до температурата на кристализација (точка), нејзините честички ќе се забават толку многу што силите на привлекување ќе можат правилно да ги „рашират“ и да им дадат строго дефинирана меѓусебна ориентација во просторот. Ова ќе создаде услови за појава на кристална решетка, а таа всушност ќе почне да се формира поради понатамошното ослободување на енергија од топењето во околниот простор.

Во исто време, ќе започне контра процес на ослободување енергија: кога честичките ќе ги заземат местата кај јазлите на кристалната решетка, нивната потенцијална енергија нагло се намалува, поради што нивната кинетичка енергија се зголемува - кристализирачката течност е извор на топлина. (често можете да видите птици како седат во близина на ледената дупка. Тие се загреваат таму!) . Топлината ослободена при кристализација точно ја компензира загубата на топлина во околината и затоа температурата во областа не се менува.

Во моментот, топењето исчезнува, а заедно со завршувањето на кристализацијата, исчезнува и овој внатрешен „генератор“ на топлина. Поради континуираната дисипација на енергија во надворешната средина, намалувањето на температурата ќе продолжи, но само формираното цврсто тело (пресек) ќе се олади.

Како што покажува искуството, при кристализација во областа, токму истотоколичината на топлина што се апсорбирала при топењето во областа.

Испарување и кондензација

Испарувањее премин на течност во гасовита состојба (во пареа). Постојат два начини на испарување: испарување и вриење.

Испарувањенаречена испарување, што се случува на која било температура од слободна површинатечности. Како што се сеќавате од листот „Заситена пареа“, причината за испарувањето е заминувањето од течноста на најбрзите молекули кои се способни да ги надминат силите на меѓумолекуларната привлечност. Овие молекули формираат пареа над површината на течноста.

Различни течности испаруваат со различна брзина: колку е поголема силата на привлекување на молекулите едни кон други, толку помалку молекули по единица време ќе можат да ги надминат и да летаат надвор, а стапката на испарување е помала. Етерот, ацетонот и алкохолот брзо испаруваат (некогаш се нарекуваат испарливи течности), водата испарува побавно, а маслото и живата испаруваат многу побавно од водата.

Стапката на испарување се зголемува со зголемување на температурата (во топло време, алиштата ќе се сушат побрзо), бидејќи просечната кинетичка енергија на течните молекули се зголемува, а со тоа се зголемува и бројот на брзи молекули кои можат да ги напуштат своите граници.

Стапката на испарување зависи од површината на течноста: колку е поголема површината, толку повеќе молекули имаат пристап до површината, а испарувањето се случува побрзо (затоа кога се закачуваат алиштата, тие внимателно се исправаат).

Истовремено со испарувањето, се забележува и обратен процес: молекулите на пареата, правејќи случајни движења над површината на течноста, делумно се враќаат назад во течноста. Трансформацијата на пареата во течност се нарекува кондензација.

Кондензацијата го забавува испарувањето на течноста. Така, алиштата ќе се исушат побрзо на сув воздух отколку на влажен воздух. Ќе се исуши побрзо на ветрот: пареата ја носи ветрот, а испарувањето се јавува поинтензивно

Во некои ситуации, брзината на кондензација може да биде еднаква на стапката на испарување. Тогаш двата процеса се компензираат еден со друг и доаѓа до динамична рамнотежа: течноста со години не испарува од цврсто затворено шише, а во овој случај постои заситена пареа.

Постојано ја набљудуваме кондензацијата на водена пареа во атмосферата во форма на облаци, дожд и роса што паѓа наутро; Тоа е испарување и кондензација кои обезбедуваат циклус на вода во природата, поддржувајќи го животот на Земјата.

Бидејќи испарувањето е заминување на најбрзите молекули од течноста, при процесот на испарување просечната кинетичка енергија на течните молекули се намалува, т.е. течноста се лади. Многу ви е познато чувството на свежина, а понекогаш дури и студенило (особено на ветрот) кога ќе излезете од водата: водата, испарувајќи низ целата површина на телото, ја носи топлината, додека ветрот го забрзува процесот на испарување ( Сега е јасно зошто дуваме на топол чај, Патем, уште подобро е да вовлечете воздух во себе, бидејќи сувиот амбиентален воздух потоа излегува на површината на чајот, а не влажниот воздух од нашите бели дробови ;-)).

Истата свежина може да се почувствува ако на вашата рака поминете парче памучна волна натопена во испарлив растворувач (да речеме, ацетон или отстранувач на лак за нокти). На топлина од четириесет степени, благодарение на зголеменото испарување на влагата низ порите на нашето тело, ја одржуваме температурата на нормално ниво; Без овој механизам за терморегулација, на таква топлина едноставно би умреле.

Напротив, за време на процесот на кондензација, течноста се загрева: кога молекулите на пареа се враќаат во течноста, тие се забрзуваат со привлечни сили од блиските течни молекули, како резултат на што се зголемува просечната кинетичка енергија на молекулите на течноста ( споредете ја оваа појава со ослободување на енергија при кристализација на топење!).

Врие

Врие- ова е испарувањето што се случува низ целиот волументечности.

Врие е можно затоа што одредена количина на воздух секогаш се раствора во течност, која доаѓа таму како резултат на дифузија. Кога течноста се загрева, овој воздух се шири, воздушните меури постепено се зголемуваат во големина и стануваат видливи со голо око (во тава со вода се таложат на дното и на ѕидовите). Внатре во воздушните меури има заситена пареа, чиј притисок, како што се сеќавате, брзо се зголемува со зголемување на температурата.

Колку меурчињата стануваат поголеми, толку е поголема архимедовата сила на нив и во одреден момент меурчињата почнуваат да се одвојуваат и да лебдат нагоре. Издигнувајќи се нагоре, меурите влегуваат во помалку загреани слоеви на течноста; пареата во нив се кондензира, а меурчињата повторно се собираат. Колапсот на меурчињата предизвикува познатиот шум што му претходи на вриењето на котелот. Конечно, со текот на времето, целата течност рамномерно се загрева, меурчињата стигнуваат до површината и пукаат, исфрлајќи воздух и пареа - бучавата се заменува со жуборење, течноста врие.

Така, меурите служат како „проводници“ на пареа од внатрешноста на течноста до нејзината површина. За време на вриење, заедно со нормалното испарување, течноста се претвора во пареа низ целиот волумен - испарување во воздушни меури, проследено со ослободување на пареа надвор. Затоа зовриената течност испарува многу брзо: котел, од кој водата испарува многу денови, ќе врие за половина час.

За разлика од испарувањето, кое се случува на која било температура, течноста почнува да врие дури кога ќе достигне точка на вриење- токму температурата на која воздушните меури можат да лебдат и да стигнат до површината. Во точката на вриење, притисокот на заситената пареа станува еднаков на надворешниот притисок на течноста(особено, атмосферски притисок). Според тоа, колку е поголем надворешниот притисок, толку е поголема температурата на која ќе започне вриењето.

При нормален атмосферски притисок (atm или Pa), точката на вриење на водата е . Затоа притисокот на заситената водена пареа на температура еПа. Овој факт мора да се знае за да се решат проблемите - често се смета за познат по дифолт.

На врвот на Елбрус, атмосферскиот притисок е atm, а водата таму ќе врие на температура од . И под притисок atm, водата ќе почне да врие само во .

Точката на вриење (при нормален атмосферски притисок) е строго дефинирана вредност за дадена течност (точките на вриење дадени во табелите на учебниците и референтните книги се точките на вриење на хемиски чистите течности. Присуството на нечистотии во течност може да го промени вриењето точка На пример, водата од чешма содржи растворен хлор и некои соли, така што нејзината точка на вриење при нормален атмосферски притисок може малку да се разликува од ). Значи, алкохолот врие на , етер - на , живата - на . Ве молиме имајте предвид: колку е поиспарлива течноста, толку е помала нејзината точка на вриење. Во табелата со точки на вриење гледаме и дека кислородот врие на. Тоа значи дека на нормални температури кислородот е гас!

Знаеме дека ако котелот се тргне од оган, вриењето веднаш ќе престане - процесот на вриење бара континуирано снабдување со топлина. Во исто време, температурата на водата во котелот престанува да се менува по вриење, останувајќи еднаква цело време. Каде оди испорачаната топлина?

Ситуацијата е слична на процесот на топење: топлината се користи за зголемување на потенцијалната енергија на молекулите. Во овој случај - да се изврши работа за отстранување на молекулите на такви растојанија што силите на привлекување нема да можат да ги задржат молекулите блиску една до друга, а течноста ќе се претвори во гасовита состојба.

График на вриење

Да разгледаме графички приказ на процесот на загревање на течност - т.н табела за вриење(сл. 4).

Ориз. 4. График на вриење

Регионот му претходи на почетокот на вриење. Во областа, течноста врие, нејзината маса се намалува. Во овој момент течноста целосно врие.

Да се ​​помине делот, т.е. За да може течноста доведена до точката на вриење целосно да се претвори во пареа, мора да и се испорача одредена количина на топлина. Искуството покажува дека дадена количина на топлина е директно пропорционална со масата на течноста:

Факторот на пропорционалност се нарекува специфична топлина на испарувањетечности (на точка на вриење). Специфичната топлина на испарување е нумерички еднаква на количината на топлина што мора да се испорача на 1 kg течност земена на точката на вриење за целосно да се трансформира во пареа.

Значи, при специфична топлина на испарување на водата е еднаква на kJ/kg. Интересно е да се спореди со специфичната топлина на топењето на мразот (kJ/kg) - специфичната топлина на испарувањето е речиси седум пати поголема! Ова не е изненадувачки: на крајот на краиштата, за да се стопи мразот, треба само да го уништите наредениот распоред на молекулите на водата на јазлите на кристалната решетка; во исто време, растојанијата помеѓу молекулите остануваат приближно исти. Но, за да ја претворите водата во пареа, треба да направите многу повеќе работа за да ги раскинете сите врски помеѓу молекулите и да ги отстраните молекулите на значителни растојанија една од друга.

График на кондензација

Процесот на кондензација на пареа и последователно ладење на течноста изгледа на графиконот симетрично на процесот на загревање и вриење. Еве ја релевантната графикон за кондензацијаза случајот на водена пареа од сто степени која најчесто се среќава во проблеми (сл. 5).

Ориз. 5. График на кондензација

Во точката имаме водена пареа во. Во областа има кондензација; внатре во оваа област има мешавина од пареа и вода во . На местото нема повеќе пареа, има само вода во . Областа е ладење на оваа вода.

Искуството покажува дека при кондензација на пареа од маса (т.е. кога поминува низ дел), се ослободува точно иста количина на топлина што е потрошена за претворање на течна маса во пареа на дадена температура.

Ајде да ги споредиме следните количини на топлина за забава:

Која се ослободува кога водената пареа се кондензира;
, кој се ослободува кога добиената вода од 100 степени се лади до температура од, да речеме, .

Ј;
Ј.

Овие бројки јасно покажуваат дека согорувањето на пареа е многу полошо од изгореницата со врела вода. Кога зовриената вода ќе дојде во контакт со кожата, се ослободува „само“ (зовриената вода се лади). Но, во случај на изгореница со пареа, прво ќе се ослободи по ред поголемо количество топлина (пареата се кондензира), се формира сто степени вода, по што ќе се додаде иста количина додека оваа вода се лади.

Феноменот на промена на супстанцијата од течна во гасовита состојба се нарекува испарување. Испарувањето може да се изврши во форма на два процеси: испарувањеИ

Испарување

Испарувањето се јавува од површината на течноста на која било температура. Така, баричките се сушат на 10 °C, 20 °C и 30 °C. Така, испарувањето е процес на трансформација на супстанција од течна состојба во гасовита состојба, што се јавува од површината на течноста на која било температура.

Од гледна точка на структурата на материјата, испарувањето на течноста е објаснето на следниов начин. Течните молекули, кои учествуваат во континуирано движење, имаат различни брзини. Најбрзите молекули, лоцирани на границата на површината на водата и воздухот и имаат релативно висока енергија, ја надминуваат привлечноста на соседните молекули и ја напуштаат течноста. Така, над течноста се формира пареа.

Бидејќи молекулите кои имаат поголема внатрешна енергија летаат од течноста за време на испарувањето во споредба со енергијата на молекулите што остануваат во течноста, просечната брзина и просечната кинетичка енергија на молекулите на течноста се намалуваат и, следствено, температурата на течноста се намалува.

Стапка на испарувањетечноста зависи од видот на течноста. Така, стапката на испарување на етерот е поголема од стапката на испарување на водата и растителното масло. Покрај тоа, стапката на испарување зависи од движењето на воздухот над површината на течноста. Доказ може да биде дека алиштата се сушат побрзо на ветер отколку на место без ветар под исти надворешни услови.

Стапка на испарувањезависи од температурата на течноста. На пример, водата на 30°C испарува побрзо од водата на 10°C.

Добро е познато дека водата истурена во чинија ќе испари побрзо од водата со иста маса истурена во чаша. Затоа, зависи од површината на течноста.

Кондензација

Процесот на претворање на супстанција од гасовита состојба во течна состојба се нарекува кондензација.

Процесот на кондензација се случува истовремено со процесот на испарување. Молекулите што се испуштаат од течноста и се наоѓаат над нејзината површина учествуваат во хаотичното движење. Тие се судираат со други молекули и во одреден момент нивните брзини можат да бидат насочени кон површината на течноста, а молекулите ќе се вратат во неа.

Ако садот е отворен, тогаш процесот на испарување се случува побрзо од кондензацијата, а масата на течност во садот се намалува. Пареата формирана над течноста се нарекува незаситени .

Ако течноста се наоѓа во затворен сад, тогаш во почетокот бројот на молекули што ја напуштаат течноста ќе биде поголем од бројот на молекули што се враќаат во неа, но со текот на времето густината на пареата над течноста ќе се зголеми толку многу што бројот на молекули што заминуваат течноста ќе стане еднаква на бројот на молекули кои се враќаат во неа. Во овој случај, настанува динамична рамнотежа на течноста со нејзината пареа.

Пареата која е во состојба на динамичка рамнотежа со својата течност се нарекува заситена пареа .

Ако садот со течност што содржи заситена пареа се загрее, тогаш првично бројот на молекули што ја напуштаат течноста ќе се зголеми и ќе биде поголем од бројот на молекули што се враќаат во неа. Со текот на времето, рамнотежата ќе се врати, но густината на пареата над течноста и, соодветно, нејзиниот притисок ќе се зголеми.

Сите супстанции имаат три состојби на агрегација - цврста, течна и гасовита, кои се појавуваат под посебни услови.

Дефиниција 1

Фазна транзицијае премин на супстанција од една во друга состојба.

Примери за таков процес се кондензација и испарување.

Ако создадете одредени услови, можете да го претворите секој вистински гас (на пример, азот, водород, кислород) во течност. За да го направите ова, неопходно е да се намали температурата под одреден минимум, наречен критична температура. Се означува од Т до р. Значи, за азот вредноста на овој параметар е 126 K, за вода – 647,3 K, за кислород – 154,3 K. Кога се одржува собна температура, водата може да одржува и гасовита и течна состојба, додека азотот и кислородот можат да останат само гасовити.

Дефиниција 2

Испарување- Ова е фазен премин на супстанција во гасовита состојба од течност.

Молекуларната кинетичка теорија го објаснува овој процес со постепеното движење од површината на течноста на оние молекули чија кинетичка енергија е поголема од енергијата на нивното поврзување со остатокот од молекулите на течната супстанција. Поради испарувањето, просечната кинетичка енергија на преостанатите молекули се намалува, што, пак, доведува до намалување на температурата на течноста доколку не и се доставува дополнителен извор на надворешна енергија.

Дефиниција 3

Кондензацијае фазен премин на супстанција од гасовита состојба во течна состојба (процесот е обратен на испарување).

За време на кондензацијата, молекулите на пареата се враќаат во течна состојба.

Слика 3. 4 . 1 . Модел на испарување и кондензација.

Ако садот што содржи течност или гас е затнат, тогаш неговата содржина може да биде во динамична рамнотежа, т.е. брзината на процесите на кондензација и испарување ќе биде иста (толку молекули ќе испаруваат од течноста колку што ќе се вратат од пареата). Овој систем се нарекува двофазен.

Дефиниција 4

Заситена пареае пареа која е во состојба на динамичка рамнотежа со својата течност.

Постои врска помеѓу бројот на молекули кои испаруваат од површината на течноста во една секунда и температурата на таа течност. Брзината на процесот на кондензација зависи од концентрацијата на молекулите на пареата и брзината на нивното термичко движење, што, пак, е исто така директно зависно од температурата. Според тоа, можеме да заклучиме дека кога течноста и нејзината пареа се во рамнотежа, концентрацијата на молекулите ќе биде одредена од температурата на рамнотежата. Како што се зголемува температурата, потребна е висока концентрација на молекули на пареа, така што испарувањето и кондензацијата стануваат еднакви по брзина.

Бидејќи, како што веќе дознавме, концентрацијата и температурата ќе го одредат притисокот на пареата (гасот), можеме да ја формулираме следната изјава:

Дефиниција 5

Притисокот на заситената пареа p 0 на одредена супстанција не зависи од волуменот, туку е директно зависен од температурата.

Токму поради оваа причина изотермите на реалните гасови на рамнината вклучуваат хоризонтални фрагменти кои одговараат на двофазен систем.

Слика 3. 4 . 2. Изотерми на вистински гас. Регионот I е течен, регионот I I е двофазен систем „течност + заситена пареа“, регионот I I I е гасовита супстанција. К – критична точка.

Ако температурата се зголеми, и притисокот на заситената пареа и неговата густина ќе се зголемат, но густината на течноста, напротив, ќе се намали поради термичка експанзија. Кога ќе се достигне критичната температура за дадена супстанција, густината на течноста и гасот се изедначуваат по минување на оваа точка, физичките разлики помеѓу заситената пареа и течноста исчезнуваат.

Да земеме заситена пареа и да ја компресираме изотермално на Т< 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.

Не е неопходно да се помине низ двофазен регион за да се направи премин од гас во течност. Процесот може да се спроведе и заобиколувајќи ја критичната точка. На сликата, оваа опција е прикажана со скршена линија A B C.

Слика 3. 4 . 3. Изотермски модел на вистински гас.

Воздухот што го дишеме секогаш содржи водена пареа при одреден притисок. Овој притисок е обично помал од притисокот на заситената пареа.

Дефиниција 6

Релативна влажносте односот на парцијалниот притисок со притисокот на заситената водена пареа.

Ова може да се напише како формула:

φ = p p 0 · 100 % .

За да се опише незаситената пареа, исто така е дозволено да се користи равенката на состојбата на идеален гас, земајќи ги предвид вообичаените ограничувања за вистински гас: не премногу висок притисок на пареа (p ≤ (10 6 - 10 7) Pa) и a температура повисока од вредноста одредена за секоја специфична супстанција.

Идеалните закони за гас се применуваат за да се опише заситената пареа. Меѓутоа, притисокот за секоја температура мора да се одреди од кривата на рамнотежа за дадена супстанција.

Колку е поголема температурата, толку е поголем притисокот на заситената пареа. Оваа зависност не може да се изведе од идеалните закони за гас. Претпоставувајќи постојана концентрација на молекули, притисокот на гасот постојано ќе се зголемува во директна пропорција со температурата. Ако пареата е заситена, тогаш со зголемување на температурата не само што ќе се зголеми концентрацијата, туку и просечната кинетичка енергија на молекулите. Од ова произлегува дека колку е повисока температурата, толку побрзо се зголемува притисокот на заситената пареа. Овој процес се случува побрзо од зголемувањето на притисокот на идеалниот гас, под услов концентрацијата на молекулите во него да остане константна.

Што врие

Погоре посочивме дека испарувањето се јавува главно од површината, но може да се случи и од главниот волумен на течноста. Секоја течна супстанција вклучува мали меурчиња со гас. Ако надворешниот притисок (т.е. притисокот на гасот во нив) се изедначи со притисокот на заситената пареа, тогаш течноста во меурчињата ќе испари и тие ќе почнат да се полнат со пареа, да се шират и да испливаат на површината. Овој процес се нарекува вриење. Така, точката на вриење зависи од надворешниот притисок.

Дефиниција 7

Течноста почнува да врие на температура на која надворешниот притисок и притисокот на нејзините заситени пареи се еднакви.

Ако атмосферскиот притисок е нормален, тогаш потребна е температура од 100 ° C за да се вари водата На оваа температура, притисокот на заситената водена пареа ќе биде еднаков на 1 a t m, тогаш поради а намалување на атмосферскиот притисок, точката на вриење ќе падне на 70 ° C.

Течноста може да врие само во отворен сад. Ако е херметички затворен, рамнотежата помеѓу течноста и нејзината заситена пареа ќе биде нарушена. Можете да ја дознаете точката на вриење при различни притисоци користејќи ја кривата на рамнотежа.

Сликата погоре ги прикажува процесите на фазни транзиции - кондензација и испарување со помош на изотерма на вистински гас. Овој дијаграм е нецелосен, бидејќи супстанцијата може да добие и цврста состојба. Постигнувањето на термодинамичка рамнотежа помеѓу фазите на супстанцијата на дадена температура е можно само при одреден притисок во системот.

Дефиниција 8

Фазна рамнотежа кривае односот помеѓу рамнотежниот притисок и температурата.

Пример за таква врска може да биде кривата на рамнотежа помеѓу течната и заситената пареа. Ако конструираме криви кои прикажуваат рамнотежа помеѓу фазите на една супстанција на рамнина, тогаш ќе видиме одредени области кои одговараат на различни агрегатни состојби на супстанцијата - течна, цврста, гасовита. Кривите исцртани во координатен систем се нарекуваат фазни дијаграми.

Слика 3. 4 . 4 . Типичен фазен дијаграм на супстанција. К – критична точка, Т – тројна точка. Регионот I е цврста, регионот I I е течност, регионот I I I е гасовита супстанција.

Рамнотежата помеѓу гасовитата и цврстата фаза на супстанцијата се рефлектира со таканаречената крива на сублимација (на сликата е означена како 0 T), помеѓу пареата и течноста - со кривата на испарување, која завршува на критичната точка. Кривата на рамнотежа помеѓу течност и цврста состојба се нарекува крива на топење.

Дефиниција 9

Тројна точка– ова е точката во која се спојуваат сите криви на рамнотежа, т.е. Можни се сите фази на материјата.

Многу супстанции достигнуваат тројна точка при притисок помал од 1 a t m ≈ 10 5 Pa. Тие се топат кога се загреваат на атмосферски притисок. Значи, во близина на вода тројната точка има координати T t r = 273,16 K, p t r = 6,02 10 2 P a. На ова се заснова апсолутната температурна скала Келвин.

За некои супстанции, тројната точка се постигнува при притисок над 1 a t m.

Пример 1

На пример, јаглеродниот диоксид бара притисок од 5,11 a t m и температура T tr = 216,5 K. Ако притисокот е еднаков на атмосферскиот, тогаш за да се одржи во цврста состојба, потребна е ниска температура и премин во течна состојба станува невозможно. Јаглерод диоксидот во рамнотежа со неговата пареа при атмосферски притисок се нарекува сув мраз. Оваа супстанца не е способна да се топи, туку може само да испари (сублимира).

Доколку забележите грешка во текстот, означете ја и притиснете Ctrl+Enter