Залежність тиску від об'єму пари. Насичена та ненасичена пара

Білет №1

Насичений пар.

Якщо посудину з рідиною щільно закрити, то спочатку кількість рідини зменшиться, а потім залишатиметься постійною. При постійній температурі система рідина - пара прийде в стан теплової рівноваги і буде знаходитися в ньому як завгодно довго. Одночасно з процесом випаровування відбувається і конденсація, обидва процеси в середньому компенсують один одного.

У перший момент, після того як рідина наллють у посудину і закриють його, рідина випаровуватиметься і щільність пари над нею буде збільшуватися. Однак одночасно з цим зростатиме і число молекул, що повертаються в рідину. Чим більша щільність пари, тим більша кількістьйого молекул повертається у рідину. В результаті в закритій посудині при постійній температурівстановиться динамічна (рухлива) рівновага між рідиною і парою, тобто число молекул, що залишають поверхню рідини за деякий проміжок часу, дорівнюватиме в середньому числу молекул пари, що повернулися за той же час в рідину.

Пар, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою. Це визначення наголошує, що в даному обсязі при даній температурі не може перебувати Велика кількістьпара.

Тиск насиченої пари.

Що відбуватиметься з насиченою парою, якщо зменшити об'єм, який він займає?Наприклад, якщо стискати пару, що знаходиться в рівновазі з рідиною в циліндрі під поршнем, підтримуючи температуру постійного постійного циліндра.

При стисканні пари рівновага почне порушуватися. Щільність пари в перший момент трохи збільшиться, і з газу в рідину почне переходити більше молекул, ніж з рідини в газ. Адже кількість молекул, що залишають рідину в одиницю часу, залежить тільки від температури, і стиснення пари це число не змінює. Процес триває до того часу, поки знову не встановиться динамічна рівновага і щільність пари, отже, і концентрація його молекул приймуть колишніх своїх значень. Отже, концентрація молекул насиченої пари за постійної температури не залежить від його об'єму.

Так як тиск пропорційно концентрації молекул (p=nkT), то з цього визначення випливає, що тиск насиченої пари не залежить від об'єму, який він займає.

Тиск p н. пара, при якому рідина знаходиться в рівновазі зі своєю парою, називають тиском насиченої пари.

Залежність тиску насиченої пари від температури

Стан насиченої пари, як показує досвід, наближено описується рівнянням стану ідеального газу, а його тиск визначається формулою

Зі зростанням температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то отже, воно залежить тільки від температури.

Проте залежність р н. від Т, знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як ідеальний газ при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реальної насиченої пари зростає швидше, Чим тиск ідеального газу (рис. ділянку кривої 12). Чому це відбувається?

При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою Р = nкТ тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але йвнаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається збільшенням концентрації.

(Головна відмінність у поведінці ідеального газу і насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пар частково конденсується. ідеальним газом нічого подібного не відбувається.)

Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі зростатиме прямо пропорційно абсолютної температури(Див. Рис., Ділянка кривої 23).

Кипіння.

Кипіння - це інтенсивний перехід речовини з рідкого стану в газоподібний, що відбувається по всьому об'єму рідини (а не тільки з поверхні). (Конденсація – зворотний процес.)

У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Зрештою, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається незмінною. Це відбувається тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару.

За яких умов починається кипіння?

У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні та стінках судини, а також на зважених у рідині порошинках, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають більше низьку температуру, то цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Захлопування відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, виробляють щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина досить прогріється, бульбашки перестануть захлопуватись і спливуть на поверхню. Рідина закипить. Слідкуйте за чайником на плиті. Ви побачите, що перед закипанням він майже перестає шуміти.

Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску її поверхню. Пухирець пари може зростати, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевищує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини.

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, тим самим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти при кімнатній температурі.

У кожної рідини своя температура кипіння (яка залишається постійною, доки вся рідина не википить), яка залежить від тиску її насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння рідини.

Питома теплота пароутворення.

Кипіння відбувається із поглинанням теплоти.

Більшість теплоти, що підводиться, витрачається на розрив зв'язків між частинками речовини, решта - на роботу, що здійснюється при розширенні пари.

В результаті енергія взаємодії між частинками пари стає більшою, ніж між частинками рідини, тому внутрішня енергія пари більша, ніж внутрішня енергія рідини при тій же температурі.

Кількість теплоти, необхідне для переведення рідини в пару в процесі кипіння, можна розрахувати за формулою:

де m - маса рідини (кг),

L - питома теплота пароутворення (Дж/кг)

Питома теплота пароутворення показує, скільки теплоти необхідно, щоб перетворити на пару 1 кг даної речовини при температурі кипіння. Одиниця питомої теплотипароутворення в системі СІ:

[L] = 1 Дж/кг

Вологість повітря та його вимір.

У навколишньому повітрі практично завжди знаходиться деяка кількість водяної пари. Вологість повітря залежить від кількості водяної пари, що міститься в ній.

Сире повітря містить більший відсоток молекул води, ніж сухе.

Велике значення має відносна вологість повітря, повідомлення про яку щодня звучать у зведеннях метеопрогнозу.

Про
відносна вологість - це відношення щільності водяної пари, що міститься в повітрі, до щільності насиченої пари при даній температурі, виражене у відсотках. (Показує, наскільки водяна пара в повітрі близька до насичення)

Точка роси

Сухість або вологість повітря залежить від того, наскільки близька його водяна пара до насичення.

Якщо вологе повітря охолоджувати, то пар, що знаходиться в ньому, можна довести до насичення, і далі він буде конденсуватися.

Ознакою того, що пара наситилася є поява перших крапель рідини, що сконденсувалася - роси.

Температура, коли пар, що у повітрі, стає насиченим, називається точкою роси.

Крапка роси також характеризує вологість повітря.

Приклади: випадання роси під ранок, запотівання холодного скла, якщо на нього подихати, утворення краплі води на холодній водопровідній трубі, вогкість у підвалах будинків.

Для вимірювання вологості повітря використовують вимірювальні прилади – гігрометри. Існують кілька видів гігрометрів, але основні: волосяний та психрометричний. Так як безпосередньо виміряти тиск водяної пари в повітрі складно, відносну вологість повітря вимірюють непрямим шляхом.

Відомо, що від відносної вологості повітря залежить швидкість випаровування. Чим менша вологість повітря, тим легше волозі випаровуватися.

У У психрометрі є два термометри. Один – звичайний, його називають сухим. Він вимірює температуру навколишнього повітря. Колба іншого термометра обмотана тканинним ґнотом і опущена в ємність з водою. Другий термометр показує не температуру повітря, а температуру вологого гноту, звідси і назва зволожений термометр. Чим менше вологість повітря, тим інтенсивніше випаровується волога з гніт, тим більша кількість теплоти в одиницю часу відводиться від зволоженого термометра, тим менше його показання, отже, тим більше різниця показань сухого і зволоженого термометрів. насиченоюрідини та сухого насиченого пара v"=0,001 v""=1,7 ... вологий насичений парзі ступенем сухості Обчислюємо екстенсивні характеристики вологого насиченого парапо...

Тиском (пружністю) насиченої пари індивідуальної речовини або суміші речовин називають тиск парової фази, що знаходиться в рівноважному стані (тобто в граничному, незмінному стані) з рідкою фазоюпри цій температурі. У нафтопереробці широко застосовують стандартний метод із бомбою Рейду (Reid) за ГОСТ 1756-2000, яка має дві герметично з'єднані на різьбленні камери високого тискуобсяг парової камери в 4 рази більше об'єму камери для рідини. У нижню камеру заливають досліджувану рідину, наприклад бензин, з'єднують камери і нагрівають в термостаті до стандартної температури 38 °С. Після витримки для досягнення рівноваги між паровою фазою (насичені пари) та рідкою фазою по манометру на паровій камері визначають тиск насиченої пари. Такий експериментальний методє наближеним (оскільки досягнення рівноважного стану в принципі потрібно нескінченно великий часі в паровій камері до досвіду присутні повітря і водяні пари), але цей метод достатній для оцінки умов транспортування та зберігання, величини втрат від випаровування, товарних характеристик бензинів, стабільних газових конденсатів та зріджених газів. Наприклад, продукцією ГПЗ є етан, пропан, бутан, газовий бензин (або їх суміші). Газовий бензин - це зріджені вуглеводні, витягнуті з попутного нафтового та природного газів. Тиск насиченої пари товарного газового бензину має бути 0,07-0,23 МПа (0,7-2,4 кг/см2), пропану (рідина) - не більше 1,45 МПа (14,8 кг/см2), бутану (рідина) – не більше 0,48 МПа (4,9 кг/см2), а автобензинів та стабільних газових конденсатів для відвантаження у залізничних цистернах – не більше 66,7-93,3 кПа (500-700 мм рт.ст. ). Таким чином, тиск насиченої пари залежить від складу вихідної рідини та температури. Тиск насиченої пари вуглеводнів та їх сумішей - найважливіша характеристикадля розрахунку різних масообмінних процесів (одноразове випаровування рідких сумішей, одноразова конденсація газових сумішей, абсорбція вуглеводневих газів, Ректифікація рідкої багатокомпонентної сировини та ін).

Тому в літературі наводяться як довідкові дані, так і численні емпіричні формули для визначення тиску насиченої пари для різних температур та тисків. Основні Фізичні властивостідеяких вуглеводнів і газів наведено у табл. 2.3 та 2.4.

Досі ми розглядали явища випаровування та конденсації за постійної температури. Тепер займемося питанням про вплив температури. Легко помітити, що вплив температури дуже сильний. У спекотний день або поблизу печі все сохне набагато швидше, ніж на холоді. Отже, випаровування теплої рідини йде інтенсивніше, ніж холодної. Це легко зрозуміло. У теплій рідині більше молекул має швидкістю, достатньою для того, щоб подолати сили зчеплення і вирватися за межі рідини. Тому при підвищенні температури разом зі збільшенням швидкості випаровування рідини збільшується тиск насиченої пари.

Збільшення тиску пари легко виявити за допомогою приладу, описаного в § 291. Опустимо колбу з ефіром теплу воду. Ми побачимо, що манометр покаже різке збільшення тиску. Опустивши ту ж колбу в холодну водуабо краще в суміш снігу із сіллю (§ 275), зауважимо, навпаки, зниження тиску.

Отже, тиск насиченої пари сильно залежить від температури. У табл. 18 наведено тиск насиченої пари води та ртуті при різних температурах. Звернімо увагу на незначний тиск пари ртуті при кімнатній температурі. Згадаймо, що за відліку барометра цим тиском нехтують.

Таблиця 18. Тиск насиченої пари води та ртуті за різних температур (в мм рт. ст.)

З графіка залежності тиску насиченої пари води від температури (рис. 481) видно, що збільшення тиску, що відповідає збільшенню температури на , зростає з температурою. У цьому полягає відмінність насиченої пари від газів, тиск яких при нагріванні на однаково збільшується і при низьких і при високих температурах(На 1/273 тиску при ). Ця відмінність стане цілком зрозумілою, якщо згадати, що при нагріванні газів при постійному обсязі змінюється лише швидкість молекул. При нагріванні системи рідина - пара змінюється, як ми вказали, як швидкість молекул, а й їх число в одиниці обсягу, т. е. при більшій температуріми маємо пару більшої густини.

Рисунок 481. Залежність тиску насиченої пари води

293.1. Чому газовий термометр(§ 235) дає правильні свідчення тільки при сухому газі?

293.2. Припустимо, що в замкнутій посудині, крім рідини та пари, знаходиться ще повітря. Як це вплине на зміну тиску з підвищенням температури?

293.3. Зміна тиску пари в замкнутій посудині при підвищенні температури зображується графіком, показаним на рис. 482. Який висновок можна вивести щодо процесів випаровування всередині судини?

Мал. 482. До вправи 293.3

Зі зростанням температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то отже, воно залежить тільки від температури.
Однак залежність р н.від Т, Знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як у ідеального газу при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реальної насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу ( рис.11.1, ділянка кривої АВ). Це стає очевидним, якщо провести ізохори ідеального газу через точки Аі У(Штрихові прямі). Чому це відбувається?

При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою (11.1) тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається збільшенням концентрації. Головна відмінність у поведінці ідеального газу та насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пара частково конденсується. Із ідеальним газом нічого подібного не відбувається.
Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі зростатиме прямо пропорційно до абсолютної температури (див. рис.11.1, ділянка кривої НД).
Кипіння.У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Зрештою, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається незмінною. Це відбувається тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару. За яких умов починається кипіння?
У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні та стінках судини, а також на зважених у рідині порошинках, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають нижчу температуру, то цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Захлопування відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, виробляють щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина досить прогріється, бульбашки перестануть захлопуватись і спливуть на поверхню. Рідина закипить. Слідкуйте за чайником на плиті. Ви побачите, що перед закипанням він майже перестає шуміти.
Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску її поверхню. Пухирець пари може зростати, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевершує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тискустовп рідини.
Звернемо увагу на те, що випаровування рідини відбувається при температурах, менших за температуру кипіння, і тільки з поверхні рідини, при кипінні утворення пари відбувається по всьому об'єму рідини.
Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині.
Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Так, у паровому котлі при тиску, що досягає 1,6 10 6 Па вода не кипить і при температурі 200°С. У медичних установу герметично закритих судинах - автоклавах ( рис.11.2) кипіння води також відбувається за підвищеного тиску. Тому температура кипіння рідини значно вища за 100°С. Автоклави застосовують для стерилізації хірургічних інструментів та ін.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти при кімнатній температурі ( рис.11.3). При підйомі в гори атмосферний тискзменшується, тому зменшується температура кипіння. На висоті 7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск приблизно дорівнює 4 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипить там приблизно за 70°С. Зварити м'ясо у умовах неможливо.

Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску її насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння рідини, тому що при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному. Наприклад, при температурі кипіння 100°С тиск насичених парів води дорівнює 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а парів ртуті - лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипить ртуть при температурі 357°З нормальному тиску.
Рідина закипає, коли тиск її насиченої пари стає рівним тиску всередині рідини.

При випаровуванні одночасно з переходом молекул з рідини в пару відбувається зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул, що залишили її, знову повертається до рідини.

Тиск насиченої пари.

При стисканні насиченої пари, температура якої підтримується постійною, рівновага спочатку почне порушуватися: щільність пари зросте, і внаслідок цього з газу в рідину буде переходити більше молекул, Чим із рідини в газ; продовжуватися це буде доти, поки концентрація пари в новому обсязі не стане колишньою, відповідної концентрації насиченої пари при даній температурі (і рівновага відновиться). Пояснюється це тим, що кількість молекул, що залишають рідину за одиницю часу, залежить лише від температури.

Отже, концентрація молекул насиченої пари за постійної температури не залежить від його об'єму.

Оскільки тиск газу пропорційно концентрації його молекул, то й тиск насиченої пари не залежить від об'єму, який він займає. Тиск р 0, при якому рідина знаходиться в рівновазі зі своєю парою, називають тиском насиченої пари.

При стисканні насиченої пари більша його частина переходить у рідкий стан. Рідина займає менший обсяг, ніж пара тієї ж маси. В результаті обсяг пари при незмінній його густині зменшується.

Залежність тиску насиченої пари від температури.

Для ідеального газу справедлива лінійна залежністьтиск від температури при постійному обсязі. Стосовно насиченої пари з тиском р 0ця залежність виражається рівністю:

p 0 = nkT.

Оскільки тиск насиченої пари залежить від обсягу, то, отже, воно залежить від температури.

Експериментально певна залежністьp 0 (T)відрізняється від залежності ( p 0 = nkT) для ідеального газу.

Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (ділянка кривої АВна малюнку). Це стає особливо очевидним, якщо провести ізохор через точку A(Пунктирна пряма). Відбувається це тому, що при нагріванні рідини частина її перетворюється на пару, і щільність пари зростає. Тому, згідно з формулою ( p 0 = nkT), тиск насиченої пари зростає не тільки в результаті підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. Головна відмінність у поведінці ідеального газу та насиченої пари полягає у зміні маси пари при зміні температури при незмінному обсязі (у закритій посудині) або при зміні об'єму при постійній температурі. З ідеальним газом нічого подібного відбуватися не може (молекулярно-кінетична теорія ідеального газу не передбачає фазового переходугазу в рідину).

Після випаровування всієї рідини поведінка пари відповідатиме поведінці ідеального газу (ділянка НДкривою на малюнку вище).

Ненасичена пара.

Якщо в просторі, що містить пари будь-якої рідини, може відбуватися подальше випаровування цієї рідини, то пара, що знаходиться в цьому просторі, є ненасиченим.

Пара, що не перебуває в стані рівноваги зі своєю рідиною, називається ненасиченою.

Ненасичену пару можна простим стисненням перетворити на рідину. Як тільки це перетворення почалося, пара, що знаходиться в рівновазі з рідиною, стає насиченою.