1. Процес пароутворення

У природі, техніці і побуті ми часто спостерігаємо перетво­рення рідких і твердих речовин у газоподібний стан. В ясний літній день швидко висихають мокра білизна, калюжі, які залишилися після дощу. З часом зменшуючись, зникають шмат­ки сухого льоду, зменшуються розміри шматочків нафталіну, яким пересипають вовняні речі тощо. У всіх цих випадках спо­стерігається процес перетворення речовин у газоподібний стан — у пару.

Пароутворення відбувається двома способами — випарову­ванням і кипінням. Розглянемо спочатку випаровування, яке можна визначити як пароутворення, що відбувається лише з поверхні рідини.

Цей процес відбувається за будь-якої температури, що легко пояснюється молекулярно-кінетичною теорією. Моле­кули рідини, як і газу, мають різні швидкості. Деякі з них мають достатню кінетичну енергію для того, щоб відірватися від поверхні і вийти із сфери дії молекулярних сил. Тому над рідиною завжди є її вільні молекули, які утворюють пару.

Оскільки відриваються і вилітають з рідини найшвидкіші молекули, середня кінетична енергія молекул, які залишилися, зменшується. Внаслідок цього рідина під час випаровування охолоджується. Це явище використовують у техніці, зокрема побутовій. Так, шафа електричного холодильника охолод­жується завдяки тому, що рідина, яка випаровується в холодильному агрегаті, поглинає енергію з навколишнього середовища. Щоб температура рідини у процесі випаровуван­ня залишалася сталою (тобто щоб не змінювалася її внутрішня енергія), треба безперервно підводити до неї енергію, яка дорівнює роботі, виконуваній проти сил зчеплення молекул і проти сили зовнішнього тиску.

2. Процес конденсації

У результаті хаотичного руху над поверхнею рідини моле­кули пари можуть повертатися в неї. Цей процес називають конденсацією пари. З наближенням до поверхні рідини сили притягання прискорюють молекулу, надаючи їй додаткової кінетичної енергії, такої, яку затрачено на подолання цих сил, і, повернувшись, молекула має таку саму кінетичну енер­гію, яку мала під час випаровування. Тому в процесі конденса­ції пари виділяється стільки ж енергії, скільки було затра­чено на її утворення.

Якщо рідина перебуває у відкритій посудині, то випаровування її відбувається доти, поки вся вона не перетвориться в пару. З курсу фізики 8-го класу і повсякденного життя ви знаєте, що швидкість випаровування тим більша, чим вища температура рідини, чим більша її поверхня, чим швидше видаляється пара, яка утворилася над поверхнею, і чим менший зовнішній тиск.

Швидкість випаровування залежить також від природи речовини, яка випаровується. Так, ефір випаровується швидше за воду, а вода — швидше за олію, що пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих тіл.

3.Насичена і ненасичена пара.

Добре картина випаровування спостерігається тоді,коли рідини перебути: в закритій посудині і займає лише частину її об'єму. На початку процесу кількість молекул, які вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї, і концентрація молекул пари зростає. Але чим більше стає молекул, які вилетіли з рідини, тим більше їх потрапляє назад у рідину. Нарешті настає такий момент, коли кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повер­таються в неї за той самий час. Очевидно, починаючи з цього моменту, концентрація молекул пари буде сталою. Такий стан називають динамічною рівновагою рідини і пари. Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Зрідка вдається одержати насичену пару і у відчинених посудинах.

Тиск насиченої пари наближено можна розрахувати за виразом основного рівняння МКТ:

p = nkT.

Оскільки концентрація молекул насиченої пари не залежить від об'єму за сталої температури, то і тиск насиченої пари не залежить від об'єму, а залежить від температури. Ці закономірності встановлено експериментально. З підвищенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (мал. 1, ділянка АВ), бо під час нагрівання тиск насиченої пари збільшується не тільки через підвищення температури, а й унаслідок збільшення концентрації молекул (густини) пари.

Мал.1

Коли вся рідина випарується, пара за подальшого нагрівання стане вже ненасиченою і її тиск за сталого об'єму зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі ( мал. 1, ділянка ВС).

Описати стан ненасиченої пари можна використовуючи закони ідеального газу, а стан насиченої пари - за рівнянням Клапейрона-Менделеєва за низьких температур і малих концентрацій:

(1)

де p₀ і r₀ - відповідно тиск і густина насиченої пари.

У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Випаровування відбувається за будь-якої температури. Особливим видом випаровування є процес кипіння.

Кипіння - процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а і в її об'ємі. У рідині завжди містяться бульбашки розчиненого в ній газу, вони заповнені насиченою парою. За звичайної температури тиск насиченої пари бульбашок набагато менший від зовнішнього тиску, тому ці бульбашки сплюснуті і мають мікроскопічні розміри:

p_атм + rgh + p _кр > p_нас,

де p_атм - атмосферний тиск; rgh - гідростатичний тиск рідини; p_кр - тиск, зумовлений кривизною поверхні бульбашки (тиск Лапласа).

З підвищенням температури тиск насиченої пари в бульбашці зростає (p = nkT). За деякої граничної температури для кожної рідини, яку називають температурою кипіння, тиск пари всередині бульбашок переважає зовнішній, внаслідок чого бульбашки збільшуються в об'ємі і під дією сили Архімеда спливають на поверхню та лопаються (мал. 2). На місці цих бульбашок утворюються інші, і вся рідина закипає. Кипіння починається вже при температурі, що відповідає рівності p_нас = p_зовн. Чим більший зовнішній тиск, тим вищою буде температура кипіння і навпаки. Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску насиченої пари. Чим більший тиск насиченої пари, тим менша температура кипіння. Чим менший тиск насиченої пари, тим більша температура кипіння.

Мал. 2

Завдяки якісній обробці поверхонь посудини та очищенню самої рідини можна досягти практичної відсутності в ній центрів пароутворення, що призводить до того, що кипіння не відбувається навіть за температур вищих від температури кипіння. Таку рідину називають перегрітою.

Важлива характеристика процесів випаровування і конденсації - питома теплота пароутворення. Це фізична скалярна величина r, що чисельно дорівнює кількості теплоти, потрібної для перетворення 1 кг рідини в пару при температурі її кипіння. Її в СІ вимірюють у джоулях на кілограм; [r] = Дж/кг.

Питому теплоту пароутворення можна визначити не тільки при температурі кипіння, а й під час пароутворення за будь-якої температури. У цьому разі питома теплота пароутворення буде залежною від температури.

Для випаровування рідини масою m їй треба надати кількість теплоти:

Q = rm.

Під час конденсації 1 кг пари буде виділятися теплота, що чисельно дорівнює кількості теплоти пароутворення з 1 кг рідини.

З підвищенням температури рідини зростає тиск насиченої пари і одночасно зростає її густина r₀, а густина рідини зменшується r_p. За деякої температури, яку називають критичною, r₀ = r_p (мал.3.).

Мал. 3

Критична температура - це температура, за якої зникає відмінність у фізичних властивостях рідини й її насиченої пари. Цей стан називають критичним станом речовини. В Україні вперше дослідив цей стан професор Київського університету М. П. Авенаріус за методом зникнення меніска.

У разі критичної температури густина і тиск насиченої пари стають максимальними, а густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною. Питома теплота пароутворення зменшується із зростання температури і за критичної температури дорівнює нулю.

Кожна речовина має свою критичну температуру. Наприклад, критична температура води приблизно дорівнює 375 ^оС.

Особливе значення критичної температури полягає в тому, що якщо температури вищі за критичну, газ не можна перетворити в рідину ні за яких значень тиску.

Приклад розв’язування задачі:

Закриту посудину об’ємом 0,5м³, яка містить 0,5кг води, нагріли до 150⁰С. Як треба змінити об’єм посудини, щоб пара у ній стала насиченою? (тиск насиченої пари при 150⁰С становить 4,7·10⁴ Па).

Розв’язання:

Тому потрібно збільшити об’єм посудини до 2,07м³.

Відповідь: V₂=2,07 м³.

Питання для самоперевірки:

1.Що відбувається при процесі пароутворення?

2.Що відбувається при процесі конденсації?

3. Яка пара називається насиченою?

4.Яка пара є ненасиченою?

Методичні вказівки до розв’язування задач з розділу «Молекулярна фізика»

Задачі на розрахунок параметрів стану ідеального газу можна розподілити на дві основні групи. До першої групи належать задачі, в яких у разі зміни будь-якого з параметрів маса ідеального газу залишається сталою. Причому маса газу може бути не заданою. Тоді задачі можна розв'язувати за об'єднаним газовим законом, частинним випадком якого залежно від сталих параметрів є закони Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля.До другої групи належать задачі із заданою або змінною масою. До них застосовний закон Менделєєва-Клапейрона, причому його записують для кожного стану ідеальних газів. Одержану систему рівнянь з урахуванням додаткових умов розв'язують відносно шуканої величини.

Завдання для самоперевірки:

1. Скільки треба затратити теплоти, щоб 0,5кг води при температурі

20⁰С довести до температури кипіння і перетворити у пару?

2. Закриту посудину об’ємом 0,8м³, яка містить 1кг води, нагріли до 120⁰С. Як треба змінити об’єм посудини, щоб пара у ній стала насиченою?

ТЕМА 4

Розділ : Молекулярна фізика.

Тема: Властивості твердих тіл

Мета вивчення : ознайомлення зі структурою, властивостями та застосування рідких кристалів.

План вивчення:

1.Рідкі кристали - структура, властивості, використання.

2.Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями.

3. Будова полімерів та їх властивості.