2.2.4 Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы

Свойства паров. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха

Пар – это газ, образованный из молекул, обладавших достаточной кинетической энергией, чтобы покинуть жидкость.

Мы привыкли к тому, что вода и её пар могут переходить друг в друга. Лужи на асфальте после дождя высыхают, а водяной пар в воздухе по утрам часто превращается в мельчайшие капельки тумана. Все жидкости обладают способностью превращаться в пар – переходить в газообразное состояние. Процесс перехода жидкости в пар называют испарением. Образование жидкости из её паров называют конденсацией.

Что произойдёт, если сосуд с некоторым объёмом жидкости закрыть крышкой? Каждую секунду поверхность жидкости по-прежнему будут покидать самые быстрые молекулы, её масса будет уменьшаться, а концентрация молекул пара – увеличиваться. Одновременно с этим в жидкость из пара будут возвращаться часть его молекул, и чем больше будет концентрация пара, тем интенсивней будет этот процесс конденсации. Наконец, концентрация пара над жидкостью станет так высока, что число молекул, возвращающихся в жидкость в единицу времени, станет равным числу молекул, покидающих её. Такое состояние называют динамическим равновесием, а соответствующий пар – насыщенным паром. Концентрация молекул пара над жидкостью не может быть больше их концентрации в насыщенном паре. Если концентрация молекул пара меньше, чем у насыщенного, то такой пар называют ненасыщенным.

Движущиеся молекулы пара создают давление, величина которого, как и для газа, согласно уравнению пропорциональна произведению концентрации этих молекул на температуру. Поэтому при заданной температуре, чем выше концентрация пара, тем большее давление он оказывает. Давление насыщенного пара зависит от вида жидкости и температуры. Чем тяжелее оторвать молекулы жидкости друг от друга, тем меньше будет давление её насыщенного пара. Так, давление насыщенного пара воды при температуре 20^оС составляет около 2 кПа, а давление насыщенных пара ртути при 20^оС - лишь 0,2 Па.

Жизнь человека, животных и растений зависит от концентрации водяных паров (влажности) атмосферы, которая изменяется в широких пределах в зависимости от места и времени года. Как правило, водяной пар вокруг нас является ненасыщенным. Относительной влажностью воздуха называют отношение давления водяных паров к давлению насыщенных паров при той же температуре, выраженное в процентах. Одним из приборов для измерения влажность воздуха является психрометр, состоящий из двух одинаковых термометров, один из которых обёрнут влажной тканью. Когда влажность воздуха меньше 100%, вода из ткани будет испаряться, а термометр Б - охлаждаться, показывая меньшую температуру, чем А. И чем меньше будет влажность воздуха, тем больше будет разница, Dt между показаниями термометров А и Б. С помощью специальной психрометрической таблицы по этой разнице температур можно определить влажность воздуха.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

Кипение – это интенсивный процесс испарения, происходящий по всему объёму жидкости и на её поверхности. Жидкость начинает кипеть, когда давление её насыщенного пара приближается к давлению внутри жидкости.

Пар – это газ, образованный испарившимися молекулами жидкости, и поэтому для него справедливо уравнение, связывающее давление пара, p, концентрацию молекул в нём, n и абсолютную температуру, T:

p = nkT. (55)

Из (55) следует, что давление насыщенного пара должно увеличиваться линейно с ростом температуры, как это имеет место у идеальных газов при изохорных процессах. Однако, как показали измерения, давление насыщенного пара растёт с температурой гораздо быстрее, чем давление идеального газа. Происходит это из-за того, что с ростом температуры, а значит, и средней кинетической энергии, всё больше и больше молекул жидкости покидают её, увеличивая концентрацию, n пара над ней. А т.к. согласно (55) давление пропорционально n, то это увеличение концентрации пара и объясняет более быстрый рост давления насыщенного пара с температурой, по сравнению с идеальным газом. Рост давления насыщенных паров с температурой объясняет известный всем факт – при нагревании жидкости испаряются быстрее. Отметим, что, как только рост температуры приведёт к полному испарению жидкости, пар станет ненасыщенным, а зависимость его давления от температуры превратится в прямую, пересекающую ось абсцисс при T = 0 ^оС.

Кипением называют образование большого числа пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле, эти пузырьки присутствуют в жидкости всегда, но их размеры растут, и они становятся заметны только при кипении. Одна из причин того, что в жидкости всегда есть микропузырьки, следующая. Жидкость, когда её наливают в сосуд, вытесняет оттуда воздух, но полностью этого сделать не может, и маленькие его пузырьки остаются в микротрещинах и неровностях внутренней поверхности сосуда. Кроме того, в жидкостях обычно содержатся микропузырьки пара и воздуха, прилипшие к мельчайшим частицам пыли.

При нагревании жидкости в каждом из пузырьков процесс испарения ускоряется, а давление насыщенного пара растёт. Пузырьки расширяются и под действием выталкивающей силы Архимеда отрываются от дна, всплывают и лопаются на поверхности. При этом пар, наполнявший пузырьки, уносится в атмосферу. Поэтому кипение и называют испарением, происходящим во всём объёме жидкости. Кипение начинается при той температуре, когда пузырьки газа имеют возможность расширяться, а это происходит, если давление насыщенного пара превышает атмосферное давление. Таким образом, температура кипения – это температура, при которой давление насыщенного пара данной жидкости равно атмосферному давлению. Пока жидкость кипит её температура остаётся постоянной.

31