Тема: Властивості газів, рідин і твердих тіл.

Кількість годин: 2

Знати: співвідношення між основними параметрами термодинамічних систем.

Вміти: пояснювати на основі молекулярно-кінетичної теорії властивості твердих тіл та матеріалів, які зустрічаються в природі, штучних матеріалів із заданими властивостями; наводити приклади їх використання в техніці.

План

1. Властивості газів. Модель ідеального газу.

2. Пароутворення і конденсація. Кипіння. Насичена і ненасичена пара.

3. Вологість повітря. Точка роси. Поверхневий натяг. Капілярність.

4. Явища змочування і капілярності в живій природі.

5. Кристалічні та аморфні тіла. Рідкі кристали.

Література: Шевченко А.Ф. «Основи медичної і біологічної фізики»

§ 23-26, 39-41, 43-47, 48-51.

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко § 23-29.

Завдання для тематичного контролю. Гельфгат.

Методичні рекомендації

1. Застосовувати поняття ідеального газу для характеристики газів.

2. Пояснити процес кипіння на основі МКТ.

3. Значення вологості для живої і неживої природи.

4. Звернути увагу на значення капілярності в живій природі і медицині.

5. Значення і застосування рідких кристалів.

Питання для самоконтролю

1. Що називають абсолютною вологістю повітря? Коли вона стає максимально важливою?

2. Що таке точка роси? Коли і чому вона випадає?

3. Як впливає вологість повітря за високих і низьких температур на стан людини?

4. Назвіть 4 основні типи кристалів.

5. Який механізм пружних і пластичних деформацій?

6. На які групи поділяють тверді тіла залежно від їхніх механічних властивостей?

Форма контролю: самостійна робота, тести.

Більшість оточуючих нас тіл знаходяться в одному з трьох агрегатних станах речовини — твердому, рідкому й газоподібному. У 20-му столітті, коли почали досліджувати мікроскопічну будову тіл, було виявлено структуру цих станів речовини. Молекулярно-кінетична теорія (МКТ) дає можливість зрозуміти, чому речовина може перебувати в газоподібному, рідкому й твердому станах.

1. Властивості газів. Модель ідеального газу.

Газ (нід. gas, від грец. chaos — хаос) — один із агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами, атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними. Характеристичною властивістю газу є те, що він здатний вільно поширюватися в усьому доступному для нього просторі, рівномірно заповнюючи його. На відміну від рідини та твердого тіла газ не утворює поверхні. Гази легко стискаються, при цьому зменшується середня відстань між молекулами. Молекули з величезними швидкостями — сотні метрів за секунду — рухаються в просторі. Стикаючись, вони відштовхуються одна від одної в різні боки, подібно до більярдних куль. Слабкі сили тяжіння молекул газу не здатні утримати їх одна біля одної. Численні удари молекул об стінки посудини створюють тиск газу.

Газами називають хімічні речовини, які перебувають в газоподібному стані за нормальних умов. У фізичних, термодинамічних та інших дослідженнях до газів відносять також суміші газів, серед яких найбільший інтерес викликає повітря. Повітря складається з кількох газів — азоту, кисню, аргону, діоксиду вуглецю, та інших. Кінетична теорія розглядаючи молекулярну будову і рух молекул, дає уявлення про макроскопічні властивості газів. Починаючи з визначення імпульсу і кінетичної енергії, можна використовуючи закон збереження імпульсу і геометричні залежності зв'язати макроскопічні властивості системи (температуру і тиск) з мікроскопічними властивостями (кінетичною енергію однієї молекули). Кінетична теорія пояснює термодинамічні явища, виходячи з атомістських уявлень. Теорія постулює, що тепло є наслідком хаотичного руху надзвичайно великої кількості мікроскопічних частинок (атомів та молекул).Вона пояснює, як газова система реагує на зовнішні впливи. Наприклад, коли газ нагрівається від абсолютного нуля, коли його частинки (теоретично) абсолютно нерухомі, швидкість частинок зростає із збільшенням його температури. Це призводить до більшого числа зіткнень із стінками ємкості кожну секунду за рахунок вищої швидкості частинок. У міру зростання числа зіткнень (за одиницю часу) зростає вплив на поверхню стінки ємкості, тиск зростає пропорційно. Успішне пояснення багатьох законів термодинаміки, виходячи з положень кінетичної теорії, стало одним із факторів підтвердження атомарної будови речовин у природі. В сучасній фізиці молекулярно-кінетична теорія розглядається як складова частина статистичної механіки.

Вчення про Ідеа́льний газ сходить до відкритих в результаті не цілком точних експериментальних досліджень в XVII ─ XIX століттях газових законів Бойля ─ Маріотта, Гей-Люссака і Шарля, а також сформульованому Бенуа Клапейроном на їх основі об'єднаному рівнянню газового стану. В ті часи вважалося, що гази, на відміну від пари, не скраплюються і зберігають свій газоподібний стан у будь-якому температурному діапазоні. Розвиток кріогенної техніки спростував ці уявлення. Проте, газові закони збереглися в термодинаміці і в її технічних застосуваннях як принципово важливі закони ідеальних газів ─ граничних (практично недосяжних) станів реальних газів.

Під ідеальними газами в класичній термодинаміці маються на увазі гіпотетичні (реально не існуючі) гази, що строго підкоряються законам Бойля ─ Маріотта, Гей-Люссака і, відповідно, ─ рівнянню газового стану Клапейрона. (Рівняння Клапейрона також було теоретично виведене при деяких припущеннях на основі молекулярно - кінетичної теорії газів).

Ідеальний газ ─ з позициї молекулярно - кінетичної теорії ─ являє собою теоретичну (математичну, фізичну) модель газу, в якій передбачається, що:

1) потенційною енергією взаємодії матеріальних часток, що складають газ, можна знехтувати в порівнянні з їх кінетичною енергією;

2) сумарний обсяг частинок газу дуже малий;

3) між частинками немає далекодіючих сил тяжіння або відштовхування, зіткнення часток між собою і зі стінками посудини абсолютно пружні;

4) час взаємодії між частинками дуже малий в порівнянні із середнім часом між зіткненнями.

У розширеній моделі ідеального газу частинки, з якого він складається, мають форму пружних сфер або еліпсоїдів, що дозволяє враховувати енергію не тільки поступального, а й обертально - коливального руху, а також не тільки центральні, а й нецентральні зіткнення частинок. 

Історія виникнення поняття ідеальний газ безпосередньо пов'язана з успіхами експериментальної фізики, початок яким було покладено в XVII столітті.

У 1643 р. Еванджеліста Торрічелліуперше довів, що повітря має вагу (масу), і, спільно з В. Вівіані провів дослід по виміру атмосферного тиску за допомогою запаяної з одного кінця скляної трубки, заповненої ртуттю. Так з'явився на світ перший ртутний барометр.

У 1650 р. німецький фізик Отто фон Геріке винайшов вакуумне відкачування і провів в 1654 р. знаменитий експеримент з магдебурзькими півкулями , яким наочно підтвердив існування атмосферного тиску.

Інший експеримент здійснив англійський фізик Роберт Бойль, на підставі якого в 1662 р. був сформульований газовий закон, названий згодом законом Бойля ─ Маріотта, аналогічне незалежне дослідження в 1679 р провів французький фізик Эдм Маріотт.

У 1802 році французький фізик Гей-Люссак опублікував в пресі закон об'ємів (що так і називається законом Гей-Люссака), Гей-Люссак також встановив, що коефіцієнт об'ємного розширення однаковий для усіх газів, незважаючи на загальноприйняту думку, що різні гази розширюються при нагріванні по-різному.

У 1834 році Бенуа Клапейрон об'єднав обидва ці закони в одне рівняння газового стану — рівняння Клапейрона. Експериментальні дослідження фізичних властивостей реальних газів в ті роки були недостатньо точними і проводилися в умовах, що не дуже відрізнялися від нормальних (температура 0 ℃, тиск 760 мм. рт. стовпа). Передбачалося також, що газ, на відміну від пари, є субстанцією, незмінною у будь-яких фізичних умовах.

Першого удару за цими уявленнями завдало зріджування хлору в 1823 р. Надалі з'ясувалося, що реальні гази насправді є перегріті пари, досить віддалені від областей конденсації і критичного стану. Будь-який реальний газ може бути перетворений на рідину шляхом конденсації, або шляхом безперервних змін однофазного стану. Таким чином реальні гази являють собою один з агрегатних станів відповідних простих тіл, а точним рівнянням стану газу може бути рівняння стану простого тіла. Не дивлячись на це, газові закони збереглися в термодинаміці та в її технічних застосуваннях як закони ідеальних газів ─ граничних (практично недосяжних) станів реальних газів.  Вперше поняття "Ідеальний газ" було введене Р. Клаузіусом.

Розрізняють три типи ідеального газу:

• Класичний ідеальний газ або газ Максвелла-Больцмана.

• Ідеальний квантовий газ Бозе (складається з бозонів). Див. статистика Бозе-Ейнштейна.

• Ідеальний квантовий газ Фермі (складається з ферміонів).

Рівн́яння стáну ідеáльного гáзу — формула, що встановлює залежність між тиском, об'ємом іабсолютною температурою класичного ідеального газу. Узагальнює закони Бойля-Маріотта, Гей-Люссака та Шарля.

У фізиці частіше використовують наступну форму запису:

Де :

• V - об'єм газу,

• M - молярна маса газу,

• m - маса газу,

• p - абсолютний тиск

• T - абсолютна температура,

• R - універсальна газова стала,

{\displaystyle pV={\frac {m}{M}}RT.}2. Пароутворення і конденсація. Кипіння. Насичена і ненасичена пара.

Рідини: Рідиною називається фізичне тіло, яке сильно опирається зміні свого об’єму (в протилежність газам) та слабко опирається зміні своєї форми (в протилежність твердим тілам). Рух рідин і газів під дією зовнішніх і внутрішніх сил супроводжується зміною форми, а в загальному випадку – і об’єму виділеної її частини. Молекули рідини розташовані майже впритул одна до одної, тому молекула рідини веде себе інакше, не як молекула газу. Затиснута, як у клітці, іншими молекулами, вона здійснює «біг на місці» (коливається близько положення рівноваги, стикаючись з сусідніми молекулами). Лише час від часу вона здійснює «стрибок», прориваючись крізь «прути клітки», але відразу ж потрапляє в нову «клітку», утворену новими сусідами. Час осілого життя молекули води, тобто час коливання близько одного певного положення рівноваги за кімнатної температури, так само в середньому 10-11 с. А час одного коливання значно менший (10-12 - 10-13 с). З підвищенням температури час осілого життя молекул зменшується. Молекули рідини знаходяться безпосередньо одна біля одної. Під час спроби змінити об’єм рідини починається деформація самих молекул. Для цього потрібні дуже великі сили. Цим і пояснюється мале стискання рідин. Як відомо, рідина може витікати, тобто не зберігає свою форму. Пояснити це можна так. Якщо рідина не тече, то «стрибки» молекул з одного осілого положення в інше відбуваються з однаковою частотою за всіма напрямами. Зовнішня сила помітно не змінює число стрибків молекул за секунду. Але переміщення молекул з одного осілого положення в інше відбуваються переважно в напрямі дії зовнішньої сили Ось чому рідина тече й приймає форму посудини В гідрогазодинаміці звичайно абстрагуються від молекулярної структури потоків, що досліджуються, і розглядають умовну модель середовища, яка володіє безперервним розподілом всіх характеристик (параметрів). Гіпотеза неперервності (суцільності) об’єднує рідини і гази в єдину категорію текучих, легко деформуючих середовищ. Разом з тим між рідинами і газами існує принципова різниця. В рідинах сили міжмолекулярного зчеплення більш значимі у порівнянні з газами, тому що відстані між молекулами малі. По цій причині рідини можна вважати слабкостисливими середовищами або, спрощено, нестисливими. Ефекти стисливості інтенсивно проявляються при русі газів в каналах з великими швидкостями і при обтіканні тіл різної форми потоком великої швидкості. При невеликих швидкостях і відсутності теплообміну стисливість газів проявляється слабко. Разом з тим стисливість крапельних рідин також проявляється при великих тисках. Отже, стисливість властива всім рідинам і газам, однак її кількісний прояв різний в залежності від фізичних властивостей середовища. Це стало підґрунтям об’єднати суцільні середовища, які мають загальні властивості суцільності і легкої рухомості, під загальною назвою рідини, виділяючи по мірі необхідності практично нестисливі (крапельні) і стисливі (газоподібні) рідини.  

Пароутворення та конденсація.

Пароутворення – процес перетворення рідини в пару. Конденсація – явище перетворення пари в рідину. Розрізняють два види пароутворення: випаровування та кипіння Випаровування — перехід речовини з рідкого або твердого агрегатного стану в газоподібний (пару). Під випаровуванням розуміють перехід рідини в пару, який відбувається на вільній поверхні рідини.  Кипіння  — перехід рідини в пару, який характе­ризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об'єму всередину пухир­ців пари, які при цьому виникають. Настає при фіксованій температурі кипіння. Розглянемо детальніше механізми випаровування, кипіння та конденсації.

Випаровування. Ми знаємо, що молекули рідини, як і твердого тіла або газу, безперервно рухаються з різними швидкостями. Окремі молекули рідини рухаються з швидкостями як більшими, так  і меншими від середньої швидкості. Якщо якась «швидка» молекула виявиться біля поверхні рідини, то вона може подолати притягання сусідні молекул і вилетіти з рідини. Молекули, що вилетіли з поверхні рідини, утворюють над нею пару, тому випаровування відбувається поступово.

Швидкість випаровування залежить від кількох причин.

Якщо аркуш паперу змочити в одному місці ефіром, а в іншому – водою, то помітимо, що ефір випариться значно швидше, ніж вода. Отже, швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровується та рідина, молекули якої притягаються одна до одної з меншою силою. Адже в цьому разі перемогти притягання і вилетіти з рідини може більша кількість молекул. Молекули ефіру притягаються між собою слабше, ніж молекули води. Щоб подолати сили притягання, для молекул ефіру потрібно менше енергії, ніж для молекул води. Так і для інших рідин. Найбільші сили притягання між молекулами у маслянистих рідинах, а найменші в ефіру і спирту

Через те що деяка кількість молекул, які рухаються швидко, є в рідині при всіх температурах, випаровування відбувається при будь-якій температурі. Це підтверджують спостереження. Наприклад, калюжі випаровуються і влітку в спеку, і восени, коли вже холодно. Але влітку вони висихають швидше. Це пояснюється тим, що чим вища температура рідини, тим більша кількість молекул, які швидко рухаються й можуть подолати сили притягання навколишніх молекул і вилетіти з поверхні рідини. Тому рідина випаровується тим швидше, чим вища її температура.

Одночасно з переходом молекул з рідини в пару відбувається і зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул, що залишили її, знову в неї повертаються. Якщо рідина випаровується в закритій посудині, то досить швидко кількість молекул, які вилетіли з рідини, дорівнюватиме кількості молекул пари, що повертаються назад в рідину. Процеси випаровування та конденсації відбуваються одночасно і в рівній мірі. Тому кількість рідини в закритій посудині не змінюється. У відкритій посудині кількість рідини внаслідок випаровування поступово зменшується, бо більшість молекул пари розсіюється в повітрі, не повертаючись у рідину. Тільки невелика частина їх повертається назад у рідину, сповільнюючи цим випаровування. Тому під час вітру, який відносить молекули пари, рідина випаровується швидше. Швидкість випаровування залежить від потоків повітря і його вологості.

Якщо у вузьку і широку посудини налити по однаковому об’єму води, то можна помітити, що в широкій посудині вода випариться значно швидше. Наприклад, налита в блюдце вода випариться швидше, ніж налита у склянку. Це пояснюється тим, що рідина випаровується з поверхні і чим більша площа поверхні рідини, тим більше молекул одночасно вилітає з неї в повітря. Отже, швидкість випаровування рідини залежить від площі її поверхні.

Вилітаючи з рідини, молекули долають сили притягання з боку решти молекул, тобто виконують роботу проти цих сил. Не всі молекули рідини можуть виконати таку роботу, а тільки ті з них які мають достатню для цього кінетичну енергію, достатню швидкість. Але якщо під час випаровування з рідини вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість решти молекул рідини стає меншою, отже, і середня кінетична енергія молекул, що залишається в рідині, зменшується. Це означає, що внутрішня енергія рідини, яка випаровується, зменшується. Тому, якщо немає припливу енергії до рідини ззовні, то, випаровуючись, вона охолоджується. Виходячи з води навіть у жаркий день, ми відчуваємо холод. Вода, випаровуючись з поверхні нашого тіла, забирає від нього певну кількість теплоти. Проте під час випаровування води, налитої в склянку, ми не помічаємо зниження її температури. Чим це можна пояснити? Справа в тому, що випаровування в цьому разі відбувається повільно і температура води залишається сталою за рахунок кількості теплоти, взятої з навколишнього повітря. Одночасно з випаровуванням відбувається і конденсація. Конденсація пари супроводжується виділенням енергії. Улітку ввечері, коли повітря стає холоднішим, випадає роса. Це водяна пара, що була в повітрі, внаслідок охолодження конденсується, і маленькі крапельки води осідають на траві й листі. Конденсацією пари пояснюється утворення хмар.  Пара води, що піднімається над землею, утворює у верхніх, холодніших шарах повітря хмари, які складаються з безлічі найдрібніших крапельок води.

Кипіння.  За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватись не лише з поверхні, а й зсередини, з утворенням бульбашок. Це явище називають кипінням. Розглянемо детальніше механізм кипіння.  Якщо нагрівати воду, то з часом на дні і стінках посудини, де вона знаходиться, будуть утворюватись бульбашки повітря, яке розчинене у воді. Подальше нагрівання приводить до того, що з підвищенням температури повітряні бульбашки збільшуються в об’ємі. Відбувається внутрішнє випаровування, і всередині бульбашки утворюється водяна пара. Під час закипання води ми чуємо характерний шум: під дією сили Архімеда бульбашки починають спливати, і в момент досягнення поверхні вони лопаються і водяна пара з шумом виривається назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно. При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі.

Таким чином, кипіння – це інтенсивне пароутворення не тільки з вільної поверхні рідини, а  й з усього об’єму всередині бульбашок пари, які при цьому виникають.

Температура, за якої кипить рідина, називають температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє певне значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням його вона зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску.

У таблиці подано температури кипіння (в ^оС) деяких речовин (за нормального атмосферного тиску).

Водень	-253	Ефір	35	Вода	100	Ртуть	357	Мідь	2567
Кисень	-183	Спирт	78	Молоко	100	Свинець	1740	Залізо	2750

З таблиці видно, що речовини, які в звичайних умовах є газами, при достатньому охолодженні перетворюються в рідини, що киплять при дуже низькій температурі,  а речовини, які в звичайних умовах спостерігаємо в твердому стані, перетворюються під час плавлення в рідини, що киплять при дуже високій температурі.

 Питома теплота пароутворення Щоб рідина, випаровуючись, не змінювала своєї температури, рідині треба надавати енергію. Так, щоб випарити воду масою 1 кг при температурі 35 ^оС, потрібно 2, 4·10⁶ Дж, а при температурі кипіння 100 ^оС – 2,3·10⁶ Дж. Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення. Питому теплоту пароутворення позначають літерою L(або літерою r). Одиницею питомої теплоти пароутворення є джоуль на кілограм (Дж/кг). Кожна рідина має свою питому теплоту пароутворення. Найчастіше при розв’язуванні задач використовують значення питомої теплоти пароутворення за температури кипіння та нормального атмосферного тиску.  

Речовина	Температура кипіння, 0С ( за нормального тиску)	Питома теплота пароутворення, кДж/кг
Вода	100	2300
Аміак (рідкий)	-33	1370
Спирт	78	900
Гліцерин	290	830
Ртуть	357	300
Кисень	-183	210

Обчислення кількості теплоти. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, взятої при температурі кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу: Q=Lm. Кількість теплоти, яка виділяється під час конденсації пари визначається також за цією формулою

Ненасичена та насичена пара.  Ненаси́чена па́ра — пара, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною (не досягла насичення). Інакше кажучи, ненасиченою буде пара над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією. Очевидно, що густина ненасиченої пари менша за густину насиченої пари. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, у бік рідини, і до неї повернутись – відбувається конденсація. В відкритій посудині молекули, які залишили рідину, можуть не повернутися назад. У цих випадках випаровування переважає над конденсацією і кількість рідини зменшується. Утворена при цьому пара називається ненасиченою. Накриємо посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою настане стан теплової рівноваги. При цьому кількість молекул, що утворюють пару за час  , стане дорівнювати кількості молекул, які утворюють рідину (конденсат) за такий самий час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами пароутворення і конденсації речовини. Таку систему називають двохфазною. Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Ця назва передає ту думку, що у певному об’ємі за певної температури не може бути вміщено більшу кількість пари. Насичена пара за даної температури має найбільшу густину і чинить найбільший тиск. Ненасичена і насичена пари мають різні властивості. Дослідимо їх.

Розглянемо процес ізотермічного стискання пари. Нехай ненасичена пара міститься у термоізольованій посудині (для підтримки сталої температури) з поршнем. Якщо ми стискатимемо поршнем ненасичену пару, її густина і тиск зростатимуть доти, поки пара не стане насиченою. Наступне зменшення об’єму не може збільшити ні густину, ні тиск насиченої пари, бо надлишок її перетворюватиметься в рідину. Нарешті вся пара перетворюється в рідину і поршень доторкнеться до її поверхні. Тепер уже зменшення об’єму залежатиме від стискання рідини, а оскільки рідини важко стискаються, то зменшення об’єму потребує значного збільшення тиску.

Ізотермічний перехід ненасиченої пари в рідину

Якщо під поршнем міститься тільки ненасичена пара (т. А), то зменшення її об’єму спричиняє збільшення тиску по кривій АВ (іншими словами, ненасичена пара підпорядковується закону Бойля-Маріотта для ідеального газу). Подальше ізотермічне стискання пари веде до того, що вона починає конденсуватись (т. В) – пара стає насичено. Густина і тиск насиченої пари за незмінної температури є сталими величинами (ділянка ВЕ). Коли вся пара конденсується (т. Е), то наступне зменшення об’єму спричинить стискання рідини (ділянка ЕF). Отже перший висновок, який ми можемо зробити із досліду, що для ненасиченої пари (як і для ідеального газу) виконується закон Бойля-Маріотта. Для насиченої пари цей закон не виконується, тиск і густина насиченої пари не залежать від об’єму.Стан насиченої пари наближено описується рівнянням стану ідеального газу, і її тиск наближено визначається формулою   . Проте за сталого об’єму залежність тиску від температури не є лінійною як у ідеального газу.

З’ясуємо, як поводитиме себе насичена і ненасичена пара при ізохорному процесі. Для цього візьмемо герметично закриту посудину (для підтримки сталого об’єму), з’єднану з манометром. У посудині міститься тільки рідина і її пара (інших газів немає). Нагріваючи посудину будемо фіксувати значення температури і тиску пари.

 

Залежність тиску пари від температури

Під час нагрівання кількість рідини у закритій посудині зменшується, отже густина і маса пари в посудині при нагріванні збільшується. Тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок збільшення температури, а й внаслідок збільшення густини пари. Таким чином залежність тиску насиченої пари від температури (ділянка АВ) не підпорядковується закону Шарля (другий закон Гей-Люссака). Коли вся рідина випарується, пара при дальшому нагріванні стане вже ненасиченою і її тиск при сталому об’ємі зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (ділянка ВС).

Таким чином, наступний висновок який можна зробити: закон Шарля до насиченої пари незастосовний. Перехід ненасиченої пари у насичену, а потім – у рідину, як і зворотний перехід рідини в насичену і ненасичену пару, може відбуватися двома способами – під час зміни об’єму пари і за зміни її температури. Якщо охолоджувати ненасичену пару за сталого тиску, вона стає насиченою, а потім конденсується в рідину (утворення роси на поверхні Землі). Якщо рідину нагріти у закритій посудині, то утворена пара спочатку є насиченою, а потім стає ненасиченою. Як було уже сказано під час нагрівання густина насиченої пари зростає, а густина рідини зменшується. Тобто зі зростанням температури їх густини зближаються і за деякої температури Т_к (критичної температури) стають однаковими. В цей момент між рідиною і парою зникає межа поділу, пару і рідину не можна розрізнити.

Залежність густини рідини та її пари від температури

 Критична температура – це температура, при якій зникає відмінність фізичних властивостей рідини і насиченої пари. При критичній температурі густина і тиск насиченої пари стають максимальними. А густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною. Для кожної речовини існує своє конкретне значення критичної температури. Таким чином особливості газоподібного стану речовини визначається значенням температури за якої вона перебуває. Якщо температура газу за нормальних умов вища за її критичне значення, то газ залишається газом і перетворити його в рідину не можна ні при яких тисках. Парою називають газоподібний стан речовини, для якої звичайні температури виявляються нижчими за її критичну температуру. Така речовина за звичайних умов може перебувати як у рідкому, так і в газоподібному станах.

Перенасичена пара. Спостереження показують, якщо пара не стискається з рідиною, то її можна охолодити до температури нижчої за критичну, але конденсуватись у рідину вона не буде. Така пара називається перенасиченою. Пояснюється це тим. Що для конденсації необхідні, так звані, центри конденсації, які б могли бути зародками краплинок рідини. Центрами конденсації, як правило є пилинки або йони. Чиста пара конденсується лише після досягнення високого ступеня перенасичення.