12. Испарение. Кипение. Конденсация

При рассмотрении процессов в газах предполагалось, что газ идеальный и многие его свойства не зависят от природы газа. Однако, чем ниже температура и больше давление, тем заметнее зависимость свойств газа от его природы. Газ в таких условиях называют паром, тем самым указывая, что он образовался из определённой жидкости. Например, водяной пар, пары ртути, или пар- газ, находящийся в контакте со своей жидкостью.

Испарением называют процесс перехода вещества из жидкого в парообразное состояние, проходящий при любых температурах с открытой поверхности жидкости.

Так же как и диффузия, испарение происходит по причине непрерывного хаотического движения молекул жидкости. Средняя кинетическая энергия молекул жидкости зависит от её температуры: чем выше температура, тем энергия больше. Если какая- либо молекула верхнего слоя жидкости приобретает кинетическую энергию, большую, чем средняя кинетическая энергия молекул, то она может преодолеть силы молекулярного притяжения и вылететь из жидкости. Молекулы, вылетевшие из жидкости, образуют пар. Таким образом, жидкость покидают наиболее «быстрые» молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что ведёт к понижению температуры жидкости. В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара после столкновения с другими молекулами может снова вернуться в жидкость; таким образом, одновременно с испарением происходит обратный процесс- конденсация. Опытным путем установлено, что скорость испарения зависит от ряда факторов:

а) с повышением температуры скорость испарения увеличивается;

б) если образовавшийся пар сдувается потоком воздуха или откачивается, то скорость испарения возрастает;

в) при увеличении площади свободной поверхности жидкости данного объема испарение происходит быстрее.

Если жидкость находится в открытом сосуде, то молекул испаряется больше, чем конденсируется, и масса жидкости уменьшается. Представим, что жидкость находится в замкнутом сосуде, из которого откачали воздух. Вначале число молекул, вылетевших из жидкости, растет, но чем больше число молекул пара, тем больше молекул конденсируется. В том случае, когда число молекул пара все же увеличивается, пар, находящийся над жидкостью, называют ненасыщенным. Если за одно и то же время число вылетевших из жидкости и возвратившихся в неё молекул одинаково, то число молекул пара над жидкостью будет оставаться постоянным. Такое состояние называется динамическим равновесием пара и жидкости; пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным.

Чем дальше состояние пара от насыщения, тем лучше он подчиняется газовым законам, например закону Клапейрона - Менделеева. Насыщенные пары не подчиняются газовым законам. Например, уменьшение объёма пара не приводит к повышению давления, а вызывает конденсацию части пара. С увеличением числа молекул пара над поверхностью жидкости при неизменной температуре его давление увеличивается. Оно достигает максимального значения, когда пар становится насыщенным. Давление насыщенного пара определяется концентрацией (число молекул в единице объёма) молекул пара и температурой.

Частным случаем испарения является кипение. Парообразование, которое происходит в объёме всей жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

С увеличением температуры растворимость газа, содержащегося в некотором количестве любой жидкости, уменьшается. Газ выделяется из жидкости, оседая в виде мелких пузырьков на внутренних стенках сосуда; эти пузырьки в дальнейшем служат центрами парообразования. Когда температура жидкости выравнивается, объём всплывающих пузырьков при подъёме будет возрастать, так как давление насыщенного пара внутри пузырька остаётся постоянным и равным p_н =n·k·T, а гидростатическое давление уменьшается. Когда пузырёк достигает поверхности жидкости, то давление насыщенного пара в нем практически равно давлению на поверхности жидкости. Насыщенный пар, заполняющий пузырек, выбрасывается, происходит кипение.

Кипение жидкости происходит при одинаковой температуре всей жидкости, когда давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению.

Давление насыщенного пара - такое давление, при котором:

1) жидкость перестаёт кипеть, если давление в сосуде в процессе кипения повышается;

2) начинает кипеть, если давление в сосуде понижается.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Чем ниже внешнее давление, тем ниже температура кипения жидкости. Этим объясняется хорошо известный факт, что на больших высотах, где атмосферное давление пониженное, жидкости кипят при температурах, более низких, чем на уровне моря. Это необходимо иметь в виду при анализе работы водопроводных систем на участках пониженного давления (всасывающие линии насосов, сифонный трубопровод). Температура и давление, при которых происходит кипение, связаны между собой. Их называют температурой и давлением насыщения ( t_н и p_н ).

Если увеличить подвод теплоты к кипящей жидкости, то парообразование будет протекать интенсивнее. Однако температура воды и пара всё же остаётся постоянной до тех пор, пока последняя капля жидкости не испарится. Пар, не содержащий частицы воды, но имеющий температуру и давление насыщения, называют сухим насыщенным паром.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при постоянном давлении, то температура его будет повышаться и сухой насыщенный пар перейдет в состояние перегретого. Встречающиеся в реальных условиях газы (например, газы, входящие в состав воздуха в атмосфере) обычно в высшей степени перегреты. Хорошим приближением уравнения состояния для сильно перегретых газов является уравнение (11.3).

Задача 12.1. Вывести условие кипения жидкости в виде аналитической зависимости.

Решение. Запишем выражение для давления p внутри пузырька с паром. Очевидно, что давление p компенсируется: внешним давлением p₀, гидростатическим давлением (h- расстояние от центра пузырька до поверхности жидкости ) и давлением, создаваемым поверхностным натяжением жидкости (r- радиус пузырька). Итак:

.

Из опыта известно, что при понижении давления на свободной поверхности кипение может начаться, поэтому условие начала кипения будет таким:

,

где -давление насыщенного пара внутри пузырька.

Заметим, что при малых r давление достаточно велико и кипение происходит при сравнительно высоких температурах.