Давление насыщенного пара

Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшать занимаемый им объем, например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной?

При сжатии пара равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это будет происходить до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие, и плотность пара, а значит, и концентрация его молекул не примут прежнее значение. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара не зависит от его объема при постоянной температуре.

Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением р = nkT, полученным нами для идеального газа (см. § 4.5). Для насыщенного пара эта формула выполняется тем точнее, чем ниже температура и соответственно давление пара.

Так как давление пропорционально концентрации молекул (р = nkT), то из независимости концентрации молекул (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема.

Независящее от объема давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При одной и той же температуре, как показывает опыт, давление насыщенного пара различных веществ различно. Например, при температуре 20 °С давление насыщенного пара эфира равно 440 мм рт. ст., насыщенного пара спирта — 45 мм рт. ст., а водяного насыщенного пара — 17 мм рт. ст.

Семейство изотерм реального газа

До сих пор мы рассматривали только одну определенную изотерму реального газа. Познакомимся теперь с тем, как будет вести себя, например, тот же углекислый газ при другой, более высокой (но также постоянной) температуре T₁. Новая изотерма, как и прежняя, довольно точно совпадает с изотермой идеального газа при больших объемах. Начиная с некоторого объема < V₁, она также идет горизонтально (рис. 6.4). Наконец, при объеме > V₂ изотерма круто поднимается вверх. Это означает, что при объеме V₂ весь цилиндр заполнен жидкостью.

Рис. 6.4

Если на основе опытных данных построить еще несколько изотерм, получится семейство изотерм реального газа (см. рис. 6.4). При этом обнаружится закономерность, общая для всех газов. Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа (пара). Объясняется это тем, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее, и необходима большая плотность газа для того, чтобы силы притяжения могли бы удержать молекулы около друг друга. Во-вторых, чем выше температура, тем больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь газ конденсируется. Ведь объем жидкости с увеличением температуры растет. Следовательно, длина прямолинейного горизонтального участка изотермы, соответствующего равновесию между жидкостью и насыщенным паром, с ростом температуры уменьшается. Конденсация начинается при больших плотностях газа и заканчивается при меньших плотностях жидкости. Другими словами, плотность газа и жидкости при одном и том же давлении тем ближе друг к другу, чем выше температура.