2. Парообразование. Конденсация. Испарение

Следующий агрегатный переход – в парообразное состояние – называется парообразованием.

Парообразование может произойти прямо из твердого состояния – это возгонка, или сублимация. Возгоняются кристаллики йода, лед (классический пример: выстиранное белье высыхает на морозе).

Переход из жидкого в парообразное состояние возможен двумя различными процессами: испарением или кипением. Обратный переход – из парообразного состояния в жидкое – называется конденсацией.

Рассмотрим процесс испарения. В жидкости, как и во всяком теле, есть распределение Максвелла молекул по скоростям, т.е. существуют (пусть в небольшом количестве) как очень медленные, так и очень быстрые молекулы. Для того чтобы вылететь из жидкости, молекула должна преодолеть воздействие поверхностного слоя (см. 2.3.1), т.е. обладать достаточной энергией. Те из быстрых молекул, скорости которых направлены к поверхности, могут покинуть жидкость, «испариться». Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Средняя кинетическая энергия молекул и, следовательно, температура жидкости при этом понижается. Как видно, для перевода в пар некоторой массы жидкости без изменения температуры надо совершить работу против молекулярных сил притяжения и сил давления газа, т.е. передать жидкости теплоту парообразования. Характеристикой этого процесса является удельная теплота парообразования r – величина, измеряемая отношением энергии, необходимой для изотермического обращения в пар некоторой массы жидкости, к этой массе. Обозначим – количество теплоты, необходимое для испарения массы dm данной жидкости при температуре парообразования. Тогда

Отсюда

Чтобы найти теплоту парообразования или конденсации конечной массы вещества, надо сложить все такие выражения. Если r можно считать неизменной, то

где m₁ и m₂  массы пара до и после процесса.

Например, если испаряется масса m жидкости, то перед процессом парообразования масса пара m₁=0; после парообразования m₂=m. Теплота парообразования

Это количество теплоты, сообщенное телу, положительно:

Если конденсируется масса m пара, то перед процессом конденсации масса пара m₁=m, после полной конденсации пара нет: m₂=0. Тогда теплота конденсации

Это количество теплоты, отнятое у тела, отрицательно:

8. Определите среднюю «работу испарения» А_i в расчете на одну молекулу.

Скорость испарения зависит от нескольких причин:

1. рода жидкости. Для разных жидкостей различны поверхностные слои, работа выхода A_i и, конечно, удельная теплота парообразования;

2. температуры. Чем выше температура, тем сильнее сдвинуто распределение Максвелла молекул по скоростям, тем больше быстрых молекул;

3. площади поверхности. Чем она больше, тем больше молекул может в единицу времени вылететь из жидкости. Именно поэтому горячий чай иногда наливают в блюдце;

4. движения газа над поверхностью. Некоторые из испарившихся молекул имеют малую скорость и при хаотическом движении могут возвратиться в жидкость; потоком газа (воздуха) такие молекулы уносятся, увеличивая тем самым скорость испарения. Поэтому быстрее остывает горячий чай или суп, если на него подуть; поэтому прохладнее становится при ветре;

5. давления газа над поверхностью. Чем оно выше, тем больше вероятность возвращения в жидкость испарившихся молекул и меньше скорость испарения.