Лекция № 8. Фазовые переходы. Испарение и насыщенный пар.

Рисунок 8. 1

На первом занятии мы выяснили, что любое вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояний – твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния часто называют фазовыми состояниями или просто фазами. Известное всем химическое вещество Н₂О может находиться в жидкой (вода), газообразной (пар) и твёрдой (лёд) фазе. Фазы воды изображены при помощи РТ диаграммы на рисунке (8.1). Переходы между фазами, происходящие при определённой температуре и давлении, называются фазовыми переходами первого рода. Переход вещества из жидкой фазы в газообразную называется парообразованием, а обратный процесс конденсацией. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением, обратный переход – кристаллизацией. Если внешнее давление очень мало, то твёрдое тело может непосредственно испарится, минуя жидкую фазу. Такой процесс называют сублимацией. Сублимацию льда наблюдать очень трудно, так как необходимое давление должно быть меньше чем 4,58 мм ртутного столба при 0°С. Но влажное бельё на морозе становиться достаточно сухим именно из-за сублимации льда. Все летом наблюдали сублимация «сухого льда» (замёрзшая двуокись углерода СО₂) в морозильнике с мороженым. Нафталин испаряется, минуя жидкую фазу, при комнатной температуре и нормальном давлении. Хорошо сублимируют кристаллы брома или йода, особенно если их подогреть.

Рассмотрим подробнее фазовую диаграмму – график зависимости давления от температуры для разных фазовых состояний, изображённый на рисунке 8.1. Мы видим, что каждой точке плоскости соответствует своя определённая фаза, кроме тех точек, когда две фазы сосуществуют одновременно. На диаграмме это изображено при помощи кривых 1,2,3. Эти кривые имеют одну общую точку пересечения, которая называется тройной точкой. В этой точке возможно одновременное существование всех трёх фаз данного вещества. Она характеризуется определёнными значениями давления и температуры для данного вещества. При помощи фазовой диаграммы удобно изображать процессы изменения состояния вещества. Например, изобарическое (Р=const) нагревание вещества, находящегося в твёрдом состоянии (точка А), изображено прерывистой прямой, параллельной оси температур. Эта прямая показывает, что при температуре соответствующей точке В тело начинает плавится, при более высокой температуре превращается в жидкость, а при температуре соответствующей точке С начинает превращаться в пар.

Из всех возможных процессов рассмотрим процесс испарения и конденсации. Под испарением будем понимать процесс парообразования, происходящий только с поверхности вещества, граничащего с газообразной средой. Если учесть, что испаряться могут и твёрдые тела (сублимировать), то процесс испарения может происходить при любой возможной температуре. Механизм испарения можно объяснить следующим образам. Молекула (атом), находящаяся на поверхности жидкости или кристалла, втягивается внутрь силами межмолекулярного взаимодействия и тем самым удерживается на поверхности. Для того чтобы молекула могла покинуть вещество, её кинетическая энергия должна быть больше потенциальной энергии взаимодействия Е_п молекул. Эта энергия равна работе по удалению молекулы от поверхности жидкости на расстояние, где молекулярные силы уже не действуют, т.е. на расстояние большее радиуса межмолекулярного взаимодействия R_М=10^-9 м. Следовательно, условие испарения можно записать при помощи уравнения

. (8.1)

Отсюда следует, что покинуть поверхностный слой могут не любые молекулы, а те, у которых кинетическая энергия достаточно велика. Если из жидкости улетают быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия Е=3/2·kT оставшихся молекул становится меньше. Это означает, что температура жидкости в процессе испарения всегда уменьшается, а сама жидкость охлаждается. Понижение температуры воздуха после дождя объясняется испарением воды.

Скорость испарения оценивается числом молекул, переходящих с единицы поверхности жидкости (твёрдого тела) в пар за единицу времени

. (8.2)

Скорость испарения зависит в основном от двух причин: во-первых, она зависит от рода вещества, например, ацетон испаряется значительно быстрее, чем вода; во-вторых, от температуры (с ростом температуры скорость испарения значительно увеличивается).

Хаотически движущиеся молекулы пара, подлетая к поверхности жидкости, могут попасть в сферу действия её молекул и перейти в жидкость (как бы утонуть в ней). Этот процесс называется конденсацией. При конденсации жидкость нагревается, так как влетающие в неё молекулы пара возвращают ей повышенную кинетическую энергию, унесённую при испарении. Скорость конденсации зависит от давления или плотности пара над поверхностью жидкости. Она прямо пропорциональна плотности пара – чем больше молекул содержится в единице объёма над жидкостью, тем вероятнее, что молекула приблизится к поверхности жидкости и будет поглощена. В ветреную погоду влажное бельё сохнет быстрее. Пары воды сносятся ветром, их давление и плотность становятся меньше, и скорость конденсации значительно уменьшается. В данном случае испарение будет преобладать над конденсацией, что и приводит к быстрому высыханию белья. Процессы испарения и конденсации идут одновременно. Если преобладает первый из них, то объем жидкости уменьшается, а количество пара над ней увеличивается, Если же преобладает второй процесс, то имеет место обратная картина.