Насыщенный пар и его свойства.

Поместим достаточно большое количество жидкости в закрытый сосуд, часть её испарится, но далее количество жидкости (её уровень в сосуде) будет оставаться неизменным сколь угодно долго. Процесс испарения прекратиться не может – молекулы, энергия которых соответствует условию (8.1) будут всё время покидать поверхность жидкости. Следовательно, наряду с процессом испарения непрерывно происходит компенсирующий его процесс конденсации пара в жидкость. Скорость конденсации определяется числом молекул, перешедших из пара в жидкость через единицу поверхности за единицу времени. Когда скорость испарения становится равна скорости конденсации, в закрытом сосуде устанавливается состояние динамического равновесия. Иными словами число молекул покинувших жидкость становится равно число молекул вернувшихся обратно в жидкость. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называется насыщенным паром. Это название передаёт ту мысль, что в данном объеме не может быть помещено большее количество пара. Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией и пар, в случае отсутствия жидкости будем называть ненасыщенным или перегретым. Если пар не соприкасается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщенным. Пар должен перейти в жидкую фазу, но этого не происходит. Такой пар называют пересыщенным. Объясняется это тем, что для образования жидкости нужны центры конденсации, которые могли бы стать зародышами жидкости. Ими могут быть пылинки или ионы, которые притягивают к себе молекулы пара и на них образуются мельчайшие капельки.

Выясним свойства насыщенного пара при изотермическом и изохорическом процессах.

1) При изотермическом процессе Т=const идеальный газ подчиняется закону Бойля-Мариотта PV=const, но для насыщенного пара давление и плотность не зависят от занимаемого объёма Р=const,  = const.

Это утверждение объясняется тем, что скорость испарения жидкости зависит в основном от температуры, а скорость конденсации от плотности пара. При изотермическом сжатии скорость конденсации возрастает, а скорость испарения остаётся прежней. Большее число молекул будет возвращаться в жидкость, чем покидать её поверхность. Равновесие между паром и жидкостью нарушается. Уменьшение объёма пара на V приводит к увеличению объёма жидкости. Преобладание конденсации над испарением продолжается до тех пор, пока снова не наступает состояние динамического равновесия, а давление и плотность не примут первоначальных значений. При изотермическом расширении насыщенного пара на V испарение преобладает над конденсацией. При этом дополнительно испаряется столько жидкости, сколько нужно для заполнения прироста объёма V, что приводит к возрастанию плотности и давления до первоначальных значений. Таким образом, давление и плотность пара не изменяется.

2) При изохорическом процессе V=const. Нагревая воду или любую другую жидкость в закрытом сосуде, из которого предварительно откачали воздух и, измеряя давление насыщенного пара можно на опыте убедиться, что с ростом температуры давление пара увеличивается. Это легко объяснить. В теплой жидкости большее число молекул обладает скоростью, достаточной для того, чтобы преодолеть силы молекулярного взаимодействия и вырваться за пределы жидкости. Экспериментальная зависимость давления насыщенного пара от температуры представлена на рисунке 8.2. Для насыщенного пара, давление на участке АВ растёт гораздо быстрее, чем давление идеального газа (изохора 1). Зависимость давления идеального газа от температуры определяется уравнением Р=nkT и зависит только от температуры, так как n=const. Для насыщенного пара число молекул в единице объёма n при повышении температуры увеличивается, а масса жидкости в сосуде уменьшается. Поэтому на участке АВ давление растёт по двум причинам; во-первых, за счёт роста температуры, во-вторых, за счёт увеличения количества пара. Участок АВ соответствует кривой испарения 2 на фазовой диаграмме. Вещество одновременно находится в дух фазах; в жидкой и в газообразной. В точке В вся жидкость полностью испаряется и вещество переходит в газообразную фазу. После этого давления на ВС увеличивается только за счёт роста температуры. Поэтому участок ВС совпадает с изохорой 2 для идеального газа.

Таким образом, насыщенный пар не подчиняется законам идеального газа. Законы идеального газа были сформулированы для постоянной массы газа. Масса насыщенного пара в единице объёма (плотность) сильно изменяется с температурой. Но для данной температуры масса пара в единице объёма и давление не изменяются и принимают максимально возможные значения. Эти значения можно найти в таблице 2 (лекция №9).