Пароутворення та конденсація у фізиці - основні поняття, формули та визначення з прикладами

Будь-яка речовина за певних умов може переходити з одного фазового (агрегатного) стану до іншого. Вологий одяг може «замерзнути», а може висохнути, водяна пара може зібратися в крапельки води, утворюючи туман або росу, а може перетворитися на іній. Згадаймо, за яких умов відбувається перехід речовини з рідкого стану в газоподібний та навпаки.

Які особливості випаровування рідини

Процес переходу речовини з рідкого стану до газоподібного називають пароутворенням.

Є два способи переходу рідини в газ: випаровування та кипіння.

Випаровування - Це процес пароутворення з поверхні рідини.

З погляду МКТ пароутворення — це процес, коли з поверхні рідини вилітають швидкі молекули. Дійсно, молекули рідини безперервно рухаються (вагаються біля положень рівноваги, іноді перестрибують з місця на місце), але сили тяжіння не дають їм розлетітися. Однак у рідині завжди є молекули, кінетична енергія яких у кілька разів перевищує її середнє значення. Коли ці «швидкі» молекули опиняються на поверхні рідини, їхньої енергії вистачає для того, щоб, подолавши тяжіння сусідніх молекул, залишити рідину.

Знаючи механізм випаровування, відзначимо деякі його особливості.

1. Випаровування відбувається за будь-якої температури. Що температура рідини, то більше в ній «швидких» молекул, тому із збільшенням температури швидкість випаровування збільшується.Оскільки рідина залишають молекули, кінетична енергія яких вища за середню, то середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, тобто при відсутності теплообміну процес випаровування викликає охолодження рідини.
2. Випаровування супроводжується поглинанням енергії: енергія витрачається на здійснення роботи проти сил міжмолекулярного тяжіння та сил зовнішнього тиску. Чим менший тиск на вільну поверхню рідини, тим швидше рідина випаровується.
3. Швидкість випаровування збільшується зі збільшенням площі вільної поверхні рідини (на поверхні рідини буде більше молекул із достатньою кінетичною енергією).
4. Різні рідини випаровуються з різною швидкістю (спирт випаровується майже миттєво, вода — повільніша, а крапля ртуті випаровуватиметься роками, отруюючи повітря). Вочевидь, що повільніше випаровуються ті рідини, молекули яких сильніше взаємодіють друг з одним.

Яку пару називають насиченою

Швидкість випаровування залежить від руху повітря: волосся швидше висохне, якщо його сушити феном; калюжі після дощу швидше зникнуть у вітряну погоду. Таку залежність легко пояснити з погляду теплового руху молекул. Біля поверхні рідини завжди існує «хмара» молекул, що залишили її, тобто пара цієї рідини. Молекули пари безладно рухаються, стикаючись один з одним і молекулами інших газів. Завдяки дифузії та руху повітря деякі молекули пари віддаляються від поверхні рідини і вже ніколи до неї не повертаються. Інші молекули, навпаки, можуть бути так близько до поверхні, що сили міжмолекулярної взаємодії «захоплюють» їх і повертають у рідину (див. рис. 31.2).Якби молекули, що залишили рідину, не поверталися, швидкість випаровування була б величезною. Наприклад, за кімнатної температури відро води випарувалося б менш ніж за годину.

Мал. 31.2. Молекули, що залишили рідину, можуть знову повернутися до неї внаслідок теплового руху: а - пара над поверхнею рідини ненасичена; б - пара над поверхнею рідини насичена

Таким чином, поряд з процесом випаровування, у ході якого рідина переходить у пару, існує зворотний процес, у ході якого речовина з газоподібного стану переходить у рідке.

Процес переходу речовини з газоподібного стану в рідке називають конденсацією.

Випаровування супроводжується поглинанням енергії; при конденсації енергія виділяється. Закриємо кришкою посудину з деяким об'ємом рідини (рис. 31.2 б). Поверхня рідини, як і раніше, залишатимуть «швидкі» молекули, маса рідини зменшуватиметься, а концентрація молекул пари — збільшуватиметься. Одночасно частина молекул повертатиметься з пари в рідину. Дуже швидко концентрація молекул пари над рідиною стане настільки високою, що кількість молекул, що повертаються в рідину, дорівнюватиме кількості молекул, що залишають її за той же час, — між процесами конденсації та випаровування встановиться динамічна рівновага.

Пара, що перебуває в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, називають насиченою парою.

Зверніть увагу! Концентрація молекул насиченої пари - найбільша можлива концентрація молекул пари за даної температури; пар, концентрація молекул якого менша, ніж у насиченому, називають ненасиченою парою.

Від яких факторів залежить тиск насиченої пари

Для насиченої пари, як і для будь-якого газу, справедлива рівність p=nkT.

Оскільки концентрація молекул насиченої пари залежить від роду рідини, то тиск насиченої пари залежить від роду рідини (табл. 1).

Тиск насиченої пари при 20 °C

Чим більше сили міжмолекулярної взаємодії, тим менша концентрація молекул насиченої пари і, отже, менший її тиск. Крім того, тиск насиченої пари залежить від температури. .

Справа в тому, що одночасно зі зростанням температури збільшується концентрація молекул пари.

Зверніть увагу! Якщо підвищення температури призведе до повного випаровування рідини, то надалі пара стане ненасиченою і її тиск буде лінійно залежати від температури.

Тиск, що створюється насиченою парою, — найбільший тиск, який може створити пар даної рідини при даній температурі.

Конденсація переважатиме над випаровуванням до тих пір, поки концентрація молекул пари не зменшиться до концентрації молекул насиченої пари, а тиск не стане рівним тиску насиченої пари.Зі збільшенням обсягу, який займає насичена пара, навпаки, переважатиме процес випаровування, і в результаті знову встановиться початковий тиск. Таким чином, на відміну від ідеального газу, тиск насиченої пари не залежить від його об'єму (рис. 31.4).

Мал. 31.4. Залежність тиску від обсягу: а - для ідеального газу; б - для насиченої пари. Точка А відповідає повному випаровуванню рідини; пара стає ненасиченою, і її тиск зменшується назад пропорційно до обсягу

Як і чому кипить рідина

Якщо до посудини з рідиною підвести достатню кількість теплоти, температура рідини буде збільшуватися, а дно та стінки судини покриються пухирцями. Ці бульбашки містять повітря і насичену пару, тиск яких зростатиме із зростанням температури. Як тільки тиск газу всередині бульбашок перевищить зовнішній тиск, бульбашки почнуть збільшуватися в обсязі (рис. 31.5 а).

Мал. 31.5. Механізм кипіння рідини

Нарешті під дією архімедової сили, що виштовхує, вони відірвуться від дна судини і почнуть спливати; на місці бульбашок, що відірвалися, залишиться невелика кількість газу — «зародки» нових бульбашок (рис. 31.5, б).

Мал. 31.5. Механізм кипіння рідини

Поки верхні шари рідини трохи холодніші за нижні, у верхніх шарах частина водяної пари в бульбашках конденсується і вони «сплескуються». Цей процес супроводжується шумом та утворенням численних дрібних бульбашок газу – рідина «кипить білим ключем». Коли рідина повністю прогріється, бульбашки, піднімаючись, збільшуються в обсязі, адже їх середину безперервно випаровується рідина (рис. 31.5, в).Досягши поверхні рідини, бульбашки лопаються, викидаючи пару в атмосферу; рідина при цьому вирує і клекоче - кипить (рис. 31.5, г).

Мал. 31.5. Механізм кипіння рідини

Кипіння - процес пароутворення, який відбувається по всьому об'єму рідини та супроводжується утворенням та зростанням бульбашок пари.

Від яких факторів залежить температура кипіння рідини

Продовжуючи нагрівати киплячу рідину, можна помітити, що під час кипіння температура рідини не змінюється (рис. 31.6).

Якщо збільшити кількість теплоти, що підводиться до рідини, збільшиться кількість бульбашок, тобто зросте інтенсивність пароутворення. Таким чином, при кипінні вся енергія, що підводиться, йде на пароутворення.

Рідина починає кипіти (бульбашки починають збільшуватися в обсязі) тільки тоді, коли тиск газу в бульбашках ( ) стає трохи більше тиску в рідині ( ). У бульбашках містяться повітря і насичена пара, проте повітря в них набагато менше, ніж пара, тому тиск газу в бульбашках приблизно дорівнює тиску насиченої пари. ): Якщо глибина судини менша за метр, то гідростатичним тиском рідини можна знехтувати, тому

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари трохи перевищує зовнішній тиск.

Чим менший зовнішній тиск, тим при нижчій температурі кипить дана рідина (рис. 31.7). Якщо налити в колбу воду і відкачувати насосом з колби повітря, то вода закипить навіть при кімнатній температурі.І навпаки, якщо необхідно підвищити температуру кипіння рідини, її нагрівають за умов підвищеного тиску (рис. 31.8).

Мал. 31.7. температура кипіння води на різних висотах (і відповідно – при різному тиску)

Мал. 31.8. До високих температур нагрівають воду в автоклавах. При тиску понад 100 атмосфер, температура кипіння води збільшується до 300 °С.

Оскільки тиск насиченої пари залежить від роду рідини, то за однакового зовнішнього тиску кожна речовина має свою температуру кипіння (табл. 2).

Температура кипіння при нормальному атмосферному тиску

Чим менше сили міжмолекулярного тяжіння у рідині, тим нижча температура її кипіння. Температура кипіння рідини залежить від наявності у ній розчиненого газу. Якщо довго кип'ятити воду і таким чином видалити з неї розчинений газ, повторно при нормальному тиску цю воду можна буде нагріти до температури вище 100 °С.

• Процес переходу речовини з рідкого стану до газоподібного називають пароутворенням. Пароутворення може відбуватися двома шляхами: випаровуванням та кипінням.
• Випаровування - процес пароутворення з поверхні рідини. Поряд із процесом випаровування існує процес конденсації - процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий.
• Кипіння - процес пароутворення, що відбувається по всьому об'єму рідини і супроводжується утворенням та збільшенням бульбашок пари. Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках трохи перевищує зовнішній тиск.
• Якщо за однаковий час число молекул, що вилетіли з поверхні рідини, дорівнює кількості молекул, що повернулися в рідину, то рідина та її пара перебувають у стані динамічної рівноваги.Пара, що знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, називають насиченою.

При копіюванні будь-яких матеріалів із сайту evkova.org обов'язкове активне посилання на сайт www.evkova.org

Сайт створений колективом викладачів на некомерційній основі для додаткової освіти молоді

Сайт пишеться, підтримується та керується колективом викладачів

Telegram та логотип telegram є товарними знаками корпорації Telegram FZ-LLC.

Cайт носить інформаційний характер і за жодних умов не є публічною офертою, яка визначається положеннями статті 437 Цивільного кодексу РФ Ганна Євкова не надає жодних послуг.

Випаровування та конденсація: особливості процесу

Випаровування та конденсація — що це за процеси у фізиці

Парообразование є явище перетворення речовини з рідкого стану на газоподібне.

Процеси пароутворення класифікують на два типи:

Рідина може випаровуватися з поверхні в будь-яких температурних умовах.

Якщо викладач виявить плагіат в роботі, не уникнути великих проблем (аж до відрахування).

Випаровування є процесом, при якому речовина переходить з рідкого стан газоподібне з поверхні рідини при будь-якій температурі.

У процесі випаровування молекули вивільняються з рідини. При цьому енергія рідкої речовини зменшується разом із пониженням температури.Після виходу з водоймища відчувається холод. При цьому, якщо спостерігається вітряна погода, випаровування протікає інтенсивніше, і стає холодніше, ніж за відсутності вітру.

Випаровування характерне не тільки для рідин, але і для твердих тіл. Як пояснення можна навести приклад випаровування льоду. Це підтверджує процес висихання білизни після прання на морозі. Запах нафталіну пояснюється його випаровуванням. Під час гасіння пожеж застосовують рідини, що легко випаровуються.

Процес випаровування рідини пояснює молекулярно-кінетична теорія. Молекули речовини, що у рідкому стані, безперервно переміщаються з різними швидкостями. Певні з них, що мають найбільшу швидкість і розташовані на межі поверхні рідини і повітря, з порівняно великою енергією здатні подолати тяжіння сусідніх молекул, і залишити рідину. В результаті утворюється пара.

У зв'язку з тим, що в процесі випаровування рідина залишають молекули з більшою внутрішньою енергією в порівнянні з іншими середня швидкість і середня кінетична енергія рідини зменшуються, за рахунок чого речовина остигає.

Швидкість, з якою випаровується рідина, визначається її родом. Наприклад, ефір переходить у газоподібний стан швидше, ніж вода або олія. Також швидкість випаровування впливає рух повітря над поверхнею рідини. Фактично це можна перевірити за допомогою сушіння речей на відкритому повітрі. Якщо на вулиці вітряно, білизна висихає швидше.

Швидкість, з якою рідина випаровується, визначається її температурою. Як приклад можна розглянути воду, яка при 30 °C випарується швидше, ніж та ж вода при температурі 10 °C.Якщо воду налити в блюдце, процес її випаровування протікатиме швидше в порівнянні з випаром води в склянці. Отже, на показник швидкості випаровування впливає площа поверхні рідини.

Кипіння є процесом інтенсивного пароутворення, що протікає в умовах нагрівання рідини, не тільки з поверхні, а й усередині неї.

Кипіння є окремим видом пароутворення. Кожна речовина має певну температуру кипіння. У процесі випаровування можна спостерігати як утворення пари, а й трансформацію молекул речовини з пароподібного стану на рідке.

Як приклад розглянемо досвід із водою у скляній колбі. При підвищенні температури рідини через деякий час виникають бульбашки. Вони містять повітря і насичену водяну пару, утворену в результаті випаровування води всередині бульбашок. З підвищенням температури можна спостерігати підвищення тиску всередині бульбашок, які рухаються вгору під дією сили, що виштовхує.

У верхньому шарі води температура менша, ніж у нижньому. У бульбашках починає відбуватися конденсація пари, що сприяє зменшенню їхнього обсягу. При рівномірному нагріванні води бульбашки з парою піднімаються на поверхню і лопаються, після чого пара вивільняється у зовнішнє середовище. Вода кипить. Процес протікає за певної температури, коли тиск насиченої пари в бульбашках дорівнює атмосферному тиску.

Температура, коли рідина кипить, називають температурою кипіння. Цей параметр визначається атмосферним тиском. Якщо воно підвищується, то температура кипіння буде вищою.Досвідченим шляхом доведено, що при кипінні температура рідини зберігає стабільне значення, незважаючи на надходження енергії із зовнішнього середовища.

Рідина трансформується в пару при кипінні, що обумовлено віддаленням молекул одна від одної та подолання ними взаємного тяжіння. Робота в цьому випадку здійснюється за рахунок енергії, що підводиться до рідини.

Процес закінчується, коли весь об'єм рідини буде перетворено на пару. Оскільки температура рідини та пари під час кипіння однакова, середня кінетична енергія молекул залишається стабільною. У цьому випадку збільшується лише їхня потенційна енергія.

На графіку можна простежити взаємозв'язок між температурою води та часом при її нагріванні від кімнатної температури до температури кипіння (АБ), кипіння (БВ), нагрівання пари (ВГ), охолодження пари (ГД), конденсації (ДЕ) та подальшого охолодження (ЇЖ) .

Конденсація є процесом перетворення пари на рідину.

При конденсації пари виділяється енергія. У навколишньому світі можна спостерігати це явище, коли увечері влітку при зниженні температури повітря випадає роса. Вона є водяною парою, яка міститься в повітрі. У процесі охолодження пара конденсується і краплі води осідають на траві.

Конденсація протікає одночасно з випаровуванням. Молекули, що залишають рідину і знаходяться над її поверхнею, рухаються хаотично. При зіткненні із сусідніми молекулами в певний момент часу вони набувають швидкості, спрямованої до поверхні рідини, і повертаються в рідке середовище.

У відкритій посудині речовини випаровуються швидше, ніж відбувається конденсація. У цьому рідина втрачає у масі. Пара, що формується над поверхнею рідини, є ненасиченою.

При поміщенні рідини в закриту посудину спочатку кількість молекул, що її покинули, перевищує кількість тих, що повернулися назад. Згодом щільність пари, що знаходиться над рідиною, підвищується і такого значення, що кількість молекул, які вивільняються з рідини, стає рівним числу молекул, що повернулися на рідину. При цьому настає динамічна рівновага рідини з її парою.

У стані динамічної рівноваги пар є насиченим. Коли резервуар з рідиною та насиченою парою нагрівають, зростає кількість молекул, що залишають рідину. Поступово воно стає більшим, ніж число молекул, що повертаються в рідке середовище.

Згодом рівновага відновлюється, проте збільшуються показники щільності та тиску пари, що знаходиться над рідиною. Як приклади конденсації можна навести:

• хмари;
• запітнілі вікна та крани, якими тече холодна вода;
• туман біля носика чайника.

Вологість повітря

Повітря за будь-яких умов містить водяну пару, яка утворена в результаті випаровування води. Вологість характеризує концентрацію водяної пари у повітрі.

Абсолютна вологість повітря ((rho)) являє собою масу водяної пари, яка міститься в 1 м³ повітря, або є щільністю водяної пари, що міститься в повітрі.

У тому випадку, коли відносна вологість повітря становить \(9,41*10^ kg/m^\) , в 1 м³ міститься \(9,41*10^ kg\) водяної пари. Відносна вологість – це величина, що характеризує рівень вологості повітря.

Відносна вологість повітря \((\varphi)\) є величиною, що дорівнює відношенню щільності \((\rho)\) , якою володіє водяна пара, що міститься в повітрі, до щільності насиченої водяної пари \(\rho _\) при цій температурі .

Формула розрахунку відносної вологості має вигляд:

Температура, при якій водяна пара, що міститься в повітрі, стає насиченою, є точкою роси. Вологість вимірюють за допомогою психрометра, що складається з вологого та сухого термометрів. За показаннями приладів можна визначити по таблиці відносну вологість повітря.

Процес утворення пари, що при цьому відбувається

У процесі випаровування молекули залишають рідину, а також забирають із собою частину її внутрішньої енергії. Відомо, що температура впливає на швидкість, з якою рухаються молекули. При однаковій температурі швидкість молекул, розташованих поруч, може відрізнятися несильно.

Однак певна частина молекул буде переміщатися так швидко, що здатна подолати тяжіння інших молекул і залишити рідину. Дані молекули випаровуються, забираючи з собою енергію. Випаровування є ендотермічним процесом, тобто протікає з поглинанням енергії, що вивільняється разом із молекулами.

Внаслідок втрат теплової енергії в процесі випаровування рідина остигає. У разі підвищення швидкості випаровування температура знижується сильніше. У разі, коли рідина випаровується повільно, теплові втрати заповнюються. Це пояснюється частковою віддачею теплової енергії молекулами навколишнього повітря молекул рідини, що виключає значне зниження її температури.

Від чого залежить швидкість випаровування

Швидкість випаровування залежить від кількох факторів. До них відносять:

• силу тяжіння молекул до сусідніх, що визначається родом речовини;
• площа поверхні рідини;
• рух повітря над поверхнею речовини;
• температуру.

Відомо, що рідини випаровуються з неоднаковою швидкістю.Наприклад, вода випаровуватиметься повільніше, ніж ацетон, оскільки сила тяжіння молекул води одна одній більше, ніж аналогічний показник, характерний молекул ацетону.

У фізиці прийнято говорити не про силу тяжіння молекул, а про їхню потенційну енергію взаємодій. Дане формулювання застосовується для опису процесу випаровування речовин.

Швидкість випаровування також визначається рухом повітря над її поверхнею. Деякі молекули, які випаровуються, не мають запасу кінетичної енергії. Такі молекули знаходяться поблизу речовини і повертаються через якийсь час назад. Якщо дме вітер, такі молекули відлітають без можливості повернутися назад. Таким чином, швидкість випаровування рідини збільшується.

Відомо, що молекули випаровуються із поверхні. У зв'язку з цим, випаровування речовин відбувається швидше, якщо площа поверхні більша.

Рідини випаровуються незалежно від температури. Під час нагрівання процес прискорюється. Це пов'язано зі зростанням числа молекул, які мають енергію, достатню для вивільнення з речовини. Коли температура підвищується, збільшується кількість молекул із кінетичною енергією, що перевищує потенційну енергію взаємодії молекул із сусідніми молекулами.

Яка кількість теплоти виділяється

Речовини трансформуються з рідкого стану газоподібне з неоднаковими витратами енергії. Ця величина визначається, як питома теплота пароутворення.

Питома теплота пароутворення (L) є величиною, що дорівнює відношенню кількості теплоти, яку потрібно повідомити речовину масою 1 кг, для перетворення її з рідкого стану на газоподібний при температурі кипіння.

У СІ питома теплота пароутворення позначається, як L, і вимірюється Дж/кг.

Обчислити кількість теплоти Q, необхідну для того, щоб речовина з масою m перетворилася з рідини на газ, можна шляхом множення питомої теплоти пароутворення L на масу речовини:

У процесі конденсації пари буде виділено деяку кількість теплоти. Її величина дорівнює кількості теплоти, яку необхідно витратити для того, щоб перетворити рідину на пару при тій же температурі.

Насичена, ненасичена та перенасичена пара

Пором рідини називають газоподібний стан цієї рідини.

Над рідиною завжди присутні її пари, утворені внаслідок випаровування цієї рідини. Завдяки дифузії молекули частково повертаються назад у речовину.

Ненасичена пара утворюється в тому випадку, коли кількість молекул, що вивільняються з рідини, більша за кількість молекул, що повернулися в рідину за той самий проміжок часу.

Насичена пара є парою, яка знаходиться в рівновазі зі своєю рідиною.

Пара насичена, якщо кількість молекул, які залишили рідину протягом певного часу, дорівнює кількості молекул, що повернулися в рідину за цей же час. У цьому випадку можна говорити про динамічну рівновагу пари і рідини.

Отримати насичену пару можна досвідченим шляхом, наприклад, при обмеженні об'єму над поверхнею води. У разі процес може тривати лише до певного моменту. Коли пара стає насиченою, то більшої концентрації молекул (означає, і тиску) насиченої пари за тієї ж температури досягти не можна.

Таким чином, тиск насиченої пари має єдине значення, яке визначається лише його температурою.При зменшенні насиченої пари в об'ємі при стабільній температурі відбувається конденсація пари в рідину у зв'язку з тим, що концентрація частинок і тиску пари досягають максимального значення.

Особливість пари полягає в тому, що її тиск р не перевищує тиск насиченої пари \(p_\), тобто \(p\leq p_\). Тиск (p_) визначається лише температурою. Це значення можна взяти з довідника. Коли \(p< p_\), пара є ненасиченою, а при \(p= p_\) – насиченою.

У будь-яких процесах пар розглядають як триатомного газу. Тоді i, тобто число ступенів свободи у молекул пари, дорівнює 6. Молярна ємність \(c_\) при стабільному обсязі становить 3R. Тога внутрішня енергія пара дорівнює:

де \(\nu\) є кількістю моль пари.

Якщо розглянути якийсь об'єм пари, замкнений у резервуарі під поршнем, то при відводі та підведенні тепла ненасичена пара поводитиметься, як звичайний газ. Його маса залишатиметься стабільною на відміну маси насиченої пари, яка може змінюватися.

У разі ненасиченої пари застосовні закони Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, а для насиченої – ні. Можна розглянути поведінку пари за різних умов практичних прикладах.

Є якийсь закритий посуд об'ємом 0,5 л при температурі \(^\circ C\) , в якому знаходяться в рівновазі пари води і крапля води. Необхідно обчислити масу водяної пари в посудині. Слід врахувати, що з температурі \(^\circ C\) тиск насиченої пари відповідає атмосферному, тому \(p=^5\) Па. Рівняння Менделєєва-Клапейрона має вигляд:

За аналогією з молярною масою води можна визначити молярну масу водяної пари:

Можна перевести одиниці у систему СІ, тоді:

обсяг судини (V = 0,5 l = 5 cdot m 3)

температура пари (T = 373 K)

У такому випадку, водяна пара має масу:

В іншому прикладі розглядається посудина об'ємом 1 л при температурі \(^\circ C\), в якій знаходяться в рівновазі вода, водяна пара і азот. становить 100 кПа. Необхідно обчислити загальну кількість пари, парціальний тиск азоту в системі, масу водяної пари, масу азоту.

Насамперед слід звернутися до рівняння Менделєєва-Клапейрона для водяної пари та азоту:

Виходячи з цього, можна розрахувати загальну кількість речовини в газоподібному стані:

Необхідно перевести величини в СІ:

тиск у посудині (p = 300 kPa = 3 cdot ^ 5 Pa)

Відповідно до закону Дальтона, тиск у посудині дорівнює:

Виходячи з цього, парціальний тиск азоту:

При температурі \(^\circ C\) тиск насиченої пари такий самий, як атмосферний:

Молярна маса водяної пари:

Молярна маса азоту:

Перенасиченою або пересиченою парою називають пару, яка виходить з насиченого зі збільшенням тиску при стабільній температурі.

Перенасичену пару отримують двома методами:

Пересичена пара є метастабільною. Дане поняття означає те, що пара залишається в стабільному стані протягом тривалого часу. Однак при зміні температури знижується тиск, і починається конденсація.

Опис процесу переходу пари в рідину, формула

У процесі конденсації пара перетворюється на рідину.При цьому кількість частинок речовини, які повертаються в рідину протягом певного часу, перевищує кількість молекул, що вивільняються з рідини. Випаровування та конденсацію можна спостерігати повсюдно.

Наприклад, коли вода випаровується з поверхні водної оболонки планети (гідросфери), грунту та рослин, у повітрі у будь-який час утримуватиметься водяна пара. У його конденсації формуються хмари, і випадають опади.

Над вільною поверхнею постійно присутні її пари. У тому випадку, коли резервуар з рідиною відкритий, при стабільній температурі концентрація молекул пари змінюється, зменшуючись та збільшуючись. У замкнутому просторі за певної температури процес випаровування протікає до деякого моменту.

Це зумовлено одночасним випаром та переходом водяної пари в рідину. Таким чином, при підвищенні температури, щільність та тиск насиченої пари також збільшуються. Зразкову залежність даних показників визначає рівняння стану ідеального газу:

Тиск насиченої пари при стабільному обсязі збільшується через зростання температури рідини та підвищення концентрації молекул пари, її щільності та маси. Тому аналізована залежність є наближеною.

У початковий момент часу швидкість зростання тиску насиченої пари більша, ніж аналогічний показник ідеального газу. При випаровуванні всієї рідини пар перестає бути насиченим, яке тиск при стабільному обсязі збільшується прямо пропорційно температурі.

З цього випливає, що при незмінній температурі тиск і щільність насиченої пари не визначається об'ємом, який він займає.Тиск і щільність насиченої пари за певної температури є максимальними для пари, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною.

Коли об'єм ненасиченої пари зменшується, тиск зростає так само, як змінюється тиск при зменшенні об'єму газу. тиску, оскільки рідини погано стискаються.

При температурі, яка перевищує деяке значення, при будь-якому стисненні пар не перетворитися на рідину. Таким чином, перехід речовини з газоподібного стану в рідке можливий не за будь-якої температури. речовини характерна певна критична температура

Якщо температура речовини вища, ніж критична, то її стан називають газом. Коли температура речовини нижча, ніж критична, пара може перейти в рідкий стан.

Зразкову залежність між тиском насиченої пари та її щільністю описують формулою:

Де застосовуються процеси випаровування та конденсації

Дані процеси активно застосовуються в техніці і широко поширені в природі. На теплових електростанціях вода перетворюється на пару, що обертає турбіну.

За допомогою випаровування сушать деревину, ягоди, різні матеріали. Конденсація нерідко використовується для очищення води.Інші популярні галузі використання аналізованих процесів:

• організація холодильного процесу у холодильниках;
• зниження температури води у градирнях;
• поділ речовин у колоні ректифікації;
• сушіння повітря.

Процес випаровування активно використовується в енергетиці, холодильній техніці, сушильному устаткуванні, випарниках. Наприклад, апарати, що спускаються в космічній техніці покриті речовинами, які способи швидко випаровуватися. За рахунок випаровування відбувається охолодження корпусу апарату, коли він долає шари атмосфери.

У природі можна спостерігати масштабне явище під назвою кругообігу води. Слід зазначити, що вологість повітря впливає здоров'я людини. Цей показник контролюють та регулюють при зберіганні книг, картин, овочів, фруктів, продуктів харчування, деревини.

Ідея процесів випаровування та конденсації лежить в основі пристрою дистилятора. З його допомогою одержують хімічно чисту воду, яку, наприклад, використовують для заливання автомобільних акумуляторів. Перенасичену пару використовують у камері Вільсона, що дозволяє візуалізувати та фотографувати частинки для вивчення їхньої поведінки.

Наскільки корисною була для вас стаття?

Кипіння та питома теплота пароутворення

Рідина може переходити у пароподібний стан двома способами – випаровуванням та кипінням. Випаровуються рідини у всьому температурному діапазоні, в той час, як кипіння відбувається за строго певної температури для кожної конкретної рідини.

Що таке кипіння

• бурхливий перехід рідини у пару. У всьому обсязі рідини утворюються бульбашки, пара в цих бульбашках насичена;
• ендотермічний процес, він відбувається із поглинанням енергії.

Утворення пари у всьому обсязі рідини називають кипінням.

Примітка: Цікавим є той факт, що перед початком кипіння від чайника з водою доноситься специфічний шум.

Відмінності між випаром та кипінням

Характерним проявом кипіння може бути утворення бульбашок пари всередині рідини (рис. 1):

Мал. 1. Під час випаровування пар утворюється тільки на поверхні, а під час кипіння – у всьому обсязі рідини

На наступному малюнку 2 представлені відмінності процесів випаровування та кипіння докладніше:

Мал. 2. Є два процеси утворення пари – випаровування та кипіння, малюнок пояснює їх основні відмінності

Випаровування відбувається при будь-якій температурі з поверхні, а кипіння – лише за однієї конкретної температури, але у всьому обсязі рідини.

Процеси кипіння та конденсації на графіках

Нехай невелика кількість води знаходиться у просторій закупореній посудині.

Розберемо, як виглядають на температурних графіках процеси кипіння та конденсації. Для початку розглянемо графік нагрівання та кипіння (рис. 3).

Спочатку вода мала температуру +20 градусів за Цельсієм. Нагріватимемо цю воду. Спочатку її температура зростатиме. На графіці це показано похилою блакитною лінією, що знаходиться в лівій частині малюнка.

До нескінченності температура не підніматиметься. Як тільки температура досягне певної межі, вода закипить. З малюнка випливає, коли температура води досягла позначки +100 градусів Цельсія і почався кипіння. Цей процес на малюнку схематично позначений горизонтальною червоною лінією.

Горизонтальне положення кипіння означає, що під час кипіння температура води не змінюється. Температура залишатиметься незмінною доти, доки вся вода не перетвориться на газоподібний стан — пару.Для компактності малюнка я вкоротив цю лінію, насправді довжину цієї лінії потрібно збільшити.

Вже після того, як вся вода перетворилася на пару, температура пари почала підвищуватися.

Тепер відбиратимемо теплову енергію у молекул. нагріванням, розглянутий раніше.

Спочатку температура пари зменшується від +180 градусів Цельсія до +100 градусів.

Потім, відбувається конденсація пари. Молекули пари збираються в краплі рідини.

Як тільки вся пара конденсується, рідка вода, що утворилася, починає охолоджуватися до кінцевої температури + 20 градусів Цельсія.

Температура кипіння та як її знайти на графіку

Щоб закипіла рідина, її потрібно нагріти до температури кипіння.

На малюнку 5 представлений температурний графік нагрівання води. Температуру кипіння можна визначити по горизонтальній лінії, що позначає процес кипіння.

5. Якщо на графіку температури знайти горизонтальну лінію кипіння, а потім провести пунктир до осі температури, ми знайдемо температуру кипіння.

Температура кипіння – це температура, коли пар утворюється у всьому обсязі рідини. Така температура у кожної рідини своя, її можна знайти у довіднику фізики.

Температури кипіння деяких речовин

Порівняємо для наочності значення температури кипіння деяких речовин.

Нам відомо, що температура кипіння питної води дорівнює 100 градусів за шкалою Цельсія.

При кімнатній температурі деякі речовини перебувають у газоподібному стані, але за нижчих температур вони перетворюються на рідини. Наприклад, кисень перетворюється на киплячу рідину при мінус 183 градусах Цельсія.

На противагу цьому речовини, які ми звикли бачити твердими при кімнатній температурі, в киплячу рідину перетворяться при більш високих температурах. Наприклад, мідь стане окропом при 2567 град. Цельсія, а залізо – за 2500 град. Цельсія

На малюнку 6 представлений список деяких речовин та вказана температура, за якої ці речовини киплять.

Розширений список рідин та їх температуру кипіння можна знайти у довіднику фізики.

Чому температура рідини при кипінні не змінюється

Теплова енергія, яку одержує рідина під час кипіння, витрачається на утворення пари у всьому обсязі рідини. Тому під час кипіння температура рідини не змінюється.

Розберемо докладніше, що відбувається, коли ми повідомляємо теплову енергію будь-якої рідини.

Теплова енергія, що отримується від джерела, передається молекулам рідини. Швидкість руху молекул збільшується, отже, зростає їхня кінетична енергія. Чим вище температура, тим швидше рухатимуться молекули.

Перебуваючи у рідині, кожна молекула притягується до сусідніх молекул.Тобто молекули утримуються у рідині силами тяжіння сусідніх молекул. Якщо є взаємодія молекул – їхнє взаємне тяжіння, отже, є потенційна енергія такої взаємодії.

У міру нагрівання, енергія руху деяких молекул збільшиться настільки, що вони подолають тяжіння сусідніх молекул і залишать рідину. Чим вище температура, тим більше молекул зможе залишити рідину.

Ми пам'ятаємо, що при випаровуванні рідина залишають молекули, що знаходяться лише на її поверхні. А під час кипіння енергію, достатню для того, щоб вилетіти з рідини, одержують не лише молекули на поверхні, а й молекули, що знаходяться усередині рідини.

Примітки:

• Спостерігаючи за окропом, можна помітити, що пара утворюється всередині рідини у всьому її обсязі. Бульбашки пари утворюватимуться навіть біля дна. Вони підніматимуться до поверхні, при цьому розширюючись. Усередині бульбашок знаходяться молекули, енергія яких є достатньою для того, щоб залишити рідину.
• Замість слів «Всередині рідини», фізики кажуть – «У всьому обсязі рідини».

Як тиск впливає на температуру кипіння

Ми можемо впливати на температуру кипіння, змінюючи тиск. Якщо тиск повітря збільшити, то температура кипіння, як і, зросте. Наприклад, вода при тиску 220 атмосфер (це 21,6 мільйона Паскалів) закипить лише тоді, коли її температура підніметься до 370 градусів Цельсія.

А зменшуючи тиск, ми навпаки, температуру кипіння рідин знизимо. Саме через знижений тиск, температура кипіння води у високогірних районах нижча, ніж на рівнинній місцевості, яка ближче до рівня світового океану. У горах вода закипає за температури 90 градусів Цельсія.Через це деякі продукти високо в горах зварити не вийде.

Чим вищий тиск, тим вища температура кипіння рідини. Зменшивши тиск, ми знизимо температуру кипіння.

Що таке питома теплота пароутворення

Візьмемо якусь рідину масою 1 кг, попередньо нагріту до температури кипіння. Повідомлятимемо їй теплову енергію, щоб випарувати цю рідину повністю.

Та енергія (теплота), яку ми витратимо, щоб випарувати за допомогою кипіння 1 кг рідини, називається питомою теплотою пароутворення. Питомою величиною цю теплоту називають оскільки вона посідає 1 кг рідини.

Питома теплота пароутворення - це енергія, яку потрібно витратити, щоб випарувати 1 кг рідини, що попередньо нагріта до температури кипіння.

\(\large L \left( \frac>>\right)\) – питома теплота пароутворення (конденсації).

На малюнку 7 представлена ​​таблиця, в якій міститься питома теплота пароутворення (конденсації) при температурі кипіння для деяких рідин та металів у розплавленому стані.

Мал. 7. Таблиця – питома теплота пароутворення (конденсації) деяких речовин за температури кипіння

Що відбувається з енергією під час кипіння та конденсації

Кипіння: рідина одержує теплову енергію (кількість теплоти), з неї вириваються молекули. Отримана енергія витрачається на подолання тяжіння сусідніх молекул і на розширення пари, що утворилася.

Конденсація: молекули пари віддають теплову енергію в навколишній простір, збираючись у крапельки – перетворюючись на рідину.

Виконується закон збереження енергії. Саме тому теплота пароутворення та теплота конденсації збігаються. Процеси кипіння та конденсації протікають при одній і тій же температурі.Відмінність у тому, що кипіння відбувається з поглинанням енергії, а конденсація пов'язані з виділенням енергії.

Як питома теплота пароутворення пов'язана з кількістю теплоти – формула

Нехай рідина попередньо нагріта до температури кипіння, і нам відомі:

Ми можемо порахувати загальну кількість теплоти, потрібну для переведення всієї рідини в пару. Розрахунки потрібно вести за такою формулою:

\(\large m \left( \text \right) \) - Маса речовини;

\(\large L \left( \frac>> \right) \) - Питома теплота пароутворення (конденсації);

\(\large Q \left( \text \right) \) – кількість теплоти, поглинена рідиною під час кипіння, тобто загальна теплова енергія для переведення всієї рідини в пару;

Формулу можна застосовувати так, щоб розрахувати кількість теплоти, що виділяється в навколишнє середовище молекулами пари при їх конденсації.

Для процесу конденсації величина \ ( \ large Q \) - Це кількість теплоти, виділене молекулами пари в навколишнє середовище;

Чим питома теплота пароутворення відрізняється від кількості теплоти

Відмінності питомої теплоти пароутворення кількості теплоти, наведені малюнку 8:

Мал. 8. Якщо рідина знаходиться при температурі кипіння, то питома теплота пароутворення - це енергія для переведення в пару одного кг рідини, а кількість теплоти - це енергія переведення в пару кількох кг рідини

У будь-якому випадку, рідину потрібно попередньо нагріти до температури кипіння.

Кількість теплоти - це енергія, необхідна для конденсації або утворення пари при температурі кипіння кількох кілограмів рідини.

Питома теплота пароутворення – це енергія, необхідна перекладу в пар 1-го кілограма рідини.

Висновки

1. Рідина може переходити в пароподібний стан двома способами: випаровування або кипіння.
2. Утворення пари (пароутворення) лежить на поверхні – це випаровування, тоді як у всьому обсязі – це кипіння.
3. Кипіння – це ендотермічний процес, який відбувається із поглинанням енергії. У всьому обсязі рідини утворюються бульбашки, пара в цих бульбашках насичена;
4. Щоб рідина почала кипіти, її потрібно нагріти до температури кипіння. Кожна рідина кипить при певній для неї температурі.
5. Питома теплота пароутворення - це енергія, яку потрібно витратити, щоб випарувати 1 кг рідини, що попередньо нагріта до температури кипіння.
6. На графіку температур процеси кипіння та конденсації зображуються горизонтальними лініями.
7. Помноживши питому теплоту пароутворення (large L) на кількість кілограмів m киплячої рідини, отримаємо загальну кількість теплоти (large Q), витраченої на переведення всієї рідини в пару під час її кипіння.