Главная | Физика 10 класс | Испарение и конденсация

10 класс

Глава 8. Изменения агрегатных состояний вещества

В зависимости от внешних условий одно и то же вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твёрдом, жидком или газообразном. При изменении внешних условий (например, в результате нагревания или охлаждения) могут происходить изменения агрегатных состояний вещества. К ним, например, относятся такие процессы, как парообразование, конденсация, сублимация, плавление и кристаллизация. Они сопровождаются поглощением или выделением некоторого количества теплоты. В данной главе мы рассмотрим изменения агрегатных состояний вещества с точки зрения MKT и термодинамики.

§ 53. Испарение и конденсация. Насыщенный пар

Испарение.

Повседневные наблюдения показывают, что количество воды, спирта, бензина, керосина и любой другой жидкости, содержащейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается, а с течением времени жидкость и вовсе может исчезнуть. Например, хорошо закупоренный пузырёк с лекарством может стоять в шкафу сколь угодно долго, и количество жидкости в нём не изменяется. Если же пузырёк оставить открытым, то, заглянув в него через достаточно продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нём нет. В действительности жидкости бесследно не исчезают — они испаряются, т. е. превращаются в пар.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с открытой поверхности жидкости, называют испарением.

Опытным путём можно установить, что испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Скорость испарения тем больше, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, выше её температура и чем быстрее удаляются от поверхности жидкости образовавшиеся над ней пары́. Кроме того, скорость испарения зависит от рода жидкости.

Рассмотрим процесс испарения жидкости с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулы жидкости участвуют в непрерывном хаотическом движении. Чем выше температура жидкости, тем больше их кинетическая энергия, тем выше скорость хаотического движения молекул. У некоторой молекулы энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше средней. При этом средняя кинетическая энергия наиболее быстрых молекул в какой-то момент может стать больше средней кинетической энергии хаотического движения молекул жидкости и больше потенциальной энергии их взаимодействия. В результате молекулы окажутся способными вылететь из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул жидкости. При этом процесс вылета некоторых молекул из жидкости обязательно сопровождается уменьшением средней кинетической энергии хаотического движения оставшихся молекул вещества. Поэтому при отсутствии теплообмена жидкости с окружающей средой испарение жидкости сопровождается её охлаждением.

Молекулярно-кинетическая теория позволяет объяснить условия, ускоряющие процесс испарения. Нальём одинаковое количество воды в сосуд с узким горлышком и в блюдце. При одних и тех же условиях испарение в этих сосудах будет происходит по-разному. Вода, находящаяся в открытом блюдце, испарится быстрее, следовательно, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше число вылетающих молекул, тем интенсивнее происходит испарение.

Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул обладает кинетической энергией, достаточной для вылета из жидкости. Но любой эксперимент покажет, что различные жидкости при одинаковых температурах испаряются по-разному. Причина этого заключается в отличии молекул жидкости каждого вещества по размерам, массе и потенциальной энергии взаимодействия с окружающими её молекулами.

Испаряются не только жидкости, но и твёрдые тела. Молекулы, которые расположены у поверхности твёрдого тела и имеют достаточную кинетическую энергию, способны покинуть тело.

Переход вещества из твёрдого состояния непосредственно в газообразное называют сублимацией или возгонкой.

Например, нафталин или камфара испаряются при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, минуя жидкое состояние. Испаряется также лёд. Если влажное бельё развесить на морозе, то вода замерзает, а затем лёд испаряется и бельё высыхает.

Конденсация.

Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы принимают участие в хаотическом движении молекул пара. Беспорядочно двигаясь, некоторые из них могут навсегда удалиться от поверхности жидкости в открытом сосуде, а некоторые молекулы — вернуться снова в жидкость. Таким образом, вместе с испарением происходит и обратный процесс, называемый конденсацией ¹ (рис. 8.1).

¹ От лат. Condensatio — уплотнение, сгущение.

Рис. 8.1

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Насыщенный пар.

При испарении количество жидкости в открытом сосуде непрерывно уменьшается. В плотно закрытом сосуде этого не происходит. После того как мы нальём жидкость в сосуд и закроем его, жидкость будет испаряться, и плотность пара над жидкостью будет увеличиваться. При этом будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся в результате хаотического движения обратно в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Такое равновесие называется динамическим или подвижным. При динамическом равновесии между жидкостью и её паром одновременно происходит и испарение жидкости, и конденсация пара. Оба процесса в среднем компенсируют друг друга (рис. 8.2).

Рис. 8.2

Пap, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.

Если воздух из сосуда с жидкостью откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только её насыщенный пар. Равновесие между жидкостью и её насыщенным паром можно нарушить, если нагреть эту термодинамическую систему. При увеличении температуры системы число вылетающих из жидкости молекул станет больше, чем число возвращающихся молекул.

Таким образом, плотность пара будет расти до тех пор, пока опять не наступит динамическое равновесие жидкости с её паром, только при большей температуре. Его плотность будет больше плотности пара, который был насыщен ранее. Отсюда можно сделать вывод, что чем выше температура насыщенного пара, тем больше его плотность.

Пар, не находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Изотерма реального газа.

Поместим в цилиндр под поршнем (рис. 8.3) углекислый газ.

Рис. 8.3

Будем его медленно сжимать, совершая над газом работу. Согласно закону сохранения энергии, внутренняя энергия газа начнёт увеличиваться. Для того чтобы данный процесс происходил при постоянной температуре T, нужно обеспечить теплообмен между цилиндром и окружающей средой. Для этого можно поместить цилиндр в большой сосуд с жидкостью постоянной температуры (термостат) и сжимать газ настолько медленно, чтобы энергия успевала передаваться от газа к окружающим телам.

Вначале, когда объём углекислого газа достаточно велик (V > V₂, см. рис. 8.3), его давление с уменьшением объёма растёт в соответствии с законом Бойля — Мариотта, а затем при дальнейшем увеличении давления наблюдаются небольшие отклонения от этого закона. Данная зависимость между давлением и объёмом газа изображена на рисунке 8.3 кривой АВ.

При дальнейшем уменьшении объёма, начиная со значения V₂, давление в цилиндре под поршнем перестаёт изменяться. Если заглянуть при этом в цилиндр через специальное смотровое окно, то можно увидеть, что часть объёма цилиндра занимает прозрачная жидкость.

Следовательно, газ (пар) превратился в насыщенный пар, часть которого сконденсировалась.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы заметим, что количество жидкости в цилиндре увеличивается, а пространство, занятое насыщенным паром, уменьшается. Давление, которое показывает манометр, остаётся постоянным до тех пор, пока всё пространство под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Этот процесс изображён на рисунке 8.3 участком BC графика. При незначительном уменьшении объёма, начиная со значения V₃, давление жидкости резко увеличивается (участок CD графика, см. рис. 8.3), что объясняется малой сжимаемостью жидкости.

Рассмотренный процесс происходил при постоянной температуре Т, поэтому график ABCD (см. рис. 8.3), изображающий зависимость давления газа р от его объёма V, называют изотермой реального газа. Участок AB (V > V₂) соответствует ненасыщенному пару, участок BC (V₃ < V < V₂) — равновесному состоянию жидкости и её насыщенного пара, а участок CD (V < V₃) — жидкому состоянию вещества.

Опыты показывают, что такой же вид имеют изотермы и других веществ, если их температура не слишком велика.

Давление насыщенного пара.

Состояние насыщенного пара можно приближённо описать с помощью формулы р = nkT. Эта формула будет выполняться тем точнее, чем ниже температура и давление газа.

Давление пара, при котором жидкость находится в динамическом равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При постоянной температуре оно не зависит от объёма, занимаемого насыщенным паром.

Построим на основе опытных данных ещё несколько изотерм (рис. 8.4) для того же количества углекислого газа, но при более высоких температурах (T₁ < T₂ < T₃). Из графиков можно обнаружить общие для всех газов закономерности.

Рис. 8.4

Во-первых, чем выше температура, тем меньше объём, при котором начинается конденсация 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 друг около друга. Во-вторых, чем выше температура, тем больше объём, занимаемый жидкостью после того, как весь газ конденсируется. Ведь объём жидкости с увеличением температуры растёт. 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. При критической температуре T_K данный участок изотермы превращается в точку. В этой точке свойства жидкости и газа становятся неразличимыми. Выше критической температуры газ не может быть превращён в жидкость ни при каком давлении.

Знакомство с графиками (см. рис. 8.4) позволяет сделать вывод о том, что давление насыщенного пара возрастает с увеличением температуры.

Зависимость р(Т) для реальных газов, найденная экспериментально, не является пропорциональной, как для идеального газа при постоянном объёме (закон Шарля). C увеличением температуры давление насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа (рис. 8.5, участок кривой АВ).

Рис. 8.5

Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку А (пунктирная прямая). Почему это происходит?

При нагревании жидкости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. C ростом температуры увеличивается скорость испарения, и равновесие между жидкостью и паром нарушается. Концентрация молекул, а следовательно, и плотность пара возрастают.

Так продолжается до тех пор, пока плотность пара не увеличится настолько, что процесс конденсации уравновесит процесс испарения. В результате согласно формуле р = nkT давление насыщенного пара растёт не только вследствие повышения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. При этом главную роль в увеличении давления насыщенного пара играет рост концентрации молекул пара, а не повышение его температуры.

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объёме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре в соответствии с законом Шарля (см. рис. 8.5, участок ВС).

Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное возможно осуществить двумя способами: понижением температуры; повышением давления (уменьшением объёма). Переход пара из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) или повышением температуры пара.