Тема насыщенный пар. Дать определение: насыщенный пар, влажный пар, сухой пар, перегретый пар
Свойства насыщенного пара
Насыщенный пар и его свойства.
Кипение. критическая температура
Если в комнате оставить открытый стакан с водой, то через некоторое время вся вода из него испарится. Если же стакан накрыть крышкой, то вода в нем будет находиться неограниченно долго.
Читатель : Верно ли, что во втором случае вода в стакане не испаряется?
Когда стакан открыт, процесс испарения идет интенсивнее, чем процесс конденсации, так как перешедшие в газообразное состояние молекулы воды разлетаются по всей комнате. Когда стакан закрыт, то молекулы не могут вылететь из небольшого пространства между поверхностью воды и крышкой. Поэтому вскоре число молекул, покинувших воду, сравнивается с количеством молекул, вернувшихся в нее. Иначе: скорость процесса испарения становится равной скорости процесса конденсации.
Если жидкость и пар находятся в закрытом сосуде и в течение длительного времени не изменяется ни количество жидкости, ни количество пара, то говорят, чтожидкость и пар находятся в динамическом равновесии.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называется насыщенным.
Свойства насыщенного пара
Давление насыщенного пара при данной температуре является величиной постоянной. У разных жидкостей давление насыщенного пара разное. Рассмотрим эксперимент, подтверждающий это утверждение.
В колбу, из которой предварительно откачали воздух, через воронку наливается жидкий эфир (рис. 13.1). Пары эфира создают давление, которое измеряется с помощью столбика ртути.
В начальный момент высота столбика ртути h = 760 мм, потом по мере испарения эфира она уменьшается, так как давление на ртуть со стороны паров эфира растет. Как только эфир, налитый в колбу, перестает испаряться, наступает насыщение , и давление больше не растет, сколько бы эфира ни налить в колбу.
Заметим, что чем выше температура колбы, тем больше давление насыщенных паров.
Параметры насыщенных паров удовлетворяют уравнению Менделеева–Клайперона
pV = 
.
Так как при данной температуре Т величины m и R постоянны для данного газа, то плотность насыщенного пара для данного вещества есть величина постоянная. Для примера в табл. 13.1 приведены сравнительные давления насыщенных паров воды и ртути при разных температурах.
При естественных условиях пар считают газом. Он может быть насыщенным и нена-сыщенным , что зависит от его плотности, температуры и давления.
Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью, является насыщенным .
Динами-ческое равновесие между жидкостью и па-ром возникает тогда, когда количество мо-лекул, вылетающих из свободной повер-хности жидкости, равно количеству моле-кул, возвращающихся в нее.
В открытом сосуде нарушается динами-ческое равновесие, и пар становится нена-сыщенным , поскольку определенное коли-чество молекул испаряется в атмосферу и не возвращается в жидкость.
Насыщенный пар образуется в закрытом сосуде над свобод-ной поверхностью жидкости.
Насыщенный и ненасыщенный пар име-ют разные свойства. Исследуем их.
| Рис. 3.2. Изотермическое сжатие пара |
Концентрация молекул насы-щенного пара не зависит от его объема.
Пусть ненасыщенный пар при темпе-ратуре T находится в цилиндре с поршнем (рис. 3.2). Начнем медленно его сжимать, чтобы обеспечить изотермический процесс (участок AB). Сначала, если пар значитель-но разреженный, зависимость давления от объема будет соответствовать закону Бой-ля-Мариотта для идеального газа: pV = const. Тем не менее с уменьшением объема ненасыщенного пара (увеличением его плотности) начинает наблюдаться откло-нение от него. Дальнейшее изотермическое сжатие пара ведет к тому, что он начинает конденсироваться (точка В), в цилиндре образуются капельки жидкости и пар ста-новится насыщенным. Его плотность, а следовательно и концентрация молекул, при-обретает максимальное значение для данной температуры. Они не зависят от объема, который занимает насыщенный пар, и оп-ределяются его давлением и температурой.
При сжатии насыщенного пара (участок BC) его давление не будет изменяться (p = const). Это объясняется тем, что с умень-шением объема насыщенный пар конден-сируется, образовывая жидкость. Ее доля в объеме цилиндра все время увеличивается, а объем, который занимает насыщенный пар, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока весь насыщенный пар не пере-йдет в жидкое состояние (точка C).
Дальнейшее уменьшение объема вызы-вает стремительное возрастание давления (участок DC), поскольку жидкости почти не сжимаются. Материал с сайта
Итак, при изотермическом сжатии не-насыщенного пара сначала (при незначи-тельной плотности) он проявляет свойства идеального газа. Когда же пар становится насыщенным , его свойства подчиняются дру-гим закономерностям. В частности, при не-высоких температурах его состояние при-близительно описывается уравнением p = nkT, когда концентрация молекул не зависит от объема, занимаемого газом. График зави-симости давления p от объема V, изобра-женный на рис. 3.2, называется изотермой реальных газов .
Изотермы реального газа ха-рактеризуют его равновесное состояние с жидкостью. Их совместимость позволяет оп-ределить зависимость давле-ния насыщенного пара от тем-пературы.
На этой странице материал по темам:
Изотермическом увеличении давления ненасыщенного пара
Что характерно для насыщенного пара с молекулярной точки зрения
Насыщенный пар и его свойства кратко
Что характерно для насыщенного пара с молекулярной точки зрения?
Что характерно для насыщенного газа с молекулярной точки зрения
Вопросы по этому материалу:
После закипания температура воды перестает расти и остается неизменной до полного испарения. Парообразование - это процесс перехода из жидкого состояния в пар, который имеет тот же температурный показатель, что и кипящая жидкость. Это испарение получило название насыщенный пар. Когда вся вода испаряется, любое последующее добавление тепла повышает температуру. Нагретый пар за уровнем насыщенного называется перегретым. В промышленности обычно используется насыщенный пар для отопления, приготовления пищи, сушки или других процедур. Перегретый используется исключительно для турбин. Различные типы пара имеют разные энергии обменного потенциала и это оправдывает их применение в совершенно различных целях.
Пар как одно из трех физических состояний
Лучше понять свойства пара может помочь понимание общего молекулярного и атомарного строения вещества, а также применение этого знания касательно льда, воды и пара. Молекула - это наименьшая единица любого элемента или соединения. Она, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц, называемых атомами, которые определяют базовые элементы, такие как водород и кислород. Конкретные комбинации этих атомарных элементов обеспечивают соединение веществ. Одно из таких соединений представлено химической формулой Н 2 О, молекулы которого состоят из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Углерода имеется также в изобилии, это ключевой компонент всех органических веществ. Большинство минеральных веществ могут существовать в трех физических состояниях (твердое тело, жидкость и пар), которые называются фазами.
Процесс образования пара
Когда температура воды приближается к точке кипения, некоторые молекулы получают достаточное количество кинетической энергии для достижения скоростей, которые позволяют им на мгновение отделиться от жидкости в пространстве над поверхностью, прежде чем вернуться. Дальнейшее нагревание вызывает большее возбуждение и число молекул, желающих покинуть жидкость, увеличивается. При атмосферном давлении температура насыщения составляет 100 °С. Пар с температурой кипения при таком давлении носит название сухой насыщенный пар. Как фазовый переход от льда к воде, процесс испарения является также обратимым (конденсация). Критическая точка - это наибольшая температура, при которой вода может находиться в жидком состоянии. Выше этой точки пар может рассматриваться как газ. Газообразное состояние является подобием диффузного, в котором молекулы имеют почти неограниченную возможность движения.
Взаимосвязь переменных
При заданной температуре существует определенное давление пара, которое существует в равновесии с жидкой водой. Если этот показатель растет, пар перегревается и называется сухим. Существует взаимосвязь между давлением и температурой: зная одно значение, можно определить другое. Состояние пара определяется тремя переменными: давлением, температурой и объемом. Сухой насыщенный пар - это состояние, когда пар и вода могут присутствовать одновременно. Иными словами, это происходит тогда, когда скорость парообразования равна скорости конденсации.
Насыщенный пар и его свойства
При обсуждении свойств насыщенного пара его часто сравнивают с иде-аль-ным газом. Есть ли у них что-то общее или это простое заблуждение? Во-первых, при неизменном уровне тем-пе-ра-ту-ры плот-ность не находится в за-ви-симости от объ-е-ма. Визуально это можно себе представить следующим образом: нужно визуально уменьшить объем емкости с паром, не изменяя при этом температурные показатели. Число конденсируемых мо-ле-кул будет пре-восходить число испаряющихся, а пар будет возвращаться в со-сто-я-ние баланса. В результате плот-ность будет неизменным параметром. Во-вторых, такие характеристики, как дав-ле-ние и объ-е-м, не зависят друг от друга. В-третьих, учитывая неизменность объ-е-мных характеристик, плот-ность молекул возрастает, когда растет тем-пе-ра-ту-ра, и становится меньше, когда она понижается. На самом деле, при нагревании вода начинает испаряться быстрее. Баланс в этом случае будет нарушен и не будет восстановлен до тех пор, пока плот-ность пара не вернется на прежние позиции. При конденсации, наоборот, плотность насыщенного пара будет уменьшаться. В отличие от идеального газа, насыщенный пар нельзя назвать замкнутой системой, так как он постоянно контактирует с водой.
Преимущества в сфере отопления
Насыщенным называется чистый пар в непосредственном контакте с жидкой водой. Он обладает многими характеристиками, которые делают его отличным источником тепловой энергии, особенно это касается высоких температур (выше 100 °C). Некоторые из них:
Различные виды пара
Пар - это газообразная фаза воды. Он использует тепло во время своего образования и выделяет большое количество тепла после этого. Следовательно, он
может быть использован в качестве рабочего вещества для тепловых двигателей. Известны следующие состояния: влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый. Насыщенный пар предпочтительнее перегретого пара в качестве теплоносителя в теплообменниках. Когда он выбрасывается в атмосферу из труб, часть его конденсируется, образуются облака белого влажного испарения, содержащего мельчайшие капельки воды. Перегретый пар не будет подвержен конденсации, даже при вступлении в непосредственный контакт с атмосферой. В перегретом состоянии он будет иметь большую теплоотдачу за счет ускорения движения молекул и меньшей плотности. Наличие влаги вызывает осаждение, коррозию и снижению продолжительности службы котлов или другого теплообменного оборудования. Следовательно, сухой пар является предпочтительным, поскольку он вырабатывает больше энергии и не вызывает коррозии.
Сухой и насыщенный: в чем противоречие
Многие путаются с терминами "сухой" и "насыщенный". Как может быть нечто одновременно и тем и другим? Ответ кроется в терминологии, которую мы используем. Термин «сухой» связывают с отсутствием влаги, то есть «не мокрый». «Насыщенный» означает "замоченный", "промокший", "затопленный", "заваленный" и так далее. Все это, казалось бы, подтверждает противоречие. Однако в паровой инженерии термин «насыщенный» имеет другое значение и в данном контексте означает состояние, при котором происходит кипение. Таким образом, температура, при которой происходит кипение, известна технически как температуры насыщения. Сухой пар в данном контексте не имеет в себе влаги. Если понаблюдать за кипящим чайником, то можно увидеть выходящее из носика чайника белое испарение. На самом деле, это смесь сухого бесцветного пара и влажного пара, содержащего в себе капельки воды, которые отражают свет и окрашиваются в белый цвет. Поэтому термин «сухой насыщенный пар» означает, что пар обезвожен и не перегрет. Свободное от частиц жидкости, это вещество в газообразном состоянии, которое не следуют общим газовым законам.
Процессы испарения и конденсации идут непрерывно и параллельно друг другу.
В открытом сосуде количество жидкости со временем уменьшается, т.к. испарение преобладает над конденсацией.
Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией или пар при отсутствии жидкости, называется ненасыщенным.
В герметически закрытом сосуде уровень жидкости со временем не изменяется, т.к. испарение и конденсация компенсируют друг друга: сколько молекул вылетает из жидкости, столько же их за тоже время возвращается в неё, наступает динамическое (подвижное) равновесие между паром и его жидкостью.
Пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.
При данной температуре насыщенный пар какой-либо жидкости имеет наибольшую плотность ( ) и создаёт максимальное давление ( ), которое может иметь пар этой жидкости при этой температуре.
Давление и плотность насыщенного пара при одной и той же температуре зависит от рода вещества: большее давление создаёт насыщенный пар той жидкости, которая быстрее испаряется. Например, и
Свойства ненасыщенных паров: Ненасыщенные пары подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, к ним можно применять уравнение состояния идеального газа.
Свойства насыщенных паров: 1. При неизменном объёме с возрастанием температуры давление насыщенного пара увеличивается, но не прямо пропорционально (закон Шарля не выполняется), давление растёт быстрее, чем у идеального газа. , при возрастании температуры () , увеличивается масса пара, а поэтому возрастает концентрация молекул пара () и давление насыщенного пара растает по двум причинам (
3 1 – ненасыщенный пар (идеальный газ);
2 2 – насыщенный пар; 3 – ненасыщенный пар,
1 полученный из насыщенного пара в том же
Объёме при нагревании.
2. Давление насыщенного пара при неизменной температуре не зависит от занимаемого им объёма.
С увеличением объёма масса пара увеличивается, а масса жидкости уменьшается (часть жидкости переходит в пар), при уменьшении объёма пара становится меньше, а жидкости больше (часть пара переходит в жидкость), плотность же и концентрация молекул насыщенного пара остаются постоянными, следовательно, и давление остаётся постоянным ().
жидкость
(насыщ. пар + жидкость )
Ненасыщ. пар
Насыщенные пары не подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, т.к. масса пара в процессах не остаётся постоянной, а все газовые законы получены для неизменной массы. К насыщенному пару можно применять уравнение состояния идеального газа.
Итак, насыщенный пар можно перевести в ненасыщенный пар, либо нагревая его при постоянном объёме, либо увеличивая его объём при постоянной температуре. Ненасыщенный пар можно перевести в насыщенный пар, либо охлаждая его при постоянном объёме, либо сжимая его при постоянной температуре.
Критическое состояние
Наличие свободной поверхности у жидкости даёт возможность указать, где находится жидкая фаза вещества, а где газообразная. Резкое различие между жидкостью и её паром объясняется тем, что плотность жидкости во много раз больше, чем у пара. Если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения её плотность будет уменьшаться, а плотность пара над ней увеличиваться. Это означает, что различие между жидкостью и её насыщенным паром сглаживается и при достаточно высокой температуре исчезает совсем. Температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и её насыщенным паром, и их плотности становятся одинаковыми, называется критической температурой.
Критическая точка
Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию.
Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость. Критическая температура зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и поэтому различна для разных газов. Из-за сильного взаимодействия молекул воды водяной пар можно превратить в воду даже при температуре . В то же время сжижение азота происходит лишь при температуре, меньшей =-147˚ , т.к. молекулы азота слабо взаимодействуют между собой.
Другим макроскопическим параметром, влияющим на переход пар - жидкость, является давление. С ростом внешнего давления при сжатии газа уменьшается среднее расстояние между частицами, возрастает сила притяжения между ними и соответственно средняя потенциальная энергия их взаимодействия.
Давление насыщенного пара при его критической температуре называется критическим . Это наибольшее возможное давление насыщенного пара данного вещества.
Состояние вещества с критическими параметрами называется критическим (критическая точка). У каждого вещества свои критические температура и давление.
В критическом состоянии обращаются в нуль удельная теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения жидкости. При температурах выше критической, даже при очень больших давлениях невозможно превращение газа в жидкость, т.е. выше критической температуры жидкость не может существовать. При сверхкритических температурах возможно только парообразное состояние вещества.
Сжижение газов возможно лишь при температурах ниже критической температуры. Для сжижения газы охлаждают до критической температуры, например, при адиабатном расширении, а затем изотермически сжимают.
Кипение
Внешне явление выглядит так: со всего объёма жидкости к поверхности поднимаются быстро растущие пузырьки, на поверхности они лопаются, и пар выбрасывается в окружающую среду.
МКТ объясняет кипение так: в жидкости всегда есть пузырьки воздуха, в них из жидкости происходит испарение. Замкнутый объём пузырьков оказывается заполненным не только воздухом, но и насыщенным паром. Давление насыщенного пара в них при нагревании жидкости растёт быстрее, чем давление воздуха. Когда в достаточно нагретой жидкости давление насыщенного пара в пузырьках становится больше внешнего давления, они увеличиваются в объёме, и выталкивающая сила, превосходящая их силу тяжести, поднимает пузырьки к поверхности. Всплывшие пузырьки начинают лопаться, когда при определённой температуре давление насыщенного пара в них превосходит давление над жидкостью. Температура жидкости, при которой давление её насыщенного пара в пузырьках равно или превышает внешнее давление на жидкость, называется температурой кипения.
Температура кипения различных жидкостей различна , т.к. давление насыщенного пара в их пузырьках сравнивается с одним и тем же внешним давлением при разных температурах. Например, давление насыщенного пара в пузырьках равно нормальному атмосферному давлению у воды при 100˚С, у ртути при 357˚С, у спирта при 78˚С, у эфира при 35˚С.
Температура кипения в процессе кипения остаётся постоянной, т.к. всё тепло, которое подводится к нагреваемой жидкости, тратится на парообразование.
Температура кипения зависит от внешнего давления на жидкость: с увеличением давления температура повышается; с уменьшением давления температура понижается. Например, на высоте 5км над уровнем моря, где давление в 2 раза ниже атмосферного, температура кипения воды 83˚С, в котлах паровых машин, где давление пара 15 атм. (), температура воды около 200˚С.
Влажность воздуха
В воздухе всегда есть водяной пар, поэтому можно говорить о влажности воздуха, которая характеризуется следующими величинами:
1.Абсолютная влажность – это плотность водяного пара, находящегося в воздухе ( или давление, которое этот пар создаёт ( .
Абсолютная влажность не даёт представление о степени насыщения воздуха водяными парами. Одно и то же количество водяного пара при разной температуре создаёт разное ощущение влажности.
2.Относительная влажность
- это отношение плотности (давления) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к плотности (давлению) насыщенного пара при той же температуре :
или
– абсолютная влажность при данной температуре; - плотность, давление насыщенного пара при той же температуре. Плотность и давление насыщенного водяного пара при любой температуре можно найти в таблице. Из таблицы видно, чем выше температура воздуха, тем больше должны быть плотность и давление водяного пара в воздухе, чтобы он был насыщенным.
Зная относительную влажность, можно понять, на сколько процентов водяной пар в воздухе при данной температуре далёк от насыщения. Если пар в воздухе насыщенный, то . Если , то до состояния насыщения в воздухе не хватает пара.
О том, что пар в воздухе становится насыщенным, судят по появлению влаги в виде тумана, росы. Температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.
Пар в воздухе можно сделать насыщенным, если добавить пары за счёт дополнительного испарения жидкости, не меняя температуры воздуха, или при имеющемся количестве пара в воздухе понизить его температуру.
Нормальная относительная влажность, наиболее благоприятная для человека 40 - 60%. Большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. В ткацком, кондитерском производстве для нормального течения процесса необходима определённая влажность. Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне.
Приборы для определения влажности:
1. Конденсационный гигрометр (позволяет определить точку росы).
2. Волосной гигрометр (принцип действия основан на зависимости длины обезжиренного волоса от влажности) измеряет относительную влажность в процентах.
3. Психрометр состоит из двух термометров сухого и увлажнённого. Резервуар увлажнённого термометра обмотан тканью, опущенной в воду. За счёт испарения с ткани температура увлажнённого ниже, чем сухого. Разность показаний термометров зависит от влажности окружающего воздуха: чем суше воздух, тем интенсивнее испарение с ткани, тем больше разность показаний термометров и наоборот. Если влажность воздуха 100%, то показания термометров одинаковые, т.е. разность показаний 0. Для определения влажности с помощью психрометра используют психрометрическую таблицу.
Плавление и кристаллизация
При плавлении твёрдого тела увеличивается расстояние между частицами, образующими кристаллическую решётку, и происходит разрушение самой решётки. На процесс плавления необходимо затрачивать энергию. При нагревании твёрдого тела возрастает кинетическая энергия колеблющихся молекул и соответственно амплитуда их колебаний. При определённой температуре, называемой температурой плавления, нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах, кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твёрдого состояния в жидкое состояние.
При кристаллизации происходит сближение молекул, которые образуют кристаллическую решётку. Кристаллизация может происходить только тогда, когда жидкость отдаёт энергию. При охлаждении расплавленного вещества средняя кинетическая энергия и скорость молекул уменьшаются. Силы притяжения могут удерживать частицы около положения равновесия. При определённой температуре, называемой температурой отвердевания (кристаллизации), все молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия, их расположение становится упорядоченным – образуется кристалл.
Плавление твёрдого тела происходит при той же температуре, при которой это вещество отвердевает
Каждое вещество имеет свою температуру плавления. Например, температуры плавления у гелия -269,6˚С, у ртути -38,9˚С, у меди 1083˚С.
Во время процесса плавления температура остаётся постоянной. Подводимое извне количество теплоты идёт на разрушение кристаллической решётки.
Во время процесса отвердевания, не смотря на то, что тепло отводится, температура не меняется. Выделяющаяся при кристаллизации энергия расходуется на поддержание постоянной температуры.
Пока всё вещество не расплавится или всё вещество не отвердеет, т.е. пока существуют совместно твёрдая и жидкая фазы вещества, температура не изменяется.
Тв.+жид. жид.+тв.
,
где – количество теплоты, 
- количество теплоты, необходимое для расплавления вещества выделяемое при кристаллизации вещества массой массой
- удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой 1кг при температуре плавления.
Какое количество теплоты затрачивается при плавлении определённой массы вещества, такое же количество теплоты выделяется при кристаллизации этой массы.
Называется также удельной теплотой кристаллизации .
При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.
У большого числа веществ объём при плавлении увеличивается, а плотность уменьшается. При отвердевании наоборот, объём уменьшается, а плотность увеличивается. Например, кристаллики твёрдого нафталина тонут в жидком нафталине.
Некоторые вещества, например, висмут, лёд, галлий, чугун и др. при плавлении сжимаются, а при отвердевании расширяются. Эти отклонения от общего правила объясняются особенностями строения кристаллических решёток. Поэтому вода оказывается плотнее льда, лёд плавает в воде. Расширение воды при замерзании ведёт к разрушению горных пород.
Изменение объёма металлов при плавлении и отвердевании имеет существенное значение в литейном деле.
Опыт показывает, что изменение внешнего давления на твёрдое вещество отражается на температуре плавления этого вещества . Для тех веществ, которые при плавлении расширяются, увеличение внешнего давления приводит к повышению температуры плавления, т.к. затрудняет процесс плавления. Если же вещества при плавлении сжимаются, то для них увеличение внешнего давления ведёт к понижению температуры плавления, т.к. помогает процессу плавления. Только очень большое увеличение давления заметно изменяет температуру плавления. Например, чтобы понизить температуру плавления льда на 1˚С, давление нужно повысить на 130 атм. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называют точкой плавления вещества.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Испарение - это процесс превращения жидкости в пар.
В жидкости (или твердом теле) при любой температуре существует некоторое количество «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с остальными частицами вещества. Если такие молекулы оказываются вблизи поверхности, то они могут преодолеть притяжение остальных молекул и вылететь за пределы жидкости, образуя над ней пар. Испарение твердых тел также часто называют возгонкой или сублимацией .
Испарение происходит при любой температуре, при которых данное вещество может находиться в жидком или твердом состояниях. Однако интенсивность испарения зависит от температуры. При повышении температуры количество «быстрых» молекул увеличивается, и, следовательно, интенсивность испарения возрастает. Скорость испарения также зависит от площади свободной поверхности жидкости от вида вещества. Так, например, вода, налитая в блюдце, испарится быстрее воды, налитой в стакан. Спирт испаряется быстрее воды и т.д.
Конденсация
Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но в плотно закрытом сосуде этого не происходит. Объясняется это тем, что одновременно с испарением в жидкости (или твердом теле) происходит обратный процесс. Молекулы пара движутся над жидкостью хаотически, поэтому часть из них под действием притяжения молекул свободной поверхности попадает обратно в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения пара в твердое тело обычно называют кристаллизацией из пара.
После того, как мы нальем жидкость в сосуд и плотно его закроем, жидкость начнет испаряться, и плотность пара над свободной поверхностью жидкости будет увеличиваться. Однако, одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В открытом сосуде ситуация иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость. В закрытом сосуде с течением времени устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется состоянием динамического равновесия (рис.1). В состоянии динамического равновесия между жидкостью и паром одновременно происходит и испарение и конденсация, и оба процесса компенсируют друг друга.
Рис.1. Жидкость в состоянии динамического равновесия
Насыщенный и ненасыщенный пар
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Насыщенный пар - это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.
Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Насыщенный пар имеет максимальную плотность при данной температуре, а, следовательно, оказывает максимальное давление на стенки сосуда.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ненасыщенный пар - пар, не достигший состояния динамического равновесия.
У разных жидкостей насыщение пара происходит при различных плотностях, что обусловлено различием в молекулярной структуре, т.е. различием сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы взаимодействия молекул велики (например, в ртути), состояние динамического равновесия достигается при небольших плотностях пара, так как количество молекул, способных покинуть поверхность жидкости, невелико. Наоборот, у летучих жидкостей с малыми силами притяжения молекул, при тех же температурах из жидкости вылетает значительное количество молекул и насыщение пара достигается при большой плотности. Примерами таких жидкостей являются этанол, эфир и др.
Так как интенсивность процесса конденсации пара пропорциональна концентрации молекул пара, а интенсивность процесса испарения зависит только от температуры и резко возрастает с ее ростом, то концентрация молекул в насыщенном паре зависит только от температуры жидкости. Поэтому давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объема. Причем с ростом температуры величина концентрации молекул насыщенного пара и, следовательно, плотность и давление насыщенного пара быстро растут. Конкретные зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры различны для разных веществ и могут быть найдены из справочных таблиц. При этом оказывается, что насыщенный пар, как правило, хорошо описывается уравнением Клайперона-Менделеева. Однако, при сжатии или нагревании масса насыщенного пара изменяется.
Ненасыщенный пар с достаточной степенью точности подчиняется законам идеального газа.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В закрытом сосуде вместимостью 0,5 л при температуре находятся в равновесии пары воды и капля воды. Определить массу водяного пара в сосуде. |
| Решение | При температуре давление насыщенного пара равно атмосферному, поэтому Па.
Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона:
откуда найдем массу водяного пара: Молярная масса водяного пара определяется так же, как и молярная масса воды . Переведем единицы в систему СИ: объем сосуда температура пара . Вычислим: |
| Ответ | Масса водяного пара в сосуде 0,3 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В сосуде объемом 1 л при температуре находятся в равновесии вода, водяной пар и азот. Объем жидкой воды много меньше объема сосуда. Давление в сосуде составляет 300 кПа, атмосферное давление 100 кПа. Найти общее количество вещества в газообразном состоянии. Каково парциальное давление азота в системе? Какова масса водяного пара? Какова масса азота? |
| Решение | Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для газовой смеси водяной пар + азот:
откуда найдем общее количество вещества в газообразном состоянии: Универсальная газовая постоянная . Переведем единицы в систему СИ: объем сосуда давление в сосуде температура . Вычислим:
По закону Дальтона, давление в сосуде равно сумме парциальных давлений водяного пара и азота: откуда парциальное давление азота: При температуре давление насыщенного пара равно атмосферному, поэтому . |
