При испарения жидкости охлаждается потому что. Молекулярная физика. Испарение и конденсация

При любой температуре с поверхности жидкости вылетает часть молекул, образуя над ней пар. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением. Его скорость зависит от рода жидкости, величины ее свободной поверхности, температуры, внешнего давления и наличия над жидкостью потока воздуха, уносящего пар.

Уход молекул с поверхности жидкости при испарении связан с затратой внутренней энергии на работу выхода А в, которую молекуле необходимо совершить для преодоления сил молекулярного притяжения и сил внешнего давления. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул. Молекула покинет жидкость только в том случае, если ее кинетическая энергия будет равна или больше работы выхода: (m - масса молекулы, v - составляющая скорости молекулы, направленная перпендикулярно к поверхности жидкости). При парообразовании жидкость охлаждается, так как вылетевшие молекулы уносят часть ее внутренней энергии.

Чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Скалярная величина, измеряемая количеством энергии, необходимой для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования.

Для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре ей сообщается количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. При парообразовании происходит увеличение объема вещества. Так, пары воды при, 100° С занимают объем почти в 1700 раз больше объема той же массы воды при 100° С. Поэтому вещество, испаряясь, часть удельной теплоты парообразования затрачивает на совершение работы против силы внешнего давления, а часть - на увеличение его внутренней потенциальной энергии. Поэтому при одинаковой температуре внутренняя энергия единицы массы вещества в газообразном состоянии больше, чем в жидком. Так, 1 кг водяного пара при 100° С имеет на 2*10 6 дж внутренней энергии больше, чем 1 кг воды при той же температуре.

Опыты показали, что удельная теплота парообразования вещества зависит от его температуры. Чем выше температура вещества, тем меньше его удельная теплота парообразования. Например, при 0°С удельная теплота парообразование воды 2499 кдж / кг , при 50° С - 2385 кдж / кг, при 100° С - 2257 кдж / кг, при 200°С - 1943 кдж / кг. Уменьшение теплоты парообразования объясняется тем, что чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия его молекул и тем меньше энергии надо дополнительно сообщить жидкости, чтобы ее молекулы вылетели в окружающую среду.

Наименование удельной теплоты парообразования r кг / дж. Для превращения m кг массы жидкости в пар надо определенное количество энергии, в частности количество теплоты Q = rm.

Допустим, что жидкость испаряется в закрытом сосуде. Часть молекул пара вследствие теплового движения, приблизившись к поверхности жидкости, возвращается в нее. В закрытом сосуде одновременно происходит и процесс испарения и процесс конденсации Если число молекул, вылетевших из жидкости, больше числа молекул, возвратившихся в нее, то пар над жидкостью называется ненасыщенным. Опыты с ненасыщенными парами показали, что они подчиняются газовым законам.

В процессе испарения и конденсации наступает такой момент, начиная с которого число молекул, вылетевших из жидкости в единицу времени, окажется равным числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость, то есть наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическим равновесием со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Он может быть насыщенным не только в закрытом сосуде, но и в атмосфере. Так, при тумане пары воды в воздухе насыщены.

Откроем кран А (рис. 35) и впустим в колбу несколько капель эфира, который испаряется, образуя ненасыщенный пар. Чем больше эфира мы впускаем в колбу, тем больше становится давление его ненасыщенного пара. Эфир впускаем до тех пор, пока на дне колбы окажется немного жидкого эфира. Появление последнего указывает на то, что пары эфира стали насыщенными. С этого момента манометр перестает показывать увеличение давления - оно стало постоянным, несмотря на последующее добавление эфира. Следовательно, давление и плотность паров при данной температуре наибольшее, когда пар насыщен.

Если в колбу помещать поочередно различные жидкости и измерять давление их насыщенных паров, то оказывается, что при одной и той же температуре давление насыщенных паров разных жидкостей различно. Наибольшим давлением обладают пары эфира, меньшим - пары спирта и еще меньшим - пары воды.

При температуре 20° С давление насыщенных паров этих жидкостей равно (в мм рт. ст.):

Выясним, зависит ли давление насыщенного пара при постоянной температуре от его объема. Под поршнем в цилиндре, соединенном с манометром, находится жидкость и ее насыщенный пар (рис. 36). Изменяя его объем перемещением поршня вверх, а затем вниз, по показанию манометра видим, что при постоянной температуре давление насыщенного пара от объема не зависит, и оно при данной температуре для данной жидкости есть величина постоянная. Это означает, что насыщенные пары закону Бойля-Мариотта не подчиняются. Так, манометр парового котла при данной температуре показывает всегда одно и то же давление, независимо от того, какой объем занимает в нем насыщенный пар.

Объясняется это тем, что при изменении объема насыщенного пара происходит изменение его массы. Причувеличении объема масса пара увеличивается (происходит дополнительное испарение жидкости), при уменьшении объема масса пара уменьшается (часть его конденсируется).

Выясним, зависит ли при постоянном объеме давление насыщенного пара от его температуры. Нагреем насыщенный пар в колбе (см. рис. 35), поместив ее в горячую воду. Видим, с повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается. Например, давление насыщенного пара воды при 50° С равно 92,5 мм рт. ст. , а при 100° С - 760 мм рт. ст.

Опыты и расчеты по изменению давления насыщенного пара от нагревания показывают, что давление увеличивается во много раз больше, чем следовало бы по закону Шарля, т. е. зависимость давления от температуры не подчиняется данному закону. Объясняется это тем, что давление насыщенного пара при нагревании возрастает, во-первых, вследствие увеличения средней кинетической энергии молекул этого пара и, во-вторых, из-за увеличения концентрации молекул пара, т. е. увеличения общей массы молекул.

Пока пар остается насыщенным, изменение его температуры или объема всегда сопровождается изменением массы пара, т.е. парообразованием, или конденсацией.

Свойство насыщенных паров воды увеличивать свое давление с повышением температуры применяется в паровых котлах для получения пара, имеющего большое давление, например 100 ат, при температуре кипения воды 310° С. Для использования пара в паровых машинах его отводят из котла, нагревают, превращают в ненасыщенный. Такой пар называется перегретым, он обладает большим запасом внутренней энергии. Если пар не перегрет, то он содержит капельки жидкости.

Получив в пробирке пары эфира, начнем охлаждать их, поместив ее в смесь льда и соли. На стенках пробирки появляется налет жидкого эфира, так как при охлаждении его пары превратились в жидкость. Существует два способа обращения пара в жидкость: увеличение давления на пар, сжатие его (см. рис.36) и понижение температуры пара, охлаждение его. Опыты показывают, что и газы можно превратить в жидкость (сжижение газов). Для этого их надо одновременно и сжимать и охлаждать, пока они не превратятся в жидкость.

На данном уроке мы изучим понятия испарения и конденсации. Эти два процесса встречаются повсеместно: при сушке белья, выпадении росы, приготовлении еды. Мы рассмотрим факторы, которые влияют на испарение и конденсацию, а также рассмотрим различные примеры.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение её при конденсации пара

На этом уроке мы рассмотрим вопрос, связанный с испарением, а также с поглощением энергии при испарении жидкости и с выделением энергии при конденсации пара.

На предыдущих уроках мы рассматривали различные процессы и, в частности, говорили о плавлении, о нагревании тел, об отвердевании или кристаллизации тел.

Сегодня мы рассмотрим процессы, при которых образуется пар (разновидность газа) или газ.

Давайте вспомним схему, по которой происходят различные процессы превращения агрегатных состояний (Рис. 1).

Рис. 1.

Парообразование может происходить двумя способами: кипение и испарение . Как правило, указывают первый способ - кипение.

На сегодняшнем уроке мы подробно рассмотрим второй способ парообразования: испарение.

Определение

Испарение - это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. То есть тогда, когда поверхность жидкости открыта и с поверхности начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Вспомним, для начала, схему, на которой представлена картина превращений одного состояния вещества в другое состояние.

Таблица, в которой описаны названия процессов переходов между агрегатными состояниями вещества, выглядит следующим образом:

	Название
Твёрдое жидкое	Плавление
Жидкое твёрдое	Отвердевание (кристаллизация)
Жидкое газообразное	Парообразование
Газообразное жидкое	Конденсация
Твёрдое газообразное	Сублимация
Газообразное твёрдое	Десублимация

Процесс испарения происходит не мгновенно, поэтому мы говорим, что испарение - процесс непрерывный и, соответственно, испарение жидкости происходит в течение некоторого времени.

Как происходит испарение?

Рассмотрим поверхность жидкости. Мы знаем, что жидкость состоит из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении. Соответственно, может найтись такая частица данного вещества, у которой скорость (а, соответственно, и энергия) будет достаточно велика для того, чтобы преодолеть притяжение своих соседей и покинуть жидкость, то есть перейти в газообразное состояние. Поэтому говорят, что испарение происходит со свободной поверхности.

Рассмотрим факторы, которые влияют на испарение (в частности, его скорость).

1. Строение вещества

В первую очередь испарение связано со строением самого вещества. Можно привести следующий пример: возьмём две бумажные салфетки, смочим одну салфетку водой, а другую - эфиром. Можно заметить, что та салфетка, которая смочена эфиром, высохнет гораздо быстрее. Это объясняется тем, что сила взаимодействия между молекулами эфира гораздо меньше, чем сила взаимодействия между молекулами воды. И поэтому испарение происходит у эфира быстрее.

2. Площадь поверхности

Площадь свободной поверхности жидкости играет очень важную роль: если площадь поверхности достаточно большая, то количество частиц, покидающих жидкость, будет, конечно же, больше, и в этом случае испарение будет происходить быстрее. Можно привести такой пример: если в блюдце налить воду и такое же количество воды налить в стакан, то из блюдца испарение будет происходить гораздо быстрее (Рис. 2). Другой пример: все знают, что бельё, перед тем как его повесить сушиться, встряхивают и расправляют. В этом случае площадь белья увеличивается, соответственно, площадь испарения также увеличивается, и сам процесс испарения происходит быстрее.

Рис. 2. Блюдце и стакан с водой () ()

3. Температура

Ещё одно явление, которое влияет на испарение, - это изменение температуры. Чем температура выше, тем быстрее происходит испарение. То есть, нагревая тело, мы можем увеличивать скорость процесса испарения, ускорять его, или, наоборот, если мы будем понижать температуру, то процесс испарения будет замедляться. Объясняется это тем, что с увеличением температуры возрастает скорость движения частиц. А раз скорость движения возрастает, то большее количество частиц может покинуть жидкость и перейти в газообразное состояние.

Поскольку движение частиц происходит непрерывно, то процесс испарения также непрерывен. Поскольку при любой температуре движение частиц не прекращается, то и испарение может происходить практически при любой температуре. Поэтому испарение происходит даже при низкой температуре. Например, лужи на улице высыхают не только летом, когда жарко, но и осенью, когда холодно (Рис. 3). Отличается лишь скорость высыхания луж.

Возникает вопрос: что можно сказать об энергии жидкости при испарении? Так как жидкость покидают наиболее быстрые частицы, то они обладают большей кинетической энергией. Следовательно, в целом энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Пояснить это можно на следующем примере: возьмём несколько человек, построим их в ряд и измерим их средний рост. Затем из этого строя уберём самых высоких и снова измерим средний рост. В результате, вполне логично, получится меньшее значение. То же самое происходит и с энергией. Каждый раз частицы с наибольшей энергией уходят из жидкости, и внутренняя энергия жидкости уменьшается.

Однако в жизни это охлаждение мы замечаем крайне редко. С чем же это связано? Это происходит из-за того, что жидкость сообщается с окружающими телами, в первую очередь, конечно, с воздухом, и поэтому, охлаждаясь, одновременно получает энергию из окружающих тел, то есть из воздуха. В результате этого «теплообмена» температура поддерживается на одном уровне. А испарение происходит с приблизительно одинаковой интенсивностью.

4. Ветер

Следующий фактор, который влияет на испарение, - это наличие ветра. Представьте себе, что над поверхностью жидкости образуется газ. Процесс испарения, как мы выяснили, продолжается непрерывно. Но точно так же будет происходить процесс возвращения молекул обратно в жидкость. Если же дует ветер, то он уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и не даёт им вернуться обратно в жидкость. В этом случае процесс испарения ускоряется, то есть скорость испарения возрастает.

Очень важно заметить и то, что в быту часто встречается так называемое испарение в закрытых сосудах. К примеру, если взять кастрюлю, в которой находится вода, то на поверхности крышки с внутренней стороны образуются капельки воды. То есть, поскольку внутри кастрюли ветра нет, то процесс испарения и возвращения молекул обратно в жидкость в данном случае выравнивается. Вот такое состояние называют динамическим равновесием .

Определение

Динамическое равновесие - это состояние системы «пар - жидкость», при которой количество молекул, вышедших из жидкости (перешедших в пар), равно количеству молекул, которое вернулось из пара обратно в жидкость.

Если же преобладает испарение над возвращением частиц обратно в жидкость, то такой пар, который находится над жидкостью, называется ненасыщенным .

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным .

При динамическом равновесии общая масса системы «пар - жидкость» не меняется: количество молекул, которые «вылетели» с поверхности жидкости, равно количеству молекул, которые «вернулись». Поэтому в целом масса всей системы «пар - жидкость» не изменяется.

Кроме испарения существует и обратный ему процесс, который называется конденсацией (от латинского - «сгущаю»).

То есть, конденсация - это процесс перехода пара (газа) в жидкость. Этот процесс происходит всегда с выделением количества теплоты (так как внутренняя энергия вещества уменьшается). То есть температура окружающих тел будет повышаться (жидкость передаёт избыточную энергию окружающим телам).

Конденсация происходит так же непрерывно, как и испарение. Точнее, можно сказать, что эти два процесса происходят одновременно, непрерывно.

Подтверждением этого, например, является образование облаков, ведь облака - это сконденсированная жидкость. Выпадение росы или, например, дождь, который идёт, - это всё процессы, которые связаны с конденсацией.

Отметим, что существует испарение не только с поверхности жидкостей, но и твёрдых тел. Для этого существует наглядный пример: если зимой мокрое бельё повесить на улице, то оно замёрзнет, то есть покроется коркой льда. Но, через некоторое время выяснится, что бельё сухое, то есть вода, даже в твёрдом состоянии, куда-то исчезла. Это и есть процесс испарения твёрдого тела, в данном случае льда. Встречаются испарения и других веществ, например, нафталина. Запах нафталина, который мы чувствуем, говорит о том, что нафталин также способен к испарению.

На следующем уроке мы рассмотрим вопросы, связанные с другим процессом перехода из жидкого состояния в газообразное - парообразованием.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
2. Сайт учителя информатики ().
3. Продленка ().

Домашнее задание

1. П. 16, вопросы 1-8, упр. 9 (1-7). Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. При какой температуре происходит испарение воды?
3. Почему мокрое бельё на ветру сохнет быстрее?
4. Почему жидкость при испарении охлаждается?

Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.

В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С) . Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.

Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С) . При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.

Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.

При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С) . Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.

Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.

Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С , а влажность воздуха 50% . Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.

Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С . То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С , то выпадет роса.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80% , а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С . Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.

В природе, технике и быту мы часто наблюдаем превращение жидких и твердых тел в газообразное состояние. В ясный летний день быстро высыхают лужи, оставшиеся после дождя, мокрое белье. Уменьшаясь со временем, исчезают куски сухого льда, «тают» кусочки нафталина, которым мы пересыпаем шерстяные вещи и т.п. Во всех этих случаях наблюдается парообразование - переход веществ в газообразное состояние - пар.

Существует два способа перехода жидкости в газообразное состояние: испарение и кипение. Испарение происходит с открытой свободной поверхности, отделяющей жидкость от газа, например с поверхности открытого сосуда, с поверхности водоема и т.д. Испарение происходит при любой температуре, но для всякой жидкости с повышением температуры скорость его увеличивается. Объем, занимаемый данной массой вещества, при испарении возрастает скачком.

Следует различать два основных случая. Первый, когда испарение происходит в замкнутом сосуде и температура во всех точках сосуда одинакова. Например, испаряется вода внутри парового котла или в чайнике, закрытом крышкой, если температура воды и пара ниже температуры кипения. В этом случае объем образующегося пара ограничен пространством сосуда. Давление пара достигает некоторого предельного значения, при котором он находится в тепловой равновесии с жидкостью; такой пар называется насыщенным, а его давление упругостью пара.

Второй случай, когда пространство над жидкостью незамкнутое; так испаряется вода с поверхности пруда. Здесь равновесие не достигается практически никогда и пар является ненасыщенным, а скорость испарения зависит от многих факторов.

Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Джон Дальтон, английский физик и химик, в начале XIX века нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который имеется над жидкостью. Если и же жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точное, оно происходит, но той же скоростью идет и обратный процесс - конденсация. Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха, или откачивается насосом.

Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления пространственных газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение. .

При испарении вылетающие из жидкости молекулы должны преодолеть притяжение соседних молекул и совершить работу против удерживающих их в поверхностном слое сил поверхностного натяжения. Поэтому, чтобы испарение происходило, испаряющемуся веществу надо сообщить тепло, черпая его из запаса внутренней энергии самой жидкости, или, отбирая у окружающих тел. Количество тепла, которое нужно сообщить жидкости, находящейся приданной температуре и фиксированном давлении, чтобы перевести ее в пар при этих температуре и давлении, называется теплотой испарения. Упругость пара растет с ростом температуры, тем сильнее, чем больше теплота испарения.

Если испаряющейся жидкости не подводит тепла извне или подводить его недостаточно, то жидкость охлаждается. Заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно добиться значительного его охлаждения. Согласно кинетической теории, при испарении с поверхности жидкости вырываются более быстрые молекулы, средняя энергия, остающихся в жидкости молекул убывает.

Испарение сопровождается уменьшением количества вещества и понижением его температуры. При испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылететь с поверхностного слоя наружи. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершения расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.

Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, то есть переход твердого вещества в газообразное состояние, минуя жидкую стадию. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.

При температурах ниже температуры плавления давление насыщенных паров большинства твердых тел очень мало и их испарение практически отсутствует. Бывают, однако, исключения. Так, вода при 0°С имеет давление насыщенных паров 4,58 мм рт.ст., а лёд при - 1°С - 4,22 мм рт.ст. и даже при - 10°С - 1,98 мм рт.ст.

Этим сравнительно большими упругостями водяного пара объясняется легко наблюдаемое испарение твердого льда, в частности, известный всем факт высыхания мокрого белья на морозе. Испарение твердого тела можно наблюдать также на испарении искусственного льда, нафталина, снега.

Явление испарения лежит в основе перегонки - одного из распространенных методов химической технологии. Перегонка - это процесс разделения многокомпонентных жидких смесей путем частичного испарения и последующей конденсации паров. В результате этого процесса жидкие смеси разделяются на отдельные фракции, различающиеся по составу и температурам кипения.

Физическое явление - кипение

Второй способ парообразования - это кипение, характеризующееся, в отличие от испарения, тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и по всей массе жидкости. Кипение становится возможным, если давление насыщенных паров жидкости делается равным внешнему давлению. Поэтому данная жидкость, находясь под данным внешним давлением, кипит при вполне определенной температуре. Обычно температуру кипения приводят для атмосферного давления. Например, вода при атмосферном давлении кипит при 373 К или 100°С.

Различие температур кипения различных веществ находит применение в технике для так называемой разгонки смесей, компоненты, которых сильно отличаются по температуре кипения, например, для перегонки нефтепродуктов.

Зависимость температуры кипения от давления объясняется тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости, Поэтому при повышенном давлении жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.

Кипение - это особый вид парообразования, отличный от испарения. Внешние признаки кипения: на стенках сосуда появляются большое количество мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются Процесс всплывания, разрушения пузырьков, заполненных воздухом с паром, на поверхности жидкости характеризует кипение. Жидкости имеют свои температуры кипения.

Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха или других газов, обычно присутствующих в жидкости. Такие пузырьки - центры кипения - часто прилипают к стенкам сосуда, потому кипение раньше начинается у стенок.

В пузырьках воздуха содержатся водяные пары. Благодаря многочисленным пузырькам резко возрастает поверхность испарения жидкости. Образование пара идет по всему объему сосуда. Отсюда и характерные признаки кипения: бурление, резкое увеличение количества пара, прекращение роста температуры до полного выкипания.

Но если жидкость свободно от газов, то образование в ней пузырьков пара затруднено. Такую жидкость можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она закипела. Если в такую перегретую жидкость ввести ничтожное количество газа или твердых частичек, к поверхности которых прилип воздух, то она мгновенно взрывообразно закипит. Температура жидкости при этом падает до температуры кипения. Подобные явления могут служить причиной взрывов паровых котлов, поэтому их нужно предупреждать. Еще в 1924 году Ф. Кендрику с сотрудниками удалось при нормальном атмосферном давлении нагреть жидкую воду до 270ºC. При этой температуре равновесное давление водяного пара составляет 54 атм. Из сказанного следует, процессы кипения можно управлять, увеличение или уменьшение давления, а также уменьшая число «затравок». Современные исследования показали, что в идеальном случае воду нагреть примерно до 300ºC, после чего она мгновенно мутнеет и взрывается с образованием быстро расширяющейся паро-водяной смеси.

Таким образом, кипение, как и испарение, - это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение - это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.

Чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определенные количества теплоты. Физическая величина, показывающая количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость с массой 1 кг в пар без изменения температуры называют удельной теплотой парообразования. Обозначается эта величина буквой L, измеряется Дж/кг. = Дж/кг

Конденсация пара - противоположный процесс парообразования Явление парообразования и конденсации объясняют круговорот воды в природе, образование тумана, выпадения росы.

Количество теплоты, которое выделяет пар, конденсируясь, определяется по той же формуле. = Дж

Опытным путем установлено, что, например, удельная теплота парообразования воды при 100°С равна 2,3 106Дж/кг, то есть для превращения воды с массой 1 кг в пар при температуре кипения 100°С требуется 2,3 106Дж энергии.

Влажность воздуха

В атмосфере нашей планеты вследствие всевозможных испарений содержится огромное количество водных паров, особенно в ближайших к земле слоях. Наличие водяных паров в воздухе является необходимым условием существования жизни на земном шаре. Впрочем, для животного и растительного мира неблагоприятен как сухой так слишком влажный воздух. Умеренная влажность воздуха создает необходимое условие для нормальной жизни и деятельности человека. Избыточная влажность вредно ряда производственных процессов, при хранении продуктов и материалов. Как же оценить степень влажности воздуха, т.е. количество содержащихся в нем водяных паров? Такая оценка особенно важна для составления прогноза погоды, поскольку содержание водяных паров в атмосфере является одним из важнейших факторов, определяющих погоду. Без знания влажности воздуха, невозможно сделать прогноз погодных условий, столь необходимый для сельского хозяйства, транспорта, ряда других отраслей народного хозяйства. Чтобы узнать, сколько содержится в воздухе пара, в принципе пропустить определенный объем воздуха сквозь вещество, поглощающее водяной пар, и так найти массу пара, находившегося в 1 м3 воздуха.

Величину, измеряемую количеством водяного пара, содержащегося в 1 см3 воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха. Иными словами, абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара, находящегося в воздухе.

Практически измерить количество пара, содержащегося в 1 м3 воздуха очень трудно. Но оказалось, что численное значение абсолютной влажности мало отличается от парциального давления водяного пара в этих же условиях, измеренного в миллиметрах ртутного столба. Парциальное давление газа измеряется гораздо проще, поэтому в метеорологии абсолютной влажности воздуха принято называть парциальное давление водяного пара, содержащегося в нем при данной температуре, измеренное в миллиметрах ртутного столба.

Но, зная абсолютную влажность воздуха, еще нельзя определить, насколько он сух или влажен, поскольку последний зависит и от температуры. Если температура низкая, то данное количество водяного пара в воздухе может оказаться очень близким к насыщению, т.е. воздух будет сырым. При более высокой температуре, то же количество водяного пара далеко от насыщения, и воздух сух.

Для суждения о степени влажности воздуха важно знать, близок или далек водяной пар, находящийся в нем от состояния насыщения. С этой целью вводят понятие относительной влажности.

Относительной влажностью воздуха называют величину, измеряемую отношением абсолютной влажности к количеству пара, необходимого для насыщения в 1 м 3 воздуха при той температуре. Обычно ее выражают в процентах. Иначе говоря, относительная влажность воздуха показывает, какой процент составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара насыщающего воздух при данной температуре:

В метеорологии относительной влажностью называют величину, измеряемую отношением парциального давления водяного пара. Содержащегося в воздухе, давление водяного пара, насыщающего воздух при той же температуре.

Относительная влажность воздуха зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры. Если количество водяных паров в воздухе не меняется, то с понижением температуры относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура, тем ближе водяной пар к насыщению. Для вычисления относительной влажности пользуются значениями, приводимыми в соответствующих таблицах

Вода - растворитель

Вода является хорошим растворителем. Растворами называют однородные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Например: механическое перемешивание - это физическое явление, нагревание при растворении серной кислоты в воде - химическое явление.

Суспензии - это взвеси, в которых мелкие частицы твердого вещества равномерно распределены между молекулами воды. Например: смесь глины с водой.

Эмульсии - это взвеси, в которых мелкие капельки какой-либо жидкости равномерно распределены между молекулами другой жидкости. Например: взбалтывание керосина, бензина и растительного масла с водой.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называется насыщенным, а раствор, в котором вещество еще может растворяться, - ненасыщенным.

Растворимость определяется массой вещества, массой вещества, способной растворяться в 1000мл растворителя при данной температуре.

Массовая доля растворенного вещества - это отношение массы растворенного вещества к массе раствора.

При любой температуре молекулы жидкости частично покидают ее поверхность. Происходит испарение жидкости.
Испарение
Повседневные наблюдения показывают, что количество воды, спирта, эфира, бензина, керосина и любой другой жидкости, содержащейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается, а с течением времени жидкость и вовсе может исчезнуть. Например, хорошо закупоренный пузырек с чернилами может стоять в шкафу сколь угодно долго, и количество чернил в нем не меняется. Если же пузырек оставить открытым, то, заглянув в него через достаточно продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нем нет.
В действительности жидкости бесследно не исчезают - они испаряются, т. е. превращаются в пар.
Те же наблюдения позволяют установить, что испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Скорость испарения тем больше, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, выше ее температура и чем быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары. Поэтому чтобы белье быстрее высохло, его распрямляют, а не вешают скомканным. Белье быстрее высыхает при более высокой температуре воздуха и на ветру. Испарение также ускоряется при уменьшении внешнего давления, вернее при уменьшении давления водяных паров, содержащихся в окружающей среде.
Скорость испарения различных жидкостей различна. Эфир испаряется быстрее бензина, а бензин быстрее спирта. Все эти три жидкости, называемые летучими, испаряются быстрее воды. Поэтому их следует содержать в хорошо закрывающихся сосудах. Ртуть - очень медленно испаряющаяся жидкость.
Молекулярная картина испарения
Молекулы жидкости участвуют в хаотическом движении. При этом чем выше температура жидкости, тем интенсивнее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия. Но средняя кинетическая энергия молекул имеет при заданной температуре определенное значение. У каждой молекулы энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше средней. Кинетическая энергия некоторых молекул в какой-то момент может стать столь большой, что они окажутся способными вылететь из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул (рис. 6.1). В этом и состоит процесс испарения.

Молекулярно-кинетическая теория позволяет объяснить условия, ускоряющие процесс испарения. Чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше число вылетающих молекул, тем быстрее происходит испарение.
Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул обладает достаточной для вылета из жидкости кинетической энер-
Конденсация пара
Вылетевшая с поверхности жидкости молекула принимает участие в хаотическом тепловом движении молекул пара. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость. Этот процесс превращения пара в жидкость, обратный процессу испарения, называют конденсацией (от позднелатинского слова condensatio - уплотнение, сгущение). Если поток воздуха над сосудом (ветер) уносит с собой образовавшиеся пары жидкости, то жидкость испаряется быстрее, так как уменьшаются шансы молекулы пара вновь вернуться в жидкость.
Охлаждение при испарении
При испарении жидкость покидают молекулы, кинетическая энергия которых больше их средней кинетической энергии. Поэтому среднее значение кинетической энергии остающихся молекул жидкости уменьшается. А это означает понижение температуры испаряющейся жидкости. Вот почему вы чувствуете, что в жаркий летний день становится прохладно сразу после купания. Испарение воды с поверхности тела приводит к охлаждению его. Известно также, что в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре. Очень сильное охлаждение получается, если испарение происходит быстро. При быстром испарении эфира при атмосферном давлении может произойти охлаждение ниже О °С. Это можно обнаружить так. В вогнутое очковое стекло надо налить немного эфира и поставить его на стол, смоченный водой. При быстром испарении эфира (испарение ускоряют продуванием воздуха над эфиром) стеклышко примерзает к поверхности стола. Охлаждением при испарении летучих жидкостей пользуются врачи, когда нужно заморозить кожу больного, чтобы сделать ее нечувствительной к боли.
В жарких странах для охлаждения воды ее обычно содержат в пористых глиняных сосудах. Вода, просачивающаяся через поры сосуда, испаряется, охлаждая воду в сосуде.
Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение ее будет происходить гораздо медленнее. Вспомните, как долго остывает жирный суп. Слой жира на его поверхности мешает выходу быстрых молекул воды. Жидкость почти не испаряется, и ее температура падает медленно (сам жир испаряется крайне медленно, так как его большие молекулы более прочно сцеплены друг с другом, чем молекулы воды).
Испарение твердых тел
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Молекулы, которые расположены у поверхности твердого тела и имеют достаточную кинетическую энергию, способны покинуть тело. Процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное называется сублимаци- е й или возгонкой.
Например, нафталин или камфара испаряются при комнатной температуре и нормальном давлении, минуя жидкое состояние. Точно так же испаряются кристаллы брома или иода, особенно если их подогреть. Испаряется также лед. Ес-ли влажное белье развесить на морозе, то вода замерзает, а затем лед испаряется, и белье высыхает.
При испарении жидкостей они охлаждаются, так
как жидкость покидают наиболее быстрые молекулы.