Випаровування

· Поняття про пароутворення і конденсацію

· Випаровування

· Насичена і ненасичена пара

· Перенасичена пара

Поняття про пароутворення і конденсацію. Ясного літнього дня швидко висихають калюжі, що залишились після дощу, білизна на вірьовці. Це пояснюється тим, що вода випаровується, перетворюється у невидиму водяну пару, що змішується з повітрям. Під вечір, коли холоднішає появляються туман та роса. Звідки вони беруться? Це пара води, що знаходиться у повітрі, конденсується у воду.

Отже, як відомо, речовина може переходити із рідкого стану у газоподібний, і навпаки – із газоподібного у рідкий. Перехід речовини із одного агрегатного стану в інший називають фазовим переходом.

Пароутворення – фазовийперехід речовини з рідкого стану у газоподібний. Процес пароутворення може відбуватись із вільної поверхні рідини (випаровування) та всередині її об’єму (кипіння).

Конденсація – перехід речовини з газоподібного стану в рідкий.

Переходити у газоподібний стан можуть і деякі тверді тіла. Такий фазовий перехід називається сублімацією.

Випаровування. Розглянемо процес випаровування з точки зору молекулярно-кінетичної теорії. Як відомо, потенціальна енергія молекул рідини при збільшенні відстані між ними зростає. Отже, щоб молекула змогла віддалитись на більшу відстань і, взагалі, покинути рідину, необхідно виконати роботу за рахунок зменшення її кінетичної енергії. Серед молекул рідини, які хаотично рухаються в її поверхневому шарі завжди є такі, значення кінетичної енергії яких більше за значення роботи, необхідної для подолання протидії молекулярних сил.

Випаровування – пароутворення, що відбувається за будь-якої температури тільки з вільної поверхні рідини, що межує з газоподібним середовищем або з вакуумом.

Молекули рідини, що покинули її, утворюють над її поверхнею пару.

Пара - сукупність молекул, що знаходяться у просторі над рідиною.

Оскільки з рідини під час випаровування вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість руху тих молекул, що залишилися, зменшується, ось чому під час випаровування рідина охолоджується. Для підтримання температури такої рідини сталою необхідно підводити тепло.

Явище охолодження рідини в результаті її випаровування є корисним у природі і на практиці. Завдяки тому, що 2/3 поверхні Землі вкрито водоймами, підтримується тепловий баланс нашої планети. Після купання шкіра людини охолоджується через випаровування з поверхні тіла крапель води, при цьому повітря здається холоднішим, ніж вода. Під час перевезення продуктів харчування різними транспортними засобами у спеціальних пристроях випаровують рідкий аміак або рідкий двоокис вуглецю. У місцевостях із жарким кліматом воду намагаються зберігати у пористих глиняних посудинах. Вода, просочуючись крізь пори такої посудини, випаровується, і в результаті цього залишається холодною. Через властивість швидко випаровуватися і охолоджуватися деякі рідини (ефір) використовуються як знеболювальний засіб.

Інтенсивність випаровування залежить від площі відкритої поверхні рідини: чим поверхня більша, тим більша кількість молекул вилітає з неї. (Наведіть самостійно приклади, які підтверджують цю залежність).

Випаровування відбувається при будь-якій температурі. Тому над вільною поверхнею рідини завжди є пара цієї рідини. Чим менша густина пари рідини над її поверхнею, тим інтенсивніше випаровування. Якщо повітря над посудиною захоплює з собою пару рідини, що утворилась, то рідина випаровується швидше.

Легко довести, що з підвищенням температури інтенсивність випаровування рідини зростає (зробіть це самостійно).

Швидкість випаровування залежить також від природи речовини, яка випаровується. Зокрема, вода випаровується швидше за олію, але ефір швидше випаровується за воду. Це пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих речовин.

Ненасичена та насичена пара. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, у бік рідини, і до неї повернутись – відбувається конденсація.

Однак, якщо посудина відкрита, то молекули, які залишили рідину, можуть і не повернутися назад. У цих випадках випаровування переважає над конденсацією і кількість рідини зменшується. Утворена при цьому пара називається ненасиченою.

Накриємо посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою настане стан теплової рівноваги. При цьому кількість молекул, що утворюють пару за час , стане дорівнювати кількості молекул, які утворюють рідину (конденсат) за такий самий час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами пароутворення і конденсації речовини. Таку систему називають двохфазною.

Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.

Ця назва передає ту думку, що у певному об’ємі за певної температури не може бути вміщено більшу кількість пари. Насичена пара за даної температури має найбільшу густину і чинить найбільший тиск.

Ненасичена і насичена пари мають різні властивості. Дослідимо їх.

Розглянемо процес ізотермічного стискання пари. Нехай ненасичена пара міститься у термоізольованій посудині (для підтримки сталої температури) з поршнем. Якщо ми стискатимемо поршнем ненасичену пару, її густина і тиск зростатимуть доти, поки пара не стане насиченою. Наступне зменшення об’єму не може збільшити ні густину, ні тиск насиченої пари, бо надлишок її перетворюватиметься в рідину. Нарешті вся пара перетворюється в рідину і поршень доторкнеться до її поверхні. Тепер уже зменшення об’єму залежатиме від стискання рідини, а оскільки рідини важко стискаються, то зменшення об’єму потребує значного збільшення тиску.

Мал. 27. Ізотермічний перехід ненасиченої пари в рідину

Залежність тиску ненасиченої і насиченої пари від об’єму зображено графічно на мал. 27. Якщо під поршнем міститься тільки ненасичена пара (т. А), то зменшення її об’єму спричиняє збільшення тиску по кривій АВ (іншими словами, ненасичена пара підпорядковується закону Бойля-Маріотта для ідеального газу).

Подальше ізотермічне стискання пари веде до того, що вона починає конденсуватись (т. В) – пара стає насичено.

Густина і тиск насиченої пари за незмінної температури є сталими величинами (ділянка ВЕ).

Коли вся пара конденсується (т. Е), то наступне зменшення об’єму спричинить стискання рідини (ділянка ЕF).

Отже перший висновок, який ми можемо зробити із досліду, що для ненасиченої пари (як і для ідеального газу) виконується закон Бойля-Маріотта. Для насиченої пари цей закон не виконується, тиск і густина насиченої пари не залежать від об’єму.

Стан насиченої пари наближено описується рівнянням стану ідеального газу, і її тиск наближено визначається формулою . Проте за сталого об’єму залежність тиску від температури не є лінійною як у ідеального газу.

З’ясуємо, як поводитиме себе насичена і ненасичена пара при ізохорному процесі. Для цього візьмемо герметично закриту посудину (для підтримки сталого об’єму), з’єднану з манометром. У посудині міститься тільки рідина і її пара (інших газів немає). Нагріваючи посудину будемо фіксувати значення температури і тиску пари. Графічно цю залежність подано на мал.28.

Мал. 28. Залежність тиску пари від температури

Під час нагрівання кількість рідини у закритій посудині зменшується, отже густина і маса пари в посудині при нагріванні збільшується. Тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок збільшення температури, а й внаслідок збільшення густини пари. Таким чином залежність тиску насиченої пари від температури (ділянка АВ) не підпорядковується закону Шарля.

Коли вся рідина випарується, пара при дальшому нагріванні стане вже ненасиченою і її тиск при сталому об’ємі зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (ділянка ВС).

Таким чином, наступний висновок який можна зробити: закон Шарля до насиченої пари незастосовний.

Перехід ненасиченої пари у насичену, а потім – у рідину, як і зворотний перехід рідини в насичену і ненасичену пару, може відбуватися двома способами – під час зміни об’єму пари і за зміни її температури. Якщо охолоджувати ненасичену пару за сталого тиску, вона стає насиченою, а потім конденсується в рідину (утворення роси на поверхні Землі). Якщо рідину нагріти у закритій посудині, то утворена пара спочатку є насиченою, а потім стає ненасиченою.

Як було уже сказано під час нагрівання густина насиченої пари зростає, а густина рідини зменшується (мал. 29). Тобто зі зростанням температури їх густини зближаються і за деякої температури Т _к (критичної температури) стають однаковими. В цей момент між рідиною і парою зникає межа поділу, пару і рідину не можна розрізнити.

Мал. 29. Залежність густини рідини та її пари від температури

Критична температура – це температура, при якій зникає відмінність фізичних властивостей рідини і насиченої пари.

При критичній температурі густина і тиск насиченої пари стають максимальними. А густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною.

Для кожної речовини існує своє конкретне значення критичної температури.

Таким чином особливості газоподібного стану речовини визначається значенням температури за якої вона перебуває. Якщо температура газу за нормальних умов вища за її критичне значення, то газ залишається газом і перетворити його в рідину не можна ні при яких тисках. Парою називають газоподібний стан речовини, для якої звичайні температури виявляються нижчими за її критичну температуру. Така речовина за звичайних умов може перебувати як у рідкому, так і в газоподібному станах.

Перенасичена пара. Спостереження показують, якщо пара не стискається з рідиною, то її можна охолодити до температури нижчої за критичну, але конденсуватись у рідину вона не буде. Така пара називається перенасиченою. Пояснюється це тим. Що для конденсації необхідні, так звані, центри конденсації, які б могли бути зародками краплинок рідини. Центрами конденсації, як правило є пилинки або йони. Чиста пара конденсується лише після досягнення високого ступеня перенасичення.

Дайте відповіді на запитання

1. Що називають пароутворенням? Конденсацією? Випаровуванням? Парою?

2. Назвіть причини, від яких залежить інтенсивність випаровування рідини.

3. Як пояснити зниження температури рідини у результаті її випаровування?

4. Яку пару називають насиченою? Насиченою?

5. Які властивості мають насичена і ненасичена пари?

6. Яку температуру називають критичною?