Парообразование и конденсация. Ненасыщенные и насыщенные пары

Ключевые слова: парообразование, конденсация, насыщенные пары, ненасыщенные пары.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь с процессами парообразования и конденсации.

Мы изучили процессы плавления и кристаллизации. Теперь рассмотрим явления перехода жидкости в газообразное состояние, а также обратный переход из газообразного в жидкое состояние.

Парообразование и конденсация. Поставим чайник с водой на плитку и начнем его нагревать. Когда вода закипит, мы увидим, что из носика чайника будет идти пар (рис. 12.1). При кипении над ее поверхностью идет интенсивное парообразование, так как крышка чайника закрыта, пар выходит наружу из носика.

Рис. 12.1

Процесс перехода жидкости в газообразное состояние называется парообразованием.

Есть два вида парообразования: испарение и кипение. Процессы испарения мы наблюдаем всюду: и в природе, и в быту. Мокрая одежда после стирки высыхает, образовавшиеся после дождя лужи, разлитые жидкости также высыхают и исчезают.

Процесс парообразования со свободной поверхности жидкости называется испарением.

Рассмотрим, почему происходит испарение. Мы знаем, что молекулы жидкости находятся в постоянном хаотическом движении. Также они взаимодействуют друг с другом, испытывают притяжение. Численные значения скорости отдельных молекул значительно отличаются друг от друга. Если какая-нибудь «быстрая» молекула случайно окажется вблизи поверхности жидкости, она может вылететь из нее, преодолев притяжение соседних молекул. Так как число молекул огромное, всегда найдется достаточное количество таких молекул.

Если учесть, что тепловое движение молекул никогда не прекращается, можно утверждать, что испарение жидкости идет при любой температуре. Но с ростом температуры испарение идет интенсивнее.

Представьте себе, что вы находитесь в бассейне. Вам хорошо знакомо чувство холода при выходе из бассейна. Даже просто вымыв руки, можно ощутить прохладу, если их не вытирать. Получается, при испарении жидкость охлаждается. Как мы выяснили ранее, при испарении жидкость покидают «самые быстрые» молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Кроме того, вылетающим молекулам надо преодолеть силы притяжения со стороны остальных молекул, на это также нужно затратить энергию, а извне тепло не подводится. В результате при испарении внутренняя энергия жидкости уменьшается, происходит ее охлаждение. Следовательно, при испарении температура тел, контактирующих с жидкостью, понижается, т. к. они отдают свою энергию жидкости. Поэтому, когда выходите из озера или моря на берег, вы чувствуете холод. Это вода, испаряясь, забирает тепло у вашего тела. Эти факты говорят о том, что процесс испарения идет с поглощением энергии. Итак, процесс испарения идет с поглощением энергии.

Когда постиранное белье быстрее высохнет: в жаркую или холодную погоду? Ответ вы знаете: чем выше температура, тем быстрее высыхает белье. А значит, скорость испарения прямо пропорциональна температуре жидкости, в данном случае температуре воды в мокром белье. Никто не сушит белье, сложив его в рулон, так оно не высохнет. Мы аккуратно расправляем его, прежде чем вывесить, тем самым увеличиваем свободную поверхность белья и вместе с ним и воды в нем. Мы также знаем, что вода из плоской тарелки испарится быстрее, чем из стакана. Скорость испарения зависит от площади свободной поверхности жидкости: чем она больше, тем больше число быстрых молекул вблизи этой поверхности, тем больше скорость испарения.

Нальем в три одинаковые плоские тарелки небольшое количество спирта, воды и растительного масла. Спирт испарится очень быстро, вода — через несколько часов, а масло пролежит в тарелке несколько дней. Значит, скорость испарения зависит от рода жидкости.

Когда наше белье высохнет быстрее: в ветреную или тихую погоду? Ответ вам также известен из вашего повседневного опыта. Скорость испарения зависит от движения воздуха над свободной поверхностью жидкости. Молекулы, вылетевшие из жидкости, некоторое время находятся вблизи ее поверхности, они движутся хаотично, при этом сталкиваются с другими молекулами, вылетевшими из жидкости, и молекулами воздуха. В результате некоторые из них могут обратно вернуться в жидкость. А если над поверхностью дует ветер, то он уносит вылетающие молекулы и испарение идет быстрее.

Те молекулы, которые обратно возвращаются в жидкость, участвуют в обратном переходе вещества из газообразного состояния в жидкое состояние.

Конденсацией называется процесс перехода вещества из газообразного в жидкое состояние.

Отключим чайник (рис. 12.1) от нагревателя и подождем некоторое время. Когда он немного остынет, откроем крышку. На внутренней поверхности крышки чайника можно увидеть капельки воды. Это результат конденсации водяного пара, который во время нагрева воды заполнил все пространство над ней. При остывании пар конденсируется, превращаясь обратно в воду. Да и пар из носика чайника с кипящей водой — это на самом деле очень мелкие капельки воды, которые образуются при охлаждении пара при комнатной температуре, т. е. мы видим капельки конденсированной воды. Водяной пар — это прозрачное газообразное состояние воды, он невидим. Хорошо нам знакомый туман также состоит из мелких капелек конденсированной воды, так же как и облака. Еще одно проявление конденсации воды — появление росы на траве ранним летним утром.

Явления испарения и конденсации водяного пара в природе порождают величественный круговорот воды в природе (рис. 12.2). С поверхностей морей и океанов вода в большом количестве испаряется, поднимается вверх, где конденсируется и остывает. Образуются облака, которые под действием ветров перемещаются. Когда капельки воды становятся достаточно большими, они в виде осадков опять падают на Землю.

В процессе конденсации происходит выделение тепловой энергии.

Рис. 12.2. Круговорот воды в природе

Помимо испарения, возможен процесс перехода твердого вещества в газообразное состояние. Это явление называется сублимацией, или возгонкой. Сублимация также идет с поглощением энергии. Примером сублимации может служить высыхание белья в морозную погоду.

Обратный процесс — переход из газообразного состояния в твердое называется десублимацией. Примеры десублимации — появление ледяных узоров на оконном стекле в морозную погоду, инея на поверхности земли, изморозь на ветвях деревьев.

Насыщенные и ненасыщенные пары. Над поверхностью жидкости всегда есть определенное количество паров этой жидкости. Как было рассмотрено выше, испарение жидкости происходит при любой температуре, но одновременно идет и обратный процесс, при котором часть молекул обратно возвращается в жидкость. Если свободная поверхность жидкости открытая, как на рисунке 12.3, б, то количество молекул, покидающих жидкость, будет все же больше, чем возвращающихся обратно в жидкость. Такой пар называется ненасыщенным. Если сосуд с жидкостью закрыть, как показано на рисунке 12.3, а, то пар над поверхностью жидкости не рассеивается в пространство. Через некоторое время количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, будет равно количеству молекул, обратно возвращающихся в жидкость за такое же время. В таком случае говорят, что пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Такой пар называется насыщенным.

Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Давление насыщенного пара не зависит от его объема, но зависит от температуры: чем выше температура, тем больше давление.

Рис. 12.3. а) закрытый сосуд; б) открытый сосуд

Вопросы

1. Какой процесс называется парообразованием?
2. Что такое испарение?
3. Как зависит скорость испарения от температуры жидкости? Ответ обоснуйте.
4. Как зависит скорость испарения от площади свободной поверхности жидкости, рода жидкости и внешних условий?
5. Как изменяется внутренняя энергия жидкости при испарении? Почему?
6. В морозный день изо рта прохожих идет пар. Как это можно объяснить?
7. Что такое конденсация?
8. Какой процесс называется сублимацией? Десублимацией?
9. Какой пар называется насыщенным? Ненасыщенным?
10. От чего зависит давление насыщенного пара?

Творческая мастерская

Опишите круговорот воды в природе. Какое значение он имеет для жизни на Земле? Подготовьте презентацию.

Исследование испарения воды в закрытом сосуде. Возьмите два одинаковых стакана. Налейте в них одинаковое количество воды комнатной температуры. Маркером отметьте начальный уровень воды. Один стакан закройте крышкой, второй оставьте открытым и поставьте оба стакана в теплое место. Через два-три дня опять отметьте уровни воды в стаканах. Сделайте выводы.