Випаровування, конденсація, кипіння. Насичена і ненасичена пари


Поняття кипіння. Вплив тиску та домішок на кипіння

Кипіння також включає вивільнення молекул з рідини, але воно відрізняється від випаровування наступним:

1. Кипіння охоплює весь об’єм рідини. Коли температура досягає точки кипіння, середня кінетична енергія молекул така, що вони можуть розірвати сили тяжіння оточуючих їх молекул. Бульбашки пари утворюються по всій рідині.

2. Кипіння має місце при певній температурі, що відповідає точці кипіння рідини при певному тиску. Одним з визначень точки кипіння є наступне: це температура, при якій тиск насиченої пари рідини дорівнює тиску навколишнього середовища. Звідси випливає, що точка кипіння підвищується, якщо підвищується тиск навколишнього середовища.

Вплив тиску на кипіння

На цьому принципі заснована дія скороварки. Запобіганням витоку пари підвищується його тиск на воду, і таким чином підвищується точка кипіння. Відповідно вміст скороварки знаходиться при більш високій температурі, що зменшує час приготування їжі. Коли тиск всередині скороварки досягає певного значення, клапан з вантажами піднімається і частина пари випускається, запобігаючи тим самим «вибуху» скороварки. Точка кипіння може змінюватися підбором вантажів на клапані.

Вплив домішок на кипіння

Домішки також впливають на точку кипіння води. Додавання солі або цукру у воду піднімає точку кипіння. Молекули солі або цукру більш масивні, ніж молекули води, і в результаті сили тяжіння збільшуються. Для їх подолання потрібно більше кінетичної енергії, і точка кипіння піднімається.

Випаровування – процес перетворення рідини в пару

Інша зміна стану — перехід рідини в пару. Молекули рідини вивільняються з поверхні і стають парою. Цей процес відомий як випаровування. Молекули в рідині можуть вільно рухатися в будь-якому напрямку, оскільки зв’язки між ними, що існували в твердому стані, розірвані. Однак між ними в рідині залишаються все ще більші сили тяжіння. На малюнку молекула А всередині рідини притягається однаково в усіх напрямках, і на неї не діє результуюча сила.

Сили між молекулами в рідині

Молекула має кінетичну енергію, але пересувається лише на невелику відстань до зіткнення з іншими молекулами. У звичайних умовах мало-ймовірно, щоб вона покинула рідину. Вона рухається в довільних напрямках. Те ж саме стосується інших молекул по сусідству, але всі вони рухаються не з однаковою швидкістю. Одні з них мають більшу кінетичну енергію, ніж інші; середня кінетична енергія всіх молекул є мірою температури рідини.

Молекула перебуває в поверхневому шарі рідини. Сили тяжіння, що діють на неї в горизонтальному напрямку, однакові, так само як і молекули А. Деяке число молекул знаходиться безпосередньо над поверхнею рідини, і спрямована вгору сила мала. Вона набагато менше сили, спрямованої вниз, і тому існує результуюча сила, яка спрямована всередину рідини. Чи зможуть молекули подолати цю силу і звільнитися з рідини, залежить від їх кінетичної енергії. Тільки молекули, які швидко рухаються, мають достатню кінетичну енергію, щоб звільнитися з рідини.

Оскільки частина молекул з великою швидкістю залишає рідину, то, отже, середня кінетична енергія молекул що залишаються в рідині зменшується. Відповідно падає і температура рідини. Це охолодження зазвичай непомітне, тому що з навколишнього середовища прибуває теплова енергія і підтримує температуру постійною. Зниження температури ви зможете відчути, помістивши краплю леткої рідини — ефіру або одеколону — на долоню. Рідина швидко випаровується, і на її місці відчувається холодок, оскільки прихована теплота, необхідна для випаровування, швидко забирається від руки. Більш переконлива демонстрація цього факту дається в дослідженні нижче.

Втрата великого числа найбільш енергетичних молекул ефіром знижує його температуру нижче 0 °С, а теплова енергія вливається з навколишнього середовища. Найближче оточення, тобто вода, постачає більшу частину теплової енергії, і вона втрачає її стільки, що замерзає.

Конденсація

Конденсація – перетворення речовини з газоподібного стану в рідкий або твердий. А самі ці стани називаються конденсованими станами речовини.

Конденсація можлива тільки при температурі нижче критичної і може відбуватися як з насиченої, так і ненасиченої пари. При наявності рідкої фази ієї ж речовини процес конденсації (за відсутності інших газів) починається при як завгодно малих перенасиченнях і протікає дуже швидко. Сталий рівноважний тиск парів визначається тільки їх температурою (зменшуючись з її зниженням) і називається тиском насичених парів. Цей тиск характеризується тим, що настає рухлива рівновага між кількістю рідини яка випаровується і кількістю пари яка конденсується. Так як тепло виділяється при конденсації, тобто прихована теплота від’ємна, і питомий об’єм рідкої фази менше, ніж газової, то з рівняння Клапейрона—Клаузіуса випливає, що при підвищенні температури підвищується тиск насичених парів. Якщо пари знаходяться в атмосфері іншого газу, то швидкість конденсації обмежується швидкістю дифузії парів з газу до поверхні рідини і можливі більш або менш значні пересичення пари далеко від поверхні рідини.

У відсутності рідкої або твердої фази тієї ж речовини конденсація пари можлива при існуванні так званих ядер конденсації. Внаслідок того, що тиск насичених парів над опуклою поверхнею більше, ніж над плоскою, конденсація на ядрах починається тільки при значному перенасичені. Ядрами конденсації можуть бути деякі типи завислих в атмосфері пари твердих частинок та краплинок рідини або заряджені молекули газу — іони, які є найбільш активними ядрами конденсації. При відсутності ядер конденсація починається в точках випадкового ущільнення речовини — флуктуаціях щільності пари. У цьому випадку перенасичення може сягати 800-1000 і більше відсотків. На явищі конденсації на іонах заснований один з основних приладів сучасної ядерної фізики — Камера Вільсона.

Конденсація може наступати при тиску пари, меншому, ніж тиск насичених парів при даній температурі в присутності твердих пористих чи порошкоподібних тіл. Це явище, так само як і конденсація на ядрах, пов’язано зі зміною рівноважного тиску над кривою (в даному випадку увігнутою) поверхнею і носить назву Капілярна конденсація. У тому випадку, якщо тиск парів нижче тиску в потрійний точці при зниженні температури, відбувається конденсація, минаючи рідку фазу, за допомогою утворення дрібних кристалів (десублімація). Виведені на основі статистичної фізики і термодинаміки співвідношення для різних видів конденсації в більшості випадків добре узгоджуються з дослідом.
Погляньте на малюнок: пар, що виривається з чайника невидимим струменем, незабаром конденсується – перетворюється в туман (скупчення найдрібніших крапельок води).

конденсація

Щоб конденсація сталася, пар повинен віддати теплоту оточуючим тілам. В результаті він перетвориться в рідину або туман, а навколишні його тіла нагріються. Наприклад, при конденсації всієї пари, що виривається з носика киплячого чайника, виділяється стільки теплоти, що її вистачить для нагрівання двох відер води кімнатної температури до 100 °С!

Насичена пара

На малюнку 44.4 схематично зображені процеси випаровування та конденсації в щільно закритій посудині, коли рідина і пар перебувають у динамічній рівновазі.

насичена пара

Пар, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною називають насиченим.

Ненасичена пара

Якщо посудину з рідиною відкрити, пар почне виходити з посудини назовні. Внаслідок цього концентрація пари в посудині зменшиться, і молекули пари будуть рідше стикатися з поверхнею рідини і влітати в неї. Тому інтенсивність конденсації зменшиться.

А інтенсивність випаровування залишається колишньою. Тому рівень рідини в посудині почне знижуватися. Якщо процес випаровування йде швидше, ніж процес конденсації, то кажуть, що знаходиться над рідиною ненасичений пар (рис. 44.5).

нненасичена пара

У повітрі завжди є водяна пара, але зазвичай вона є ненасиченою, тому випаровування переважає над конденсацією. Тому калюжі і висихають.

Над поверхнею морів і океанів пар також ненасичений, тому вони поступово випаровуються. Чому рівень води при цьому не знижується?