Испарение и конденсация. Кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары

Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества. Молекулы жидкости движутся с различными скоростями. Между этими молекулами действуют значительные силы притяжения, которые удерживают их вместе. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут на некоторое время покинуть жидкость. Но так же как и камень, брошенный вверх, возвращается на землю, так и «вырвавшаяся» из жидкости молекула может вернуться назад из-за притяжения другими молекулами. Только молекулы, обладающие кинетической энергией больше некоторого определенно го значения, могут удаляться от поверхности жидкости на значительное расстояние. На расстоянии r~10^-9 м над поверхностью жидкости эти молекулы уже перестают испытывать силу притяжения со стороны молекул жидкости и могут двигаться свободно, как движутся молекулы любого газа. При повышении температуры испарение интенсивнее, так как увеличивается число молекул с большей скоростью. Совокупность молекул, покинувших жидкость при парообразовании, называется паром этой жидкости.

Поскольку при испарении поверхность жидкости покидают наиболее быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, и в результате температура жидкости понижается. Следовательно, для того чтобы процесс испарения продолжался с той же интенсивностью, к жидкости необходимо постоянно подводить теплоту.

Число молекул пара возрастает до тех пор, пока не будут достигнуты такие условия, когда число молекул, покидающих жидкость, будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за тот же промежуток времени. Равновесие газообразной и жидкой фаз является динамическим, так как молекулы, совершая хаотическое тепловое движение, непрерывно переходят через границу из одной фазы в другую и обратно. Поэтому такое состояние называется состоянием динамического равновесия.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Давление пара, когда он насыщен, называется давлением насыщенного пара. Пар, давление которого меньше давления насыщенного пара, называется ненасыщенным. Ненасыщенный пар подчиняется законам идеального газа.

Отметим основные свойства насыщенного пара.

1. При постоянной температуре (T = const) давление насыщенного пара р не зависит от его объема V. Таким образом, закон Бойля — Мариотта для насыщенного пара не выполняется.

2. При постоянном объеме (V = const) давление насыщенного .пара с ростом температуры увеличивается быстрее, чем давление идеального газа, вследствие роста концентрации молекул. Таким образом, закон Гей-Люссака при этом не выполняется.

3. Уравнение p = nkT описывает состояние насыщенного пара только приближенно.

Таким образом, насыщенный пар не подчиняется законам идеального газа. Значения давления и плотности насыщенного пира при заданной температуре определяются из таблиц.

Давление насыщенного пара увеличивается с повышением температуры. Внутри жидкости по всему ее объему начинают образовываться маленькие пузырьки, которые указывают на превращение вещества из жидкого состояния в газообразное. Если давление пара внутри пузырьков меньше, чем внешнее давление, пузырьки уничтожаются внешним давлением. С ростом температуры давление насыщенного пара внутри пузырька увеличивается и достигает внешнего давления. Когда давление внутри пузырька превысит внешнее давление, пузырьки начнут увеличиваться в размерах и подниматься к поверхности жидкости. Это — начало процесса кипения. Таким образом, жидкость кипит тогда, когда давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или превышает внешнее давление, называется температурой кипения t_кип.

Особенности жидкости при кипении:

1) при постоянном внешнем давлении температура жидкости остается постоянной (T_кип = const, p = const);

2) с повышением внешнего давления температура кипения повышается (для воды при p = 1,6·10⁶ Па — t_кип = 200 ºС), с понижением внешнего давления температура кипения понижается (для воды при p = 3,12·10⁴ Па — t_кип = 70 ºС);

3) температура кипения зависит от наличия примесей (так, если вода содержит 40 % поваренной соли, то ее температура кипения t_кип = 108°С).

Обратный процесс — превращение пара в жидкость — называется конденсацией. При конденсации теплота, затраченная на испарение, отдается обратно в окружающее пространство.