Испарение и конденсация в физике - формулы и определение с примерами

Испарение и конденсация:

Почему в плотно закрытом сосуде горячая вода остывает медленнее, чем в открытом? Почему зимой на деревьях иногда появляется иней? Чем идеальный газ отличается от пара?

Испарение и конденсация

Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние — испаряются. Причём скорость испарения зависит от рода жидкости, её температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха. Вследствие испарения воды с поверхности водяной оболочки Земли (гидросферы), с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака, выпадать в виде осадков. Процессы испарения и конденсации распространены в природе и технике, и изучение их особенностей имеет большое практическое значение.

Рассмотрим плотно закрытый сосуд, в котором вода занимает нижнюю часть, а остальное пространство заполнено паром. Молекулы в воде и паре находятся в непрерывном движении и могут как вылетать из воды в пар, так и из пара возвращаться в воду. Таким образом, в сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — переход воды в газообразное состояние (испарение) и переход водяного пара в жидкость (конденсация) (рис. 58).

После герметизации сосуда в течение некоторого промежутка времени испарение жидкости преобладает над конденсацией её пара. Если при этом из окружающей среды к системе «жидкость — пар» не поступает энергия, то жидкость охлаждается. Это происходит вследствие того, что поверхностный слой жидкости покидают молекулы, обладающие наибольшей скоростью. Такие молекулы имеют и наибольшую кинетическую энергию теплового движения, что позволяет им преодолеть силы притяжения, действующие в поверхностном слое жидкости. Работа сил притяжения обеспечивает то, что скорость каждой вылетающей из жидкости молекулы уменьшается, а скорость каждой влетающей в неё молекулы, наоборот, увеличивается. Такие изменения скорости, а значит, и кинетической энергии молекул, пересекающих поверхность жидкости, позволяют системе «жидкость —пар» достичь состояния теплового равновесия, при котором температуры жидкости и её пара одинаковы.

При испарении жидкости в плотно закрытом сосуде плотность пара над ней увеличивается, и одновременно растёт число молекул, влетающих обратно в жидкость. Концентрация молекул пара возрастает до тех пор, пока число молекул, покидающих жидкость (рис. 59), не станет равным числу молекул, возвращающихся в неё за тот же промежуток времени: Уровень жидкости в сосуде при этом не изменяется с течением времени. Между жидкостью и её паром устанавливается состояние динамического равновесия. Оно будет существовать до тех пор, пока не изменится температура или объём системы.

Насыщенный пар

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называют насыщенным паром.

Давление такого пара называют давлением насыщенного пара.

Насыщенный пар обладает свойствами, отличающимися от свойств идеального газа.

Первое отличие состоит в том, что давление насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Число молекул, переходящих из жидкости в пар через единичную площадку за единичный промежуток времени, зависит только от состава жидкости и её температуры. Например, за промежуток времени с со свободной поверхности воды, площадь которой при комнатной температуре вылетает приблизительно  молекул.

Второе отличительное свойство: при увеличении температуры давление насыщенного пара возрастает значительно быстрее, чем давление идеального газа.

Давление насыщенного пара зависит также и от рода жидкости. Чем меньше силы взаимодействия между молекулами жидкости, тем больше концентрация молекул насыщенного пара, а значит, тем больше его давление и плотность.

При изменении объёма насыщенного пара его масса также изменяется. Поэтому законы идеального газа для изопроцессов можно применять к пару только в том случае, если он далёк от насыщения и его масса остаётся неизменной.

Однако уравнение Клапейрона—Менделеева можно использовать для нахождения любых параметров насыщенного пара.

Давление (плотность) насыщенного пара при данной температуре — максимальное давление (плотность), которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью при этой температуре.

Ненасыщенный пар:

Если сосуд с водой и её насыщенным паром открыть, то пар начнёт выходить наружу, и концентрация его молекул в сосуде уменьшится. Это приведёт к тому, что процесс испарения будет преобладать над процессом конденсации (рис. 60), и уровень жидкости в сосуде понизится. При этом нарушится динамическое равновесие между водой и её паром. Давление (плотность) пара уменьшится, и пар станет ненасыщенным.

Ненасыщенный пар — пар, давление (плотность) которого меньше давления (плотности) насыщенного пара при той же температуре.

Процесс испарения воды с поверхности морей и океанов, как правило, преобладает над процессом конденсации. Это означает, что над морями и океанами обычно находится ненасыщенный водяной пар, который, поднимаясь вверх, охлаждается и конденсируется, образуя облака и тучи.

Интересно знать:

Воздушная оболочка Земли — атмосфера — представляет собой смесь газов. Атмосферный воздух всегда содержит водяной пар, концентрация молекул которого у поверхности Земли колеблется от 3 % в тропиках до в Антарктиде. Из океанов, морей и рек, а также суши за год испаряется свыше воды, что приблизительно равно объёму воды в Чёрном море. На испарение затрачивается около половины всей поглощённой поверхностью Земли энергии солнечного излучения. При конденсации пара в атмосферу выделяется такое же количество теплоты, которое ранее потребовалось для испарения жидкости. Это приводит к нагреванию атмосферы и предотвращает резкие колебания температуры. При перемещении водяных паров в атмосфере на большие расстояния происходит их конденсация в областях с более низкой температурой, т. е. в одних областях поверхности и атмосферы Земли преобладают процессы испарения воды, а в других — процессы конденсации водяного пара.