Свойства паров в физике - формулы и определения с примерами

Содержание:

Свойства паров:

Туман - одно из наиболее часто наблюдаемых природных явлений в сельской местности и в городе.

Испарение. В жидкостях (и твердых телах) при любой температуре существует некоторое количество молекул (или атомов), кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии взаимодействия с соседними молекулами. Если такие молекулы находятся поблизости от поверхности жидкости, то они с легкостью покидают поверхность и создают над ее поверхностью пар.

Парообразованием называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Парообразование осуществляется двумя способами: испарением и кипением.

Испарение - это парообразование, происходящее с открытой поверхности жидкости при любой температуре.

Кипение — это парообразование, происходящее по всему объему жидкости при определенной температуре.

При испарении частицы, обладающие большой кинетической энергией, покидают поверхность жидкости. В результате происходит уменьшение среднего значения кинетической энергии оставшихся частиц жидкости. Поэтому в процессе испарения наблюдается охлаждение жидкости (только если жидкости не передается теплота со стороны).

Скорость испарения зависит от: температуры жидкости, площади свободной поверхности жидкости, скорости течения воздуха, окружающего поверхность жидкости, давления, оказываемого на поверхность жидкости (с увеличением давления скорость испарения уменьшается), удельной теплоты парообразования жидкости, то есть от рода жидкости.

Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, необходимому для полного превращения жидкости массой 1 кг в пар при постоянной температуре:

Где

Единица измерения удельной теплоты парообразования в СИ:

Значение удельной теплоты парообразования зависит от рода жидкости и её температуры — с увеличением температуры значение удельной теплоты парообразования уменьшается. Минимальное значение удельной теплоты парообразования соответствует температуре кипения жидкости.

Теплота парообразования - это количество теплоты, необходимое для превращения жидкости массой в пар при постоянной температуре:

Процесс, обратный парообразованию, один из природных процессов, называемый конденсацией, при котором пар превращается в жидкость.

Конденсация - это процесс превращения пара в жидкость. Конденсируемый пар передает окружающей среде количество теплоты При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на парообразование сконденсировавшейся жидкости.

Насыщенный и ненасыщенный пар

По характеру зависимости плотности и давления от температуры пар может быть насыщенным и ненасыщенным.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие между жидкостью и ее паром возникает тогда, когда число молекул, покидающих свободную поверхность жидкости, становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость. Насыщенный пар возникает над свободной поверхностью жидкости в закрытом сосуде.

Если же сосуд открыт, то часть молекул, покинувших поверхность жидкости, испаряется в атмосферу и не возвращается в жидкость, то есть нарушается динамическое равновесие и пар переходит в ненасыщенное состояние.

Ненасыщенный пар - это пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Свойства насыщенного пара

a) давление, плотность и концентрация насыщенного пара при  постоянной температуре от объема пара не зависят, то есть насыщенный пар не подчиняется закону Бойля-Мариотта (а);

b) с повышением температуры давление, плотность и концентрация насыщенного пара резко увеличиваются, то есть насыщенный пар не подчиняется закону Шарля. Это происходит потому, что увеличение давления насыщенного пара происходит в соответствии с выражением не только за счет повышения температуры, но и одновременно за счет увеличения концентрации (плотности) молекул пара (b).

• Заказать решение задач по физике

Свойства ненасыщенного пара

a) давление и плотность ненасыщенного пара данной массы при постоянной температуре обратно пропорциональны его объему, то есть для ненасыщенного пара выполняется закон Бойля-Мариотта (с);

b) давление ненасыщенного пара данной массы при постоянном объеме прямо пропорционально его температурю, то есть для ненасыщенного пара выполняется закон Шарля (d).

Пар может переходить из ненасыщенного состояния в насыщенное и наоборот.

При изотермическом расширении насыщенный пар может превратиться в ненасыщенный пар.

При изотермическом сжатии ненасыщенный пар может превратиться в насыщенный пар.

Это происходит так. Предположим, что в цилиндре, подключенном к манометру, под поршнем находится ненасыщенный пар при температуре  объем которого равен (е). При изотермическом сжатии пара его объем уменьшается, а давление, плотность и концентрация увеличиваются (участок графика).

При достижении объема пара значения он начинает конденсироваться, в цилиндре образуются капельки жидкости — пар переходит в насыщенное состояние. Давление, плотность и концентрация пара принимают максимальное значение при данной температуре. Дальнейшее уменьшение объема приводит к конденсации пара и превращению его в жидкость (участок  графика). Этот процесс продолжается до полного превращения насыщенного пара в жидкость (точка С). Дальнейшее сжатие производится над жидкостью, и очень малая сжимаемость жидкости, приводит к резкому увеличению показаний манометра (участок  графика).

При изохорном нагревании насыщенный пар превращается в ненасыщенный. На графике зависимости давления пара от температуры при постоянном объеме участок 1-2 соответствует насыщенному состоянию пара (f).

Примечание: При изотермическом сжатии превращение насыщенного пара в жидкость возможно только при температуре ниже критической температуры.

Критическая температура —это температура, при которой исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром. При критической температуре плотность насыщенного пара равна плотности жидкости (g).

При температуре выше критической температуры вещество может находиться только в одном агрегатном состоянии - газообразном (пар) состоянии и ни при каких давлениях оно не превращается в жидкость. Значение критической температуры зависит только от рода пара. Например, для гелия  для азота