Насыщенный пар. Давление насыщенного пара.

Что произойдёт, если сосуд с некоторым объёмом жидкости закрыть крышкой (рис.26б)? Каждую секунду поверхность жидкости по-прежнему будут покидать самые быстрые молекулы, её масса будет уменьшаться, а концентрация молекул пара – увеличиваться. Одновременно с этим в жидкость из пара будут возвращаться часть его молекул, и чем больше будет концентрация пара, тем интенсивней будет этот процесс конденсации. Наконец, концентрация пара над жидкостью станет так высока, что число молекул, возвращающихся в жидкость в единицу времени, станет равным числу молекул, покидающих её. Такое состояние называют динамическим равновесием, а соответствующий пар – насыщенным паром. Концентрация молекул пара над жидкостью не может быть больше их концентрации в насыщенном паре. Если концентрация молекул пара меньше, чем у насыщенного, то такой пар называют ненасыщенным.

Движущиеся молекулы пара создают давление, величина которого, как и для газа, пропорциональна произведению концентрации этих молекул на температуру. Поэтому при заданной температуре, чем выше концентрация пара, тем большее давление он оказывает. Давление насыщенного пара зависит от вида жидкости и температуры. Чем тяжелее оторвать молекулы жидкости друг от друга, тем меньше будет давление её насыщенного пара. Так, давление насыщенного пара воды при температуре 20^оС составляет около 2 кПа, а давление насыщенных пара ртути при 20^оС - лишь 0, 2 Па.

Жизнь человека, животных и растений зависит от концентрации водяных паров (влажности) атмосферы, которая изменяется в широких пределах в зависимости от места и времени года. Как правило, водяной пар вокруг нас является ненасыщенным. Относительной влажностью воздуха называют отношение давления водяных паров к давлению насыщенных паров при той же температуре, выраженное в процентах. Одним из приборов для измерения влажность воздуха является психрометр, состоящий из двух одинаковых термометров, один из которых обёрнут влажной тканью.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Пар – это газ, образованный испарившимися молекулами жидкости, и поэтому для него справедливо уравнение (23.7), связывающее давление пара, p, концентрацию молекул в нём, n и абсолютную температуру, T:

p = nkT. (27.1)

Из (27.1) следует, что давление насыщенного пара должно увеличиваться линейно с ростом температуры, как это имеет место у идеальных газов при изохорных процессах (см. §25). Однако, как показали измерения, давление насыщенного пара растёт с температурой гораздо быстрее, чем давление идеального газа (см. рис.27а). Происходит это из-за того, что с ростом температуры, а значит, и средней кинетической энергии, всё больше и больше молекул жидкости покидают её, увеличивая концентрацию, n пара над ней. А т.к. согласно (27.1) давление пропорционально n, то это увеличение концентрации пара и объясняет более быстрый рост давления насыщенного пара с температурой, по сравнению с идеальным газом. Рост давления насыщенных паров с температурой объясняет известный всем факт – при нагревании жидкости испаряются быстрее. Отметим, что, как только рост температуры приведёт к полному испарению жидкости, пар станет ненасыщенным.

При нагревании жидкости в каждом из пузырьков процесс испарения ускоряется, а давление насыщенного пара растёт. Пузырьки расширяются и под действием выталкивающей силы Архимеда отрываются от дна, всплывают и лопаются на поверхности. При этом пар, наполнявший пузырьки, уносится в атмосферу.

Чем меньше атмосферное давление, тем при более низкой температуре кипит данная жидкость (см. рис.27в). Так, на вершине горы Эльбрус, где давление воздуха в два раза меньше нормального, обычная вода кипит не при 100 ^оС, а при 82 ^оС. Наоборот, если необходимо повысить температуру кипения жидкости, то её нагревают при повышенном давлении. На этом, например, основана работа скороварок, где еда, содержащая воду, может вариться при температуре более 100 ^оС, не закипая.

Кипение.

Кипение – это интенсивный процесс испарения, происходящий по всему объёму жидкости и на её поверхности. Жидкость начинает кипеть, когда давление её насыщенного пара приближается к давлению внутри жидкости.

Кипением называют образование большого числа пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле, эти пузырьки присутствуют в жидкости всегда, но их размеры растут, и они становятся заметны только при кипении. Одна из причин того, что в жидкости всегда есть микропузырьки, следующая. Жидкость, когда её наливают в сосуд, вытесняет оттуда воздух, но полностью этого сделать не может, и маленькие его пузырьки остаются в микротрещинах и неровностях внутренней поверхности сосуда. Кроме того, в жидкостях обычно содержатся микропузырьки пара и воздуха, прилипшие к мельчайшим частицам пыли.

При нагревании жидкости в каждом из пузырьков процесс испарения ускоряется, а давление насыщенного пара растёт. Пузырьки расширяются и под действием выталкивающей силы Архимеда отрываются от дна, всплывают и лопаются на поверхности. При этом пар, наполнявший пузырьки, уносится в атмосферу. Поэтому кипение и называют испарением, происходящим во всём объёме жидкости. Кипение начинается при той температуре, когда пузырьки газа имеют возможность расширяться, а это происходит, если давление насыщенного пара превышает атмосферное давление. Таким образом, температура кипения – это температура, при которой давление насыщенного пара данной жидкости равно атмосферному давлению. Пока жидкость кипит её температура остаётся постоянной.

Процесс кипения невозможен без участия архимедовой выталкивающей силы. Поэтому на космических станциях в условиях невесомости кипения нет, а нагрев воды приводит только к увеличению размеров пузырьков пара и их объединению в один большой паровой пузырь внутри сосуда с водой.

Критическая температура.

Также существует такое понятие как критическая температура, если газ находится при температуре выше критической (индивидуальна для каждого газа, например для углекислого газа примерно 304 К), то его уже невозможно превратить в жидкость, какое бы давление к нему не прилагалось. Данное явление возникает вследствие того, что при критической температуре силы поверхностного натяжения жидкости равны нулю.

Таблица 23. Критическая температура и критическое давление некоторых веществ

На что указывает существование критической температуры? Что будет при еще более высоких температурах?

Опыт показывает, что при температурах, более высоких чем критическая, вещество может находиться только в газообразном состоянии.

На существование критической температуры впервые указал в 1860 г. Дмитрий Иванович Менделеев.

После открытия критической температуры стало понятно, почему долго не удавалось превратить в жидкость такие газы, как кислород или водород. Их критическая температура очень низка (табл. 23). Чтобы превратить эти газы в жидкость, их нужно охладить ниже критической температуры. Без этого все попытки их сжижения обречены на неудачу.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: