Насыщенный пар зависимость давления насыщенного пара от температуры кипение 10 класс конспект
Обновлено: 06.07.2024
Испарение – процесс превращения жидкости в пар, происходящий с поверхности жидкости.
Конденсация – процесс превращения пара в жидкость.
Кипение – это процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости при температуре кипения при определенной температуре кипения и внешнем давлении.
Динамическое равновесие – состояние, при котором число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.
Пар – состояние вещества при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость.
Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Ненасыщенный пар – если пар постепенно сжимают при постоянной температуре, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют насыщенным.
Давление насыщенного пара – давление pн.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром.
Критическая температура – максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость.
Абсолютная влажность – плотность водяного пара в воздухе.
Относительная влажность – отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению pн.п. насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах.
Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.
Точка росы – температура, при которой водяной пар становится насыщенным.
Гигрометр, психрометр – приборы для измерения влажности воздуха
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 225 – 234.
2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2009. – С. 78 – 80.
3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 13-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. С. 529 – 556.
Открытые электронные ресурсы:
Основное содержание урока
Идеальный газ нельзя превратить в жидкость. В жидкость можно превратить реальный газ.
Вы уже знакомы с процессами испарения, конденсации и кипения. Если число молекул, покидающих жидкость за определённый промежуток времени, больше числа молекул, возвращающихся в неё, то мы наблюдаем испарение. Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул имеет достаточную для вылета из жидкости кинетическую энергию, тем быстрее идет испарение. Если число молекул, возвращающихся в жидкость, будет больше, покидающих её, то мы наблюдаем процесс конденсации.
Кипение – это процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости при температуре кипения при определенной температуре кипения и внешнем давлении.
Динамическое равновесие – состояние, при котором число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.
Пар – состояние вещества при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость.
Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, - паром.
Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Если пар постепенно сжимают при постоянной температуре, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют насыщенным
Давление насыщенного пара – давление pн.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром.
Газовые законы для насыщенного пара несправедливы. В то же время состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Менделеева-Клапейрона.
Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны.
Так как давление насыщенного пара не зависит от объёма, то, следовательно, оно зависит только от температуры.
Однако эта зависимость, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объёме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа.
Критическая температура – максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость.
Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объёма при постоянной температуре) изменяется масса пара.
Абсолютная влажность – плотность водяного пара в воздухе.
Относительная влажность – отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению pн.п. насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:
Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.
Точка росы – температура, при которой водяной пар становится насыщенным.
Гигрометр, психрометр – приборы для измерения влажности воздуха.
Разбор тренировочных заданий
1. Относительная влажность воздуха в закрытом сосуде с поршнем равна 40%. Объем сосуда за счет движения поршня медленно уменьшают при постоянной температуре. В конечном состоянии объем сосуда в 3 раза меньше начального. Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений, и укажите их номера.
1. При уменьшении объема сосуда в 2,5 раза на стенках появляется роса.
2. Давление пара в сосуде все время увеличивается.
3. В конечном и начальном состоянии масса пара в сосуде одинакова.
4. При уменьшении объема в 2 раза относительная влажность воздуха в сосуде стала равна 80%.
5. В конечном состоянии весь пар в сосуде сконденсировался.
После уменьшения объёма в 2 раза относительная влажность воздуха увеличилась в 2 раза и стала 80%. Когда объём стал в 2,5 раза меньше первоначального, относительная влажность достигла 100%, после чего водяные пары начинают конденсироваться на стенках. При дальнейшем уменьшении объёма давление водяных паров оставалось постоянным. В конечном состоянии не весь пар в сосуде сконденсировался.
Верны первое и четвёртое утверждения.
2. Относительная влажность воздуха равна 42%, парциальное давление пара при температуре 20 °С равно 980 Па. Каково давление насыщенного пара при заданной температуре? (Ответ дать в паскалях, округлив до целых.)
Относительная влажность воздуха связана с парциальным давлением пара при некоторой температуре и давлением насыщенных паров при той же температуре соотношением
φ = (p/pн.п.) ∙ 100%. Отсюда находим давление насыщенного пара при 20 °С:
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Цели урока: познакомить учащихся с новыми понятиями – насыщенный и ненасыщенный пар, абсолютная и относительная влажность, точка росы; со способами измерения влажности; ознакомить с приборами для измерения влажности воздуха.
· сформировать представление о насыщенном и ненасыщенном паре, абсолютной и относительной влажности воздуха, точке росы;
· продемонстрировать способы измерения влажности воздуха при рассмотрении приборов для ее измерения – гигрометра, психрометра;
· организовать деятельность учащихся по приобретению новых знаний;
· вызвать интерес учащихся к занятию, придать ему поисково-творческий характер.
· развивать у учащихся потребность в творческой деятельности, в самовыражении через различные виды работы;
· развивать умение анализировать информацию, пользоваться таблицами, справочниками и другими источниками информации.
· показать важность понятия влажности воздуха в жизнедеятельности человека;
· сформировать умение работать в команде.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование:
· компьютер и мультимедиа-проектор, презентация к уроку, презентации учащихся, психрометрическая таблица;
· термометр, кусочек марли, сосуд с водой комнатной температуры, гигрометр, психрометр.
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
3. Объяснение нового материала.
5. Первичное закрепление изученного материала.
6. Подведение итогов урока.
7. Домашние задание.
В течение урока процессы, физические явления, формулы, графики зависимости, таблицы, задачи, тесты, вопросы, демонстрируются с помощью презентации.
I. Изучение нового материала
Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности рек, озер, океанов, не является насыщенным, атмосфера - открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других - наоборот.
Содержание водяного пара в воздухе - его влажность - характеризуется рядом величин. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.
За характеристику влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара S, содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной влажностью S [г/м 3 ].
Абсолютные влажность и парциальное давление водяного пара связаны уравнением:
Парциальное давление водяного пара или абсолютная влажность ничего не говорят о том, насколько водяной пар далек от насыщения.
Для этого вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность:
Р - парциальное давление при данной температуре;
Р0 - давление насыщенного пара при той же температуре;
S - абсолютная влажность;
S0 - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись специальными таблицами.
При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара.
Температура t, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы.
Давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, равной точке росы, есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка росы также характеризует влажность воздуха.
Влажность воздуха можно определить специальными приборами.
С его помощью определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной влажности.
2. Волосяной гигрометр
Его действие основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности.
Применяется в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.
Обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.
Значение влажности воздуха для живых организмов
При температуре 20-25 °С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60 %. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое потоотделение является значительной нагрузкой для человека.
Относительная влажность ниже 40 % при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию. Особенно низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20 %. При низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими увлажнителями являются растения.
Если относительная влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый. Высокая влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100 % испарение вообще не может происходить - при таких условиях мокрая одежда или влажная кожа никогда не высохнут.
В современных зданиях производится кондиционирование воздуха - создание и поддержание в закрытых помещениях воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей. При этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.
Исключительное значение для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может стать насыщенным и начнет выпадать роса. Но при конденсации водяных паров выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к 0 °С, равна 2490 кДж/кг). Поэтому воздух у поверхности почвы при образовании росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения температуры и, во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать некоторые из этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.
IV. Повторение изученного
1. Что понимается под влажностью воздуха?
2. Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В каких единицах ее выражают?
3. Что такое упругость водяного пара?
4. Что называют относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?
5. Относительная влажность воздуха 70 %, что это значит?
6. Что называют точкой росы?
7. С помощью каких приборов определяют влажность воздуха?
8. Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком?
9. Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров и психрометра.
V. Решение задач
1. Плотность водяного пара при температуре 50 °С равна 83 г/м 3 . Насыщенный это пар или ненасыщенный?
Решение: Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо определить давление водяного пара при данной температуре.
Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона:
μ = 18 · 10 -3 кг/моль - молярная масса водяного пара, которая равна молярной массе воды Н2O.
Следовательно, при температуре 50 °С давление насыщенного пара ≈ 12,577 кПа. Определим по таблице давление насыщенного пара воды при температуре 50 °С. Оно равно 12,3 кПа, что меньше давления пара, рассчитанного в задаче, следовательно, пар является перенасыщенным.
(Ответ: Р = 12,4 кПа - пар перенасыщенный.)
2. Давление насыщенного пара спирта при 0 °С равно 1,6 кПа, а при 60 °С - 46,6 кПа. Сравнить значения плотности пара при этих температурах.
Плотность пара можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что плотность
С увеличением давления и температуры плотность пара увеличивается. Найдем отношение плотности при двух значениях давления Р и температуры Т, учитывая, что молярная масса не менялась.
T. е. при t° = 60 °С плотность паров спирта примерно в 24 раза больше плотности паров спирта при 0 °С. (Ответ: ≈ 24.)
3. При каком давлении вода будет кипеть при 21°С? (Ответ: Вода будет кипеть при температуре 21 °С при давлении 2,49 кПа.)
4. Может ли вода находиться в жидком состоянии при температуре 360 °С; 380 °С? (Ответ: при температуре 360 °С вода может находиться в жидком состоянии, а при температуре 380 "С вода находится в газообразном состоянии.)
5. В каком состоянии вещества плотность повышается с повышением температуры и почему это происходит? (Ответ: Плотность вещества повышается с повышением температуры в состоянии насыщенного пара, т. к. с увеличением температуры скорость движения частиц увеличивается, испарение происходит быстрее. Поэтому плотность насыщенного пара начинает повышаться и динамическое равновесие между жидкостью и паром наступает при большей плотности пара и при большей температуре.)
6. Почему в холодных помещениях часто бывает сыро? (Ответ: При низких температурах относительная влажность воздуха велика, а иногда достигает и 100 %, т. е. весь водяной пар, содержащийся в воздухе, является насыщенным. Поэтому стены, пол и т. п. в холодном помещении покрываются влагой, которая медленно испаряется.)
7. Почему зимой оконные стекла потеют, если в комнате много людей? (Ответ: Большое скопление людей в комнате повышает содержание водяного пара в воздухе, который близок к насыщению. В таком состоянии достаточно небольшого охлаждения воздуха, чтобы пар начал конденсироваться. Попадая на оконные стекла, пар конденсируется, т. е. идет процесс перехода вещества (водяного пара) из газообразного состояния в жидкое.)
8. Определите абсолютную влажность воздуха, если парциальное давление пара в нем 14 кПа, а температура 60 °С. (Ответ: с ≈ 9,1 · 10 -2 кг/м 3 ).
9. По гигрометру обнаружено появление росы при температуре 10 °С. Какова относительная влажность воздуха, если его температура 15 °С? (Ответ: φ = 71 %.)
10. Показания сухого термометра в психрометре 15 °С, влажного - 12 °С. Определите относительную влажность воздуха. (Ответ: φ = 71 %.)
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Тема: Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение. Испарение жидкостей.
Цели урока: повторить, обобщить и закрепить знания учащихся об испарении, кипении, конденсации, свойствах насыщенного и ненасыщенного пара;
- закрепить умения учащихся объяснять взаимные превращения жидкостей и газов на основе молекулярно-кинетической теории;
- продолжить работу над формированием умений учащихся анализировать и сравнивать физические процессы (испарение и кипение), свойства изучаемых объектов (насыщенного и ненасыщенного пара);
· Планируемые результаты
· Личностные: готовность к осознанному освоению образовательной траектории;
· Метапредметные: Формирование метапредметной деятельности студентов средствами мысленного эксперимента при изучении физических теорий. Умение строить логическое рассуждение, включая установление причинно-следственных связей;
Оборудование: таблицы, демонстрация зависимости температуры кипения от давления.
I.Оргмомент. Мотивация.
II.Проверка домашнего задания.
III . Изучение нового материала. Оформить в виде сравнительной таблицы
1. Испарение – это процесс перехода жидкости в пар (газообразное состояние).
Испарение происходит при любой температуре жидкости.
Пар - это газообразное состояние вещества, в которое переходят жидкости при испарении.
Молекулы жидкости при тепловом движении движутся с разными скоростями. Самые быстрые молекулы способны преодолеть притяжение остальных молекул и выскочить из жидкости.
Эти молекулы образуют пары в воздухе.
Скорость испарения жидкости зависит от:
- температуры (чем выше температура жидкости, тем большей скоростью обладают ее молекулы)
- от площади поверхности испаряющейся жидкости (чем больше площадь поверхности, тем большее число быстрых молекул покидает жидкость)
- от наличия ветра над поверхностью жидкости
Так как при испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие соответственно большей кинетической энергией, средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, значит температура жидкости при испарении понижается.
2. Насыщенный пар
В сосуд наливаем жидкость и закрываем его. Жидкость в сосуде начинает испаряться, и плотность пара над жидкостью в сосуде увеличивается.
В результате теплового движения часть молекул водяного пара возвращается в жидкость. Чем больше плотность водяных паров в сосуде, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость.
Через некоторое время в сосуде устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром:
число молекул, покинувших жидкость за какой-то отрезок времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость за такой же отрезок времени.
В сосуде образовался насыщенный пар.
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Давление насыщенного пара это давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром.
Давление и концентрация молекул (плотность) насыщенного пара при постоянной температуре не зависят от занимаемого паром объема.
Давление насыщенного пара зависит только от его температуры.
Давление насыщенного пара растет как вследствие повышения температуры жидкости, так и вследствие увеличения концентрации молекул пара.
3.Ненасыщенный пар
Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного пара при данной температуре.
Давление ненасыщенного пара зависит от его объема:
при уменьшении объема давление увеличивается, а при увеличении объема - уменьшается.
4.Кипение
Кипение - это процесс парообразования. При нагревании жидкости растворенный в жидкости газ начинает собираться в пузырьки по всему объему жидкости.
В дальнейшем испарение происходит не только с поверхности жидкости, но и внутрь пузырьков.
Внутри пузырьков образуется насыщенный пар.
С повышением температуры жидкости давление насыщенного пара в пузырьках растет, что ведет к увеличению объема пузырьков.
Под действием выталкивающей силы пузырьки всплывают к поверхности жидкости, лопаются и выбрасывают пар.
Кипение жидкости начинается при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным давлению в жидкости.
Температурой кипения называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или больше внешнего давления.
Температура кипения жидкости повышается с ростом внешнего атмосферного давления и понижается при его уменьшении.
Например:
В автоклавах для стерилизации медицинских инструментов создается повышенное давление, и кипение воды происходит при температуре значительно выше 100С.
На высокогорье, где атмосферное давление ниже нормального, температура кипения воды меньше, чем 100С.
Для поддержания кипения к жидкости надо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование, т.к. внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости такой же массы.
В процессе кипения температура жидкости остается постоянной
IV . Закрепление изученного материала
Индивидуальная работа (установить соответствие):
пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью
процесс перехода из газообразного состояния вещества в жидкое
от рода вещества, площади поверхности, температуры
Давление насыщенного пара зависит
температура, при которой жидкость кипит
процесс перехода из жидкого состояния вещества в газообразное
Температура кипения зависит
пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью
процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости при определенной температуре.
содержание водяных паров в атмосфере
от внешнего давления
V . Итог урока
VI . Домашнее задание: §
Тест. Вариант 1.
1.Пар находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называется…
а) ненасыщенным паром б) насыщенным паром в) газом
2.Скорость процесса испарения зависит…
а) только от площади свободной поверхности
б) только от рода вещества
в) от всех перечисленных факторов г) только от температуры
3. Температура кипения жидкости растет…
а) с ростом атмосферного давления б) не зависит от атмосферного давления
в) с ростом центров парообразования г) с понижением атмосферного давления
4. Для поддержания процесса кипения необходимо:
а) подводить некоторое количество теплоты б) процесс кипения не зависит от поступления энергии в) отводить некоторое количество теплоты
г) не закрывать сосуд герметично
5) Как изменится температура кипения жидкости при понижении внешнего давления?
а) повысится б) понизится в) не изменится
Тест. Вариант 2.
- Как изменяется температура воздуха при конденсации водяного пара, находящегося в воздухе?
а) понижается б) повышается в) не изменяется
2. Как изменится температура кипения жидкости при повышении внешнего давления?
а) повысится б) понизится в) не изменится
3) Как изменится температура жидкости при испарении?
а) понижается б) повышается в) не изменяется
4) В цилиндрическом сосуде под поршнем находится насыщенный пар при температуре Т. Как изменится давление насыщенного пара при увеличении его объема?
Идеальный газ нельзя превратить в жидкость. В жидкость превращается реальный газ. Как это происходит? Чем газ отличается от пара?
Поставим рядом 2 флакона с духами. Первый – хорошо закрытый флакон с духами может стоять очень долго, и количество духов в нем не изменится. Второй флакон оставим открытым. Взглянув на него через продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нем нет. Почему? Жидкость, в которой растворены ароматические вещества, испарилась.
Вспомните, как исчезает - испаряется (высыхает) лужа на асфальте? Мы не видим куда делась вода из лужи, но знаем, что, если высокая температура воздуха и дует ветер, то вода в луже испарится быстрее. Попробуем объяснить эти явления.
Молекулы жидкости двигаются беспорядочно. Чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определенное значение. Но у каждой молекулы кинетическая энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше средней. В какой-то момент кинетическая энергия отдельных молекул становится очень большой, и молекулы вылетают из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул. Процесс превращения жидкости в пар называется испарением.
При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определенный промежуток времени, больше числа молекул возвращающихся.
Вылетевшая молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость. Если дует ветер, то он быстро относит молекулы от поверхности жидкости, тем самым уменьшая вероятность возвращения молекул в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.
Чем выше температура жидкости, тем быстрее движутся молекулы, приобретая достаточную кинетическую энергию для вылета из жидкости, причем таких молекул с каждым моментом времени становится все больше. Поэтому при высоких температурах испарение идет быстрее.
При испарении жидкость покидают более быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. Это означает, что происходит понижение температуры жидкости. Рассмотрим несколько примеров.
1. Вы искупались и вышли из воды, вам становится холодно, потому что частицы воды испаряются, а у остальных понижается температура.
2. Смочив руку какой-нибудь быстро испаряющейся жидкостью (например, бензином или ацетоном), вы тут же почувствуете сильное охлаждение смоченного места. Охлаждение этого места усилится, если на руку подуть.
3. Вы налили в стакан горячий чай. Через некоторое время он остынет. Но здесь стоит сделать небольшую оговорку. В данном опыте происходит охлаждение воды не только в результате испарения воды, но и в результате теплообмена со стаканом и с окружающей средой.
Процесс испарения также зависит от площади поверхности жидкости, так как испарение происходит со свободной поверхности жидкости.
Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение ее будет происходить гораздо медленнее. Например, жирный суп остывает дольше, так как слой жира на его поверхности мешает выходу быстрых молекул воды. Жидкость почти не испаряется, и ее температура падает медленно (сам жир испаряется крайне медленно, так как его большие молекулы более прочно сцеплены друг с другом, чем молекулы воды).
Нам необходимо, чтобы жидкость нагрелась, а не испарилась. Что мы для этого сделаем?
Сосуд с жидкостью плотно закроем. Тогда количество жидкости в сосуде сначала уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. Почему? При постоянной температуре система жидкость - пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. В результате чего, в сосуде одновременно с процессом испарения будет происходить и конденсация, оба процесса в среднем будут компенсировать друг друга.
В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, жидкость будет испаряться и плотность пара над ней будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре установится динамическое (подвижное) равновесие между жидкостью и паром, т. е. число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно 1022 молекул за время, равное 1 с (на 1 см2 площади поверхности). Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это значит, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Если воздух из сосуда с жидкостью предварительно откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только ее насыщенный пар.
Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, сохраняя температуру содержимого цилиндра постоянной. При сжатии пара равновесие начнет нарушаться, так как плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ, потому что число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет.
Процесс будет продолжаться до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие, и концентрация его молекул не примет прежних своих значений. Делаем вывод: концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.
Давление пропорционально концентрации молекул: p=nkT.
Из этого определения видно, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.
Давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара, обозначают Пэ с индексом н. п.(эн пэ)
При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.
Особое внимание обратим на то, что газовые законы для насыщенного пара несправедливы, так как при любом объеме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково. Однако, состояние насыщенного пара очень точно описывается уравнением Менделеева - Клапейрона.
Если пар постепенно сжимают, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют ненасыщенным. Так как пар превращается в жидкость не при любой температуре, то при температуре выше некоторого значения, как бы мы ни сжимали газ, он никогда не превратится в жидкость. Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется критической температурой.
Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость - паром. Каждому веществу соответствует своя критическая температура.
У гелия критическая температура 4 кельвина.
У азота критическая температура 126 Кельвин.
Вывод: пар может превратится в жидкость, а газ нет.
Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны.
С ростом температуры давление растёт. Так как давление насыщенного пара не зависит от объёма, то, следовательно, оно зависит только от температуры.
При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление насыщенного пара растет вследствие повышения температуры и увеличения концентрации молекул(плотности) пара.
Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры в закрытом сосуде (или при изменении объёма при постоянной температуре) меняется масса пара.
Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.
Если мы будем нагревать жидкость, то при определенной температуре она закипит. Кипение - превращение жидкости в пар по всему объёму жидкости при постоянной температуре. Если говорить точнее, то происходит образование пара не только на поверхности, но и внутри жидкости. На рисунках видно образование пузырьков газа на дне сосуда, которые затем поднимаются вверх, а на поверхности воды они покидают жидкость.
Каждая жидкость имеет свою температуру кипения. Однако ее можно изменить, если изменить давление.
Температура кипения - температура жидкости, при которой давление её насыщенного пара равно или превышает внешнее давление.
Особенности жидкости при кипении:
1) при постоянном внешнем давлении температура жидкости постоянна,
2) с повышением внешнего давления температура кипения повышается, с понижением – понижается,
3) температура кипения зависит от наличия примесей.
Наглядным примером изменения температуры кипения может служить:
- кипение воды при нормальном атмосферном давлении 760 миллиметров ртутного столба,
- кипение воды в горах, там воздух разреженный и вода будет кипеть при более низкой температуре. Например, на высоте 7000 метров – температура кипения воды равна примерно 70 градусов Цельсия.
Читайте также: