Как обозначается конденсация в физике

Удельная теплота парообразования и конденсации

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

На данном уроке мы познакомимся с новым определением — удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 \space кг$ при температуре $100 \degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 \cdot 10^6 \space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар.

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Удельная теплота парообразования — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 \space кг$ в пар без изменения температуры.

• Обозначается буквой $L$
• Единица измерения удельной теплоты парообразования — $1 \frac$
• При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 \space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 \degree C$ выделяется $2.3 \cdot 10^6 \space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = \frac$) и удельную теплоту парообразования ($L = \frac$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Упражнения

Упражнение №1

У вас есть вода массой $2 \space кг$ с температурой $20 \degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 20 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$c = 4200 \frac$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:
$Q_1 = cm (t_2 — t_1)$.

$Q_1 = 4200 \frac \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 20 \degree C) = 8400 \frac \cdot 80 \degree C = 672 \space 000 \space Дж \approx 0.7 \cdot 10^6 \space Дж$.

Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:
$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 \cdot 10^6 \frac \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 \cdot 10^6 \space Дж + 4.6 \cdot 10^6 \space Дж = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №2

Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 \space кг$ от $100 \degree C$ до $0 \degree C$.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 100 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$
$c = 4200 \frac$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac$

$Q — ?$

Решение:

Температура $100 \degree C$ — это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.
Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:
$Q = Q_1 + Q_2$, где
$Q_1$ — количество выделенной теплоты при конденсации пара,
$Q_2$ — количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 \degree C$.

$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 \cdot 10^6 \frac \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 — t_2)$.
$Q_2 = 4200 \frac \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 0 \degree C) = 8400 \frac \cdot 100 \degree C = 840 \space 000 \space Дж \approx 0.8 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж + 0.8 \cdot 10^6 \space Дж= 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №3

Из чайника выкипела вода объемом $0.5 \space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 \degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды — $1000 \frac$.

Дано:
$V = 0.5 \space л$
$\rho = 1000 \frac$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac$

СИ:
$0.5 \cdot 10^ \space м^3$

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = \rho V$.

Тогда наша формула примет вид:
$Q = L\rho V$.

$Q = 2.3 \cdot 10^6 \frac \cdot 1000\frac \cdot 0.5 \cdot 10^ \space м^3 = 2.3 \cdot 10^6 \frac \cdot 0.5 \space кг = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

ОГЭ по физике — парообразование и конденсация

Привет! Посмотрим задачи на парообразование и конденсацию примерно уровня ОГЭ по физике.

Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

Скорость испарения зависит от рода жидкости.

Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Динамическое равновесие, это такое состояние, когда количество молекул воды, которое выходит из жидкости, равно количество молекул, которое входит в жидкость.

Внутренняя энергия, испаряющейся жидкости уменьшается.

Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Кипение

Кипение — это интенсивный переход в жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Для каждой жидкости своя температура кипения.

Температура кипения зависит от атмосферного давления. Чем ниже атмосферное давление, там ниже температура кипения. Например, высоко в горах, где атмосферное давление существенно меньше, чем нормальное, температура кипения воды может быть равна 77 °С.

Во время кипения температура жидкости не меняется.

Удельная теплота парообразования и конденсации

Во время кипения необходимо к жидкости подводить определённое количество теплоты.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразование.

Удельная теплота парообразование обозначается буквой L. Измеряется она в Дж/кг.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно воспользоваться формулой:

Q — количество теплоты в (Дж), m — масса в (кг).

Конденсируясь, пар отдаёт то количество энергии, которое пошло на его образование.

Для разных жидкостей разная удельная теплота парообразования.

Количество теплоты, которое выделяет пар массой m, конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

Задачи

Задача (Разминка)

Сколько энергии израсходовано на нагревание воды массой 1,5 кг от 20 до 100 °С и последующее преобразование этой воды в пар.

Найдём, сколько энергии потребовалось для того, чтобы нагреть 1,5 кг воды до 100 °С. Применим формулу, о которой мы говорили здесь.

Q 1 = c m ( t 2 − t 1 )
Q 1 = 4200 Д ж к г ⋅ ° С ⋅ 1 , 5 к г ⋅ ( 100 ° С − 20 ° С ) = 504 к Д ж

c — удельная теплоёмкость воды, m — масса воды, t₂ — конечная температура, t₁ — начальная температура.

Найдём количество энергии, которое потребуется для того, чтобы воды превратить в пар.

Q 2 = L m
Q 2 = 2 , 3 ⋅ 10 6 Д ж к г ⋅ 1 , 5 к г = 3450 к Д ж

Общее количество энергии получается:

Q = Q 1 + Q 2 = 504 к Д ж + 3450 к Д ж = 3954 к Д ж
Ответ: 3954 кДж

К жидкости подводится 1,5 кДж в минуту. По истечении некоторого времени вся жидкость превратилась в пар. На рисунке представлен график зависимости температуры жидкости от времени. Найдите количество теплоты, которое было затрачено на кипение жидкости.

Решение:

Сказано, что в начале вещество находилось в жидком состоянии. Мы видим, что на графике есть горизонтальный участок, он соответствует процессу кипения, т.к. при кипении температура жидкости не меняется.

Одна клеточка на рисунке соответствует 2,5 минутам. Получается кипение длилось 17,5 минут (7 клеток * 2,5 минуты). Найдём количество теплоты, которое пошло на процесс кипения:

Q = 17 , 5 м и н ⋅ 1 , 5 к Д ж / м и н = 26 , 25 к Д ж
Ответ: 26,25 кДж

Задача (Из льда в пар)

Какое количество теплоты потребуется, чтобы из льда массой 3 кг, взятого при температуре -5 °С, получить пар при 100 °С ?

Найдём количество теплоты, которое потребуется, чтобы нагреть лёд до температуры плавления. Лёд плавится при 0 °С. Ищем количество теплоты по формуле из этой статьи.

Q 1 = c л m ( t 2 − t 1 ) = 2100 Д ж к г ⋅ ° С ⋅ 3 к г ⋅ ( 0 ° С − ( − 5 ° С ) ) = 31500 Д ж

Обратите внимание, что удельная теплоёмкость льда отличается от удельной теплоёмкости воды.

Найдём количество теплоты, которое потребуется для плавления льда. Об этом мы говорили в этой статье.

Q 2 = λ ⋅ m = 34 ⋅ 10 4 Д ж к г ⋅ 3 к г = 1020 к Д ж

Найдём количество теплоты, которое потребуется для того, чтобы нагреть воду с 0 °С до 100 °С (температуры кипения).

Q 3 = c в m ( t 3 − t 2 ) = 4200 Д ж к г ⋅ ° С ⋅ 3 к г ⋅ ( 100 ° С − 0 ° С ) = 1260 к Д ж

Вычислим количество теплоты, которое нужно, чтобы превратить воду в пар при температуре кипения.

Q 4 = L m = 2 , 3 ⋅ 10 6 Д ж к г ⋅ 3 к г = 6900 к Д ж

Найдём общее количество теплоты.

Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4
Q = 31 , 5 к Д ж + 1020 к Д ж + 1260 к Д ж + 6900 к Д ж = 9211 , 5 к Д ж
Ответ: 9211,5 кДж

Задача (Конденсация пара)

В калориметре находится вода массой m_в = 1,5 кг при температуре t₁ = 20 °C. Сколько пара, имеющего температуру t₂=100 °C, нужно добавить в калориметр, чтобы температура в нём поднялась до t₃=50 °C. Ответ дайте в граммах и округлите до целых.

Мы говорили в ранее опубликованных статьях (статья 1, статья 2) об уравнении теплового баланса. В этой задаче будем так же пользоваться этим приёмом.

Когда пар попадёт в калориметр, он начнёт конденсироваться. При конденсации пар отдаёт свою энергию. Напишем формулу для вычисления выделенной энергии.

L — удельная теплота парообразования воды, m_п — масса пара.

Так же конденсированная вода должна остудится со 100 °С до 50 °С. Она ещё выделит некоторое количество теплоты:

Q 2 = c m п ( t 3 − t 2 )

c — удельная теплоёмкость воды. Здесь мы из конечной температуры вычитаем начальную, тогда в уравнении теплового баланса нужный знак встанет автоматически.

Найдём количество теплоты, которое должна получить вода в калориметре, чтобы достичь 50 °С.

Q 3 = c m в ( t 3 − t 1 )

Напишем уравнение теплового баланса.

− Q 1 + Q 2 + Q 3 = 0

Здесь Q₁ имеет отрицательный знак, т.к. пар, конденсируясь, отдаёт свою энергию. Когда речь идёт о формуле Q = cm△t, знак встаёт автоматически, если △t — это конечная температура минус начальная.

− L m п + c m п ( t 3 − t 2 ) + c m в ( t 3 − t 1 ) = 0

Выразим массу пара m_п.

m п = − c m в ( t 3 − t 2 ) c ( t 3 − t 2 ) − L
m п = − 4200 Д ж к г ⋅ ° С ⋅ 1 , 5 к г ⋅ 30 ° С 4200 Д ж к г ⋅ ° С ⋅ ( − 50 ° С ) − 2 , 3 ⋅ 10 6 Д ж к г ≈ 75 г
Ответ: 75 г

В электрический чайник налили холодную воду при температуре t₁=10 °C. Через τ₁ = 10 минут после включения чайника вода закипела. Через какое время она полностью испарится ? Ответ напишите в минутах и округлите до целых.

Пусть в единицу времени от чайника к воде подводится w энергии.

Распишем формулу для количества теплоты, которое потребовалось, чтобы довести воду до температуры кипения (t₂ = 100 °С).

Q 1 = c m ( t 2 − t 1 ) = w ⋅ τ 1

c — удельная теплоёмкость воды, m — масса воды в чайнике. Но с другой стороны это количество теплоты равно w ∙ τ₁.

Чтобы вода испарилась, потребуется следующее количество энергии:

Q 2 = L m = w ⋅ τ 2

L — удельная теплота парообразования воды, τ₂ — время за которое вся вода превратится в пар.

Выразим из первого уравнения m поставим во второе.

L ⋅ w ⋅ τ 1 c ( t 2 − t 1 ) = w ⋅ τ 2
τ 2 = L ⋅ τ 1 c ( t 2 − t 1 )
τ 2 = 2 , 3 ⋅ 10 6 Д ж к г ⋅ 10 м и н 4200 Д ж к г ⋅ ° С ( 100 ° С − 10 ° С ) ≈ 61 м и н
Ответ: 61 мин

Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары

У всех веществ есть три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное, которые проявляются при особых условиях.

Существует зависимость между количеством молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в течение одной секунды, и температурой этой жидкости. Скорость процесса конденсации зависит от концентрации молекул пара и скорости их теплового движения, которая, в свою очередь, также находится в прямой зависимости от температуры. Следовательно, можно сделать вывод, что при равновесии жидкости и ее пара концентрация молекул будет определяться равновесной температурой. При повышении температуры необходима высокая концентрация молекул пара, чтобы испарение и конденсация стали одинаковыми по скорости.

Поскольку, как мы уже выяснили, концентрация и температура будут определять давление пара (газа), мы можем сформулировать следующее утверждение:

В виде формулы это можно записать так:

Для описания ненасыщенного пара допустимо использовать и уравнение состояния идеального газа с учетом обычных для реального газа ограничений: не слишком большого давления пара ( p ≤ ( 10 6 – 10 7 ) П а ) и температуры выше значения, определенного для каждого конкретного вещества.

Для описания насыщенного пара применимы законы идеального газа. Однако при этом давление для каждой температуры должно быть определено по кривой равновесия для данного вещества.

Чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара. Эту зависимость из законов идеального газа вывести нельзя. При условии постоянной концентрации молекул давление газа будет постоянно возрастать прямо пропорционально температуре. Если пар является насыщенным, то с ростом температуры будет расти не только концентрация, но и средняя кинетическая энергия молекул. Из этого следует, что чем выше температура, тем быстрее растет давление насыщенного пара. Этот процесс происходит быстрее, чем рост давления идеального газа при условии постоянной концентрации молекул в нем.

Что такое кипение

Выше мы указывали, что испарение идет в основном с поверхности, но оно также может происходить и из основного объема жидкости. Любое жидкое вещество включает в себя мелкие газовые пузырьки. Если внешнее давление (т.е. давление газа в них) уравнять с давлением насыщенного пара, то произойдет испарение жидкости внутри пузырьков, и они начнут наполняться паром, расширяться и всплывать на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, температура кипения зависит от внешнего давления.

Многие вещества достигают тройной точки при давлении меньше 1 а т м ≈ 10 5 П а . Они плавятся при нагревании в атмосферном давлении. Так, у воды тройная точка имеет координаты T т р = 273 , 16 К , p т р = 6 , 02 · 10 2 П а . Именно на ней основана абсолютная температурная шкала Кельвина.

У некоторых веществ достижение тройной точки происходит и при давлении выше 1 а т м .

Например, для углекислоты нужно давление в 5 , 11 а т м и температура T т р = 216 , 5 К . Если давление равно атмосферному, то для поддержания ее в твердом состоянии нужна низкая температура, а переход в жидкое состояние становится невозможен. Углекислота в равновесии со своим паром при атмосферном давлении называется сухим льдом. Это вещество не способно плавиться, а может только испаряться (сублимировать).

Испарение и конденсация: особенности процесса

Испарение и конденсация — что это за процессы в физике

Определение

Парообразование представляет собой явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное.

Процессы парообразования классифицируют на два типа:

Жидкость может испаряться с поверхности в любых температурных условиях. К примеру, высыхание лужи можно наблюдать, когда температура окружающей среды составляет 10, 20 или 30 °C. Исходя из этого, можно сформулировать физическое определение процесса испарения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Определение

Испарение является процессом, при котором вещество переходит из жидкого состояние в газообразное с поверхности жидкости при любой температуре.

В процессе испарения молекулы высвобождаются из жидкости. При этом энергия жидкого вещества уменьшается вместе с понижением температуры. Практическим подтверждением таких изменений являются ощущения человека после купания. После выхода из водоема чувствуется холод. При этом, если наблюдается ветреная погода, то испарение протекает интенсивнее, и становится холоднее, чем при отсутствии ветра.

Примечание

Испарение характерно не только для жидкостей, но и для твердых тел. В качестве пояснения можно привести пример испарения льда. Это подтверждает процесс высыхания белья после стирки на морозе. Запах нафталина объясняется его испарением. Во время тушения пожаров применяют легко испаряющиеся жидкости.

Процесс испарения жидкости объясняет молекулярно-кинетическая теория. Молекулы вещества, находящегося в жидком состоянии, непрерывно перемещаются с разными скоростями. Определенные из них, обладающие самой большой скоростью и расположенные на границе поверхности жидкости и воздуха, со сравнительно большой энергией способны преодолеть притяжение соседних молекул, и покинуть жидкость. В результате образуется пар.

В связи с тем, что в процессе испарения жидкость покидают молекулы с большей внутренней энергией по сравнению с остальными, средняя скорость и средняя кинетическая энергия жидкости уменьшаются, за счет чего вещество остывает.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее родом. Например, эфир переходит в газообразное состояние быстрее, чем вода или растительное масло. Также на скорость испарения влияет движение воздуха над поверхностью жидкости. Практически это можно проверить с помощью сушки вещей на открытом воздухе. Если на улице ветрено, белье высыхает быстрее.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее температурой. В качестве примера можно рассмотреть воду, которая при 30 °C испарится быстрее, чем та же вода при температуре в 10 °C. Если воду налить в блюдце, то процесс ее испарения будет протекать быстрее по сравнению с испарением воды в стакане. Следовательно, на показатель скорости испарения оказывает влияние площадь поверхности жидкости.

Определение

Кипение является процессом интенсивного парообразования, протекающим в условиях нагрева жидкости, не только с поверхности, но и внутри нее.

Кипение представляет собой отдельный вид парообразования. Каждое вещество обладает определенной температурой кипения. В процессе испарения можно наблюдать не только образование пара, но и трансформацию молекул вещества из парообразного состояния в жидкое.

В качестве примера рассмотрим опыт с водой в стеклянной колбе. При повышении температуры жидкости спустя некоторое время возникают пузырьки. Они содержат воздух и насыщенный водяной пар, образованный в результате испарения воды внутри пузырьков. С повышением температуры можно наблюдать повышение давления внутри пузырьков, которые движутся вверх под действием выталкивающей силы.

В верхнем слое воды температура меньше, чем в нижнем. В пузырьках начинает происходить конденсация пара, что способствует уменьшению их объема. При равномерном нагреве воды пузырьки с паром поднимаются на поверхность и лопаются, после чего пар высвобождается во внешнюю среду. Вода кипит. Процесс протекает при определенной температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Температура, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Данный параметр определяется атмосферным давлением. Если оно повышается, то температура кипения будет выше. Опытным путем доказано, что при кипении температура жидкости сохраняет стабильное значение, несмотря на поступлении энергии из внешней среды.

Жидкость трансформируется в пар при кипении, что обусловлено отдалением молекул друг от друга и преодолением ими взаимного притяжения. Работа в этом случае совершается за счет подводимой к жидкости энергии.

Процесс заканчивается, когда весь объем жидкости будет преобразован в пар. Так как температура жидкости и пара во время кипения одинаковая, средняя кинетическая энергия молекул остается стабильной. В этом случае увеличивается только их потенциальная энергия.

На графике можно проследить взаимосвязь между температурой воды и временем при ее нагреве от комнатной температуры до температуры кипения (АБ), кипении (БВ), нагревании пара (ВГ), охлаждении пара (ГД), конденсации (ДЕ) и последующего охлаждения (ЕЖ).

Определение

Конденсация является процессом превращения пара в жидкость.

При конденсации пара выделяется энергия. В окружающем мире можно наблюдать данное явление, когда в вечернее время летом при понижении температуры воздуха выпадает роса. Она представляет собой водяной пар, который содержится в воздухе. В процессе охлаждения пар конденсируется, и капли воды оседают на траве.

Конденсация протекает в одно время с испарением. Молекулы, которые покидают жидкость и находятся над ее поверхностью, движутся хаотично. При столкновении с соседними молекулами в определенный момент времени они приобретают скорость, направленную к поверхности жидкости, и возвращаются в жидкую среду.

В открытом сосуде вещества испаряются быстрее, чем происходит конденсация. При этом жидкость теряет в массе. Пар, который формируется над поверхностью жидкости, является ненасыщенным.

При помещении жидкости в закрытый сосуд поначалу количество покинувших ее молекул превышает число вернувшихся обратно. Со временем плотность пара, находящегося над жидкостью, повышается да такого значения, что число молекул, которые высвобождаются из жидкости, становится равным числу молекул, вернувшихся в жидкость. При этом наступает динамическое равновесие жидкости с ее паром.

В состоянии динамического равновесия пар является насыщенным. Когда резервуар с жидкостью и насыщенным паром нагревают, возрастает количество молекул, покидающих жидкость. Постепенно оно становится больше, чем число молекул, возвращающихся в жидкую среду.

Со временем равновесие восстанавливается, однако увеличиваются показатели плотности и давления пара, находящегося над жидкостью. В качестве примеров конденсации можно привести:

• облака;
• запотевшие окна и краны, по которым течет холодная вода;
• туман у носика чайника.

Влажность воздуха

Воздух при любых условиях содержит водяной пар, который образован в результате испарения воды. Влажность характеризует концентрацию водяного пара в воздухе.

Определение

Абсолютная влажность воздуха \((\rho)\) представляет собой массу водяного пара, который содержится в 1 м³ воздуха, или является плотностью водяного пара, содержащегося в воздухе.

В том случае, когда относительная влажность воздуха составляет \(9,41*10^ kg/m^\) , в 1 м³ содержится \(9,41*10^ kg\) водяного пара. Относительная влажность – это величина, которая характеризует степень влажности воздуха.

Определение

Относительная влажность воздуха \((\varphi)\) является величиной, равной отношению плотности \((\rho)\) , которой обладает водяной пар, содержащийся в воздухе, к плотности насыщенного водяного пара \(\rho _\) при этой температуре.

Формула расчета относительной влажности имеет вид:

Температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, является точкой росы. Влажность измеряют с помощью психрометра, который состоит из влажного и сухого термометров. По показаниям этим приборов можно определить по таблице относительную влажность воздуха.

Процесс образования пара, что при этом происходит

В процессе испарения молекулы покидают жидкость, а также уносят с собой часть ее внутренней энергии. Известно, что температура оказывает влияние на скорость, с которой движутся молекулы. При одинаковой температуре скорость молекул, расположенных рядом, может несильно отличаться.

Однако определенная часть молекул будет перемещаться так быстро, что способна преодолеть притяжение других молекул, и покинуть жидкость. Данные молекулы испаряются, унося с собой энергию. Испарение является эндотермическим процессом, то есть протекает с поглощением энергии, которая высвобождается вместе с молекулами.

В результате потерь тепловой энергии в процессе испарения жидкость остывает. При повышении скорости испарения температура понижается сильнее. В том случае, когда жидкость испаряется медленно, тепловые потери восполняются. Это объясняется частичной отдачей тепловой энергии молекулами окружающего воздуха молекулам жидкости, что исключает значительное понижение ее температуры.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от нескольких факторов. К ним относят:

• силу притяжения молекул к соседним, что определяется родом вещества;
• площадь поверхности жидкости;
• движение воздуха над поверхностью вещества;
• температуру.

Известно, что жидкости испаряются с неодинаковой скоростью. К примеру, вода будет испаряться медленнее, чем ацетон, так как сила притяжения молекул воды друг к другу больше, чем аналогичный показатель, характерный для молекул ацетона.

Примечание

В физике принято говорить не о силе притяжения молекул, а об их потенциальной энергии взаимодействий. Данная формулировка применима для описания процесса испарения веществ.

Скорость испарения также определяется движением воздуха над ее поверхностью. Некоторые молекулы, которые испаряются, не обладают запасом кинетической энергии. Такие молекулы находятся вблизи вещества и возвращаются через какое-то время обратно. Если дует ветер, то такие молекулы улетают без возможности вернуться назад. Таким образом, скорость испарения жидкости увеличивается.

Известно, что молекулы испаряются с поверхности. В связи с этим, испарение веществ происходит быстрее, если площадь поверхности больше.

Жидкости испаряются, независимо от температуры. При нагреве процесс ускоряется. Это связано с ростом числа молекул, которые обладают энергией, достаточной для высвобождения из вещества. Когда температура повышается, увеличивается количество молекул с кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию взаимодействия молекул с соседними молекулами.

Какое количество теплоты выделяется

Вещества трансформируются из жидкого состояния в газообразное с неодинаковыми затратами энергии. Данная величина определяется, как удельная теплота парообразования.

Определение

Удельная теплота парообразования (L) является величиной, равной отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

В СИ удельная теплота парообразования обозначается, как L, и измеряется в Дж/кг.

Вычислить количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы вещество с массой m превратилось из жидкости в газ, можно путем умножения удельной теплоты парообразования L на массу вещества:

В процессе конденсации пара будет выделено некоторое количество теплоты. Ее величина равна количеству теплоты, которое необходимо израсходовать для того, чтобы превратить жидкость в пар при той же температуре.

Насыщенный, ненасыщенный и перенасыщенный пар

Определение

Паром жидкости называют газообразное состояние данной жидкости.

Над жидкостью всегда присутствуют ее пары, образованные в результате испарения этой жидкости. Благодаря диффузии, молекулы частично возвращаются обратно в вещество.

Определение

Ненасыщенный пар образуется в том случае, когда количество молекул, высвобождающихся из жидкости, больше числа молекул, вернувшихся в жидкость за тот же промежуток времени.

Определение

Насыщенный пар является паром, который находится в равновесии со своей жидкостью.

Пар насыщенный, если количество молекул, которые покинули жидкость в течение определенного времени, равно числу молекул, вернувшихся в жидкость за это же время. В этом случае допустимо говорить о динамическом равновесии пара и жидкости.

Получить насыщенный пар можно опытным путем, например, при ограничении объема над поверхностью воды. В таком случае процесс может длиться только до определенного момента. Когда пар становится насыщенным, то большей концентрации молекул (значит, и давления) насыщенного пара при той же температуре достичь нельзя.

Таким образом, давление насыщенного пара обладает единственным значением, которое определяется лишь его температурой. При уменьшении насыщенного пара в объеме при стабильной температуре происходит конденсация пара в жидкость, в связи с тем, что концентрация частиц и давления пара достигают максимального значения.

Особенность пара состоит в том, что его давление р не превышает давление насыщенного пара \(p_\) , то есть \(p\leq p_\) . Давление \(p_\) определяется лишь температурой. Данное значение можно взять из справочника. Когда \(p< p_\) , пар является ненасыщенным, а при \(p= p_\) – насыщенным.

В любых процессах пар рассматривают в виде трехатомного газа. Тогда i, то есть число степеней свободы у молекул пара, равно 6. Молярная емкость \(c_\) при стабильном объеме составляет 3R. Тога внутренняя энергия пара равна:

где \(\nu\) является количеством моль пара.

Если рассмотреть какой-то объем пара, запертый в резервуаре под поршнем, то при отводе и подводе тепла ненасыщенный пар будет вести себя, как обычный газ. Его масса будет оставаться стабильной в отличие от массы насыщенного пара, которая может изменяться.

В случае ненасыщенного пара применимы законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, а для насыщенного – нет. Можно рассмотреть поведение пара при различных условиях на практических примерах.

Имеется некий закрытый сосуд объемом 0,5 л при температуре \(^\circ C\) , в котором находятся в равновесии пары воды и капля воды. Необходимо вычислить массу водяного пара в сосуде. Следует учесть, что при температуре \(^\circ C\) давление насыщенного пара соответствует атмосферному, поэтому \(p=^5\) Па. Уравнение Менделеева-Клапейрона имеет вид:

По аналогии с молярной массой воды можно определить молярную массу водяного пара:

Можно перевести единицы в систему СИ, тогда:

объем сосуда \(V=0,5\ l=5\cdot ^\ m^3\)

температура пара \(T=373\ K\)

В таком случае, водяной пар обладает массой:

В другом примере рассматривается сосуд объемом 1 л при температуре \(^\circ C\) , в котором находятся в равновесии вода, водяной пар и азот. Объем жидкой воды намного меньше, чем объем резервуара. Давление в сосуде равно 300 кПа, атмосферное давление составляет 100 кПа. Необходимо вычислить общее количество пара, парциальное давление азота в системе, массу водяного пара, массу азота.

В первую очередь следует обратиться к уравнению Менделеева-Клапейрона для водяного пара и азота:

Исходя из этого, можно рассчитать общее количество вещества в газообразном состоянии:

Необходимо перевести величины в СИ:

давление в сосуде \(p=300\ kPa=3\cdot ^5\ Pa\)

температура \(T=373\ K\)

Согласно закону Дальтона, давление в сосуде равно:

Исходя из этого, парциальное давление азота:

При температуре \(^\circ C\) давление насыщенного пара такое же, как атмосферное:

Масса водяного пара:

Молярная масса водяного пара:

Молярная масса азота:

Перенасыщенным или пересыщенным паром называют пар, который получается из насыщенного при увеличении давления при стабильной температуре.

Перенасыщенный пар получают двумя методами:

• повышение давления;
• охлаждение насыщенного пара.

Пересыщенный пар является метастабильным. Данное понятие означает то, что пар остается в стабильном состоянии в течение длительного времени. Однако при изменении температуры снижается давление, и начинается конденсация. В результате пар становится насыщенным, то есть устанавливается динамическое равновесие.

Описание процесса перехода пара в жидкость, формула

В процессе конденсации пар превращается в жидкость. При этом количество частиц вещества, которые возвращаются в жидкость в течение определенного времени, превышает число молекул, высвобождающихся из жидкости. Испарение и конденсацию можно наблюдать повсеместно.

К примеру, когда вода испаряется с поверхности водной оболочки планеты (гидросферы), почвы и растений, в воздухе в любое время будет содержаться водяной пар. В процессе его конденсации формируются облака, и выпадают осадки.

Над свободной поверхностью постоянно присутствуют ее пары. В том случае, когда резервуар с жидкостью открыт, при стабильной температуре концентрация молекул пара изменяется, уменьшаясь и увеличиваясь. В замкнутом пространстве при определенной температуре процесс испарения протекает до некого момента.

Это обусловлено одновременным испарением и переходом водяного пара в жидкость. Таким образом, при повышении температуры, плотность и давление насыщенного пара также увеличиваются. Примерную зависимость данных показателей описывает уравнение состояния идеального газа:

Давление насыщенного пара при стабильном объеме увеличивается из-за роста температуры жидкости и повышения концентрации молекул пара, его плотности и массы. Поэтому рассматриваемая зависимость является приближенной.

В начальный момент времени скорость роста давления насыщенного пара больше, чем аналогичный показатель идеального газа. При испарении всей жидкости пар перестает быть насыщенным, а его давление при стабильном объеме увеличивается прямо пропорционально температуре.

Из этого следует, что при неизменной температуре давление и плотность насыщенного пара не определяется занимаемым им объемом. Давление и плотность насыщенного пара при определенной температуре являются максимальными для пара, находящегося в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Когда объем ненасыщенного пара уменьшается, давление растет так же, как изменяется давление при уменьшении объема идеального газа. По достижению некого объема пар становится насыщенным. Дальнейшее сжатие приводит к превращению пара в жидкость. Когда весь пар трансформируется в жидкость, последующее уменьшение объема спровоцирует резкий рост давления, так как жидкости плохо сжимаются.

При температуре, превышающей некоторое значение, при любом сжатии пар не превратиться в жидкость. Таким образом, переход вещества из газообразного состояния в жидкое возможен не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется критической температурой. Для каждого вещества характерна определенная критическая температура.

Примечание

Если температура вещества выше, чем критическая, то его состояние называют газом. Когда температура вещества ниже, чем критическая, пар может перейти в жидкое состояние. В таком случае он называется паром.

Примерную зависимость между давлением насыщенного пара и его плотностью описывают формулой:

Где применяются процессы испарения и конденсации

Данные процессы активно применяются в технике и широко распространены в природе. На тепловых электростанциях вода превращается в пар, вращающий турбину. Отработанный пар после конденсации применяют для отопления разных объектов.

С помощью испарения сушат древесину, ягоды, разные материалы. Конденсация нередко используется для очистки воды. При этом грязную воду трансформируют в пар. Другие популярные области использования рассматриваемых процессов:

• организация холодильного процесса в холодильниках;
• снижение температуры воды в градирнях;
• разделение веществ в ректификационной колонне;
• сушка воздуха.

Процесс испарения активно используется в энергетике, холодильной технике, сушильном оборудовании, испарителях. К примеру, спускаемые аппараты в космической технике покрыты веществами, которые способы быстро испаряться. За счет испарения происходит охлаждение корпуса аппарата, когда он преодолевает слои атмосферы.

В природе можно наблюдать масштабное явление под названием круговорот воды. Следует отметить, что влажность воздуха влияет на здоровье человека. Данный показатель контролируют и регулируют при хранении книг, картин, овощей, фруктов, продуктов питания, древесины.

Идея процессов испарения и конденсации лежит в основе устройства дистиллятора. С его помощью получают химически чистую воду, которую, к примеру, используют для заливки автомобильных аккумуляторов. Перенасыщенный пар используют в камере Вильсона, что позволяет визуализировать и фотографировать частицы для изучения их поведения.

Насколько полезной была для вас статья?