Парообразование и конденсация

Парообразование и конденсация.        

1. Испарение. Существует три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.  

Переход вещества из жидкого  состояния в газообразное называется парообразованием, а обратный переход  – конденсацией. 
        Виды парообразования: испарение и кипение.         

Испарение обусловлено хаотическим  движением молекул и и происходит только со свободной поверхности, граничичащей с газообразной средой. Вылетая из жидкости, молекулы должны преодолеть силы притяжения, действующие со стороны других молекул, т.е. совершить работу выхода. Сделать это могут только быстрые молекулы. Таким образом, в жидкости остаются молекулы с малой кинетической энергией, поэтому жидкость при испарении охлаждается.

Испарение и конденсация всегда происходят одновременно, но один из этих процессов может преобладать. Скорость испарения зависит от: 
 – природы жидкости; 

– температуры;  
 – площади свободной поверхности;  

– плотности паров жидкости над поверхностью;  

– внешнего давления. 

Поскольку среднее расстояние между молекулами в жидком состоянии меньше, чем в газообразном, объем вещества при парообразовании увеличивается.

Парообразование сопровождается поглощением  теплоты из окружающей среды. Теплота  парообразования прямо пропорциональна  массе вещества: 
          
        Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости. 
        [L] = Дж/кг.

С ростом температуры удельная теплота  парообразования уменьшается.        

2. Насыщенный пар. Если плотность пара над поверхностью жидкости велика, то конденсация может происходить с той же скоростью, что и испарение, т.е. число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в нее. В таком случае говорят, что пар находится в состоянии подвижного равновесия со своей жидкостью. 
        Пар, находящийся в подвижном равновесии со свей жидкостью, называется насыщенным.

Покажем, что насыщенный пар газовым  законам не подчиняется. Пусть в  цилиндре с поршнем находится  ненасыщенный пар (рис. 6.1.A). При изотермическом сжатии давление и плотность увеличиваются  до тех пор пока пар не приходит в состояние насыщения (рис. 6.1.B). При дальнейшем сжатии в цилиндре появляется жидкость, а давление пара остается постоянным (рис. 6.1.C). После того как весь пар превращается в жидкость, дальнейшее сжатие ведет к резкому скачку давления (рис. 6.1.D).

 
Рис. 6.1.        

На рис. 6.2 показана зависимость  давления от объема в данном опыте, и отмечены точки A, B, C и D, отражающие состояния пара, изображенные на рис. 6.1. Пока в цилиндре ненасыщенный пар, сжатие происходит по изотерме в соответствии законом Бойля–Мариотта (участок AB). При дальнейшем сжатии объем жидкости увеличивается, а давление остается постоянным (участок BD). Таким образом, давление насыщенного пара не зависит от объема.

 
Рис. 6.2.        

Давление и плотность насыщенного  пара увеличиваются с ростом температуры. Плотность насыщенного пара показывает какое максимальное количество пара может содержаться в единице объема при данной температуре.        

Закон Дальтона:

Давление смеси  паров и газов равно сумме  давлений, создаваемых каждым из них  в отдельности, если между ними нет  химического взаимодействия. 
        Следствием закона Дальтона является утверждение: присутствие над поверхностью насыщенного пара одной жидкости не мешает испаряться другой.        

3. Влажность воздуха. 

Количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, называется абсолютной влажностью. 
        [ _а ] = г/м³.        

Относительная влажность  воздуха это число, показывающее сколько процентов от плотности  насыщенного пара при данной температуре  составляет абсолютная влажность. 
          
        Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы. 
        [t_р ] = °C        

4. Критическое состояние вещества. С повышением температуры плотность насыщенного пара увеличивается, а плотность жидкости в результате теплового расширения уменьшается (рис. 6.3).

 
Рис. 6.3.        

Температура, при которой  плотность жидкости и плотность  ее насыщенного пара становятся одинаковыми, называется критической. 
        При критической температуре различия между жидкостью и паром стираются. Вещество при этом находится в критическом состоянии, и параметры этого состояния называются критическими. Для воды, например, t_кр = 374 °C, p_кр = 219 атм, _кр = 329 кг/м³.        

5. Реальный газ.        

График изотермического процесса для идеального газа в координатах p,V представляет гиперболу. Для реального же газа экспериментальная изотерма имеет горизонтальный участок (рис. 6.4).

 
Рис. 6.4.        

Если состояние идеального газа описывается уравнением Клапейрона-Менделеева: 
        pV = RT,

то для описания состояния реального газа следует использовать экспериментально полученное уравнение Ван-дер-Ваальса: 
          
Параметры a и b в этом уравнении индивидуальны для каждого газа. Для воды, например, они равны: 
        

Параметры a и b могут быть выражены через критические параметры газа: 
          
здесь V_кр – объем 1 моля газа в критическом состоянии.        

6. Кипение. 
        Парообразование, происходящее в объеме всей жидкости при постоянной температуре, называется кипением.         

Условие кипения:        

Жидкость закипает при  такой температуре, при которой давление ее насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. 
        Таким образом, температура кипения жидкости не является фиксированной величиной. При понижении внешнего давления температура кипения уменьшается, а при повышении – увеличивается. 
        Вода, например, закипает при 100 °C только, если давление равно 1-й атмосфере. При давлении 0,5 атмосфер вода закипит при 80 °C, а при давлении 2 атмосферы – при 120 °C.