Парообразованием называется процесс
перехода вещества из жидкого состоянии в газообразное. Парообразование может произойти из твердого состояния. Такой процесс
называется возгонкой или сублимацией. Процесс перехода вещества из
твердого состоянии в газообразное называется возгонкой или сублимацией .
Парообразование, которое происходит при
любой температуре со свободной поверхности жидкости, называется испарением. Совокупность молекул, вылетевших из жидкости при парообразовании,
называется паром жидкости.
С точки зрения
молекулярно-кинетической теории испарение это процесс, при котором с
поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия
которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это
приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т.е. к
охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).
Для того,
чтобы температура жидкости при испарении не понижалась, необходимо к ней
подводить тепло. Эта теплота не вызывает повышения температуры и потому ее
называют внутренней скрытой теплотой испарения.
Если процесс
парообразования происходит в закрытом сосуде, то через некоторое время
количество жидкости перестает убывать, хотя молекулы жидкости продолжают переходить
в пар. В этом случае, вместе с процессом парообразования происходит обратный
процесс конденсации - превращения пара в жидкость.
Конденсация – процесс превращения пара в
жидкость.
Через некоторое время в закрытом сосуде с
жидкостью наступает динамическое равновесие между процессами парообразования и
конденсации: скорость парообразования становится равной скорости конденсации. С
этого момента перестают меняться количества жидкости и находящегося над ней
пара. Пар становится насыщенным.
Удельной
теплотой парообразования называется физическая величина, равная отношению
количества теплоты, необходимого для превращения жидкости массой 1 кг в пар при
температуре парообразования, к массе:
Количество теплоты, необходимое для
превращения массы m жидкости в пар, определяется по формуле:
При конденсации пар отдает то количество
энергии, которое было затрачено на его образование.
Конденсация
пара сопровождается выделением энергии. Удельная теплота парообразования равна
удельной теплоте конденсации при одной и той же температуре.
Причины, от которых зависит скорость испарения:
1.
от рода жидкости. Для разных жидкостей удельная теплота
парообразования разная, чем она больше, тем ниже скорость испарения;
2.
от температуры. Чем выше температура, тем больше
быстрых молекул в жидкости;
3.
от площади поверхности. Так как испарение — это
парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности
жидкости, то чем больше свободная поверхность жидкости, тем выше скорость испарения.
4.
давления воздуха над поверхностью. Чем выше
давление, тем больше возможность возвращения в жидкость испарившихся молекул и
ниже скорость испарения.
Любое вещество при определенных условиях
может находиться в различных агрегатных состояниях твердом, жидком и
газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым
переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.
Все реальные газы (кислород, азот, водород
и т.д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако
превращение газа в жидкость может происходить только при температурах ниже
определенной, так называемой критической температуры Tкр. Например,
для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для
кислорода 154,3 К. При комнатной температуре ( 300 К) вода может
находиться и в жидком и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют
только в виде газов.
В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут
находиться в состоянии динамического равновесия. Состоянием
динамического равновесия называется такое состояние, когда число молекул,
вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара,
т.е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Пар,
находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.
Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности
жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул,
возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от
средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара.
Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при
равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой.
Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации
при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул
пара. Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и
температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара p0
данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема.
Поэтому изотермы реальных газов на плоскости (p, V) содержат горизонтальные
участки. На рисунке 2 изображены
изотермы реального газа. Область I жидкость, область II жидкость + насыщенный
пар, область III газообразное вещество. K критическая точка. Если
изотермически сжимать ненасыщенный пар при T < Tкр, то
его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара.
При дальнейшем уменьшении объема на дне сосуда образуется жидкость и
устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.
С уменьшением объема все большая часть пара конденсируется, а его давление
остается неизменным (горизонтальный участок на изотерме рис. 2). Когда весь пар
превращается в жидкость, давление резко возрастает при дальнейшем уменьшении
объема вследствие малой сжимаемости
жидкости.
При повышении температуры давление насыщенного пара
и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового
расширения. При температуре, равной критической температуре Tкр для
данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. Граница
между ними исчезает. При T > Tкр исчезают физические
различия между жидкостью и ее насыщенным паром. Приводим таблицы,
иллюстрирующие график, построенный для воды. рис. 3.
Свойства
воды и её насыщающего пара при разных температурах
Температура,
°С
|
Давление
насыщающего пара, мм.рт.ст.
|
Плотность
воды, г/см3
|
Плотность
пара, г/см3
|
Теплота
парообразования, Дж/г
|
15
|
13
|
1
|
0,000073
|
2459,5
|
50
|
92
|
0,998
|
0,000083
|
2379,9
|
100
|
760
|
0,96
|
0,000597
|
2220,7
|
150
|
3570
|
0,92
|
0,00254
|
2120,1
|
200
|
11660
|
0,86
|
0,00784
|
1944,2
|
300
|
64450
|
0,70
|
0,0469
|
1382,7
|
370
|
157700
|
0,44
|
0,208
|
414,8
|
374
|
165500
|
0,32
|
0,32
|
0
|
Критическая температура и критическое давление некоторых
веществ
Вещество
|
Тк,
К
|
Рк,
МПа
|
Азот
|
126,25
|
3,39
|
Аммиак
|
405,55
|
11,30
|
Ацетилен
|
309,09
|
6,26
|
Ацетон
|
508,75
|
4,72
|
Водород
|
33,24
|
1,30
|
Водяной пар
|
647,35
|
22,11
|
Воздух
|
132,42
|
3,78
|
Гелий
|
5,20
|
0,229
|
Двуокись углерода
|
348,42
|
3.04
|
Кислород
|
154,77
|
5,08
|
Метан
|
190,85
|
4,64
|
Окись углерода
|
133,05
|
3,50
|
Пропан
|
369,95
|
4,26
|
Этиловый спирт
|
516,15
|
6,38
|
В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды при
некотором парциальном давлении p, которое, как правило, меньше давления
насыщенного пара p0. Отношение парциального давления к
давлению насыщенных паров при данной температуре, выраженное в процентах,
называется относительной влажностью воздуха.
или
, r и r0 -
плотности пара и плотности насыщенного пара при данной температуре.
Для расчетов относительной влажности
пользуются таблицей:
Давление и плотность насыщенного водяного пара при
различных температурах.
t,°C
|
p, мм.рт.ст.
|
r,г/м3
|
|
t,°C
|
p, мм.рт.ст.
|
r,г/м3
|
|
t,°C
|
p, мм.рт.ст.
|
r,г/м3
|
-30
|
0,28
|
0,33
|
|
-2
|
3,88
|
4,13
|
|
26
|
25,21
|
24,4
|
-28
|
0,35
|
0,41
|
|
0
|
4,58
|
4,84
|
|
28
|
28,35
|
27,2
|
-26
|
0,43
|
0,51
|
|
2
|
5,29
|
5,60
|
|
30
|
31,82
|
30,3
|
-24
|
0,52
|
0,60
|
|
4
|
6,10
|
6,40
|
|
32
|
35,66
|
33,9
|
-22
|
0,64
|
0,73
|
|
6
|
7,01
|
7,3
|
|
34
|
39,90
|
37,6
|
-20
|
0,77
|
0,88
|
|
8
|
8,05
|
8,3
|
|
36
|
44,56
|
41,8
|
-18
|
0,94
|
1,05
|
|
10
|
9,21
|
9,4
|
|
38
|
49,69
|
46,3
|
-16
|
1,13
|
1,27
|
|
12
|
10,52
|
10,7
|
|
40
|
55,32
|
51,2
|
-14
|
1,36
|
1,51
|
|
14
|
11,99
|
12,1
|
|
50
|
92,5
|
83,0
|
-12
|
1,63
|
1,80
|
|
16
|
13,63
|
13,6
|
|
60
|
149,4
|
130
|
-10
|
1,95
|
2,14
|
|
18
|
15,48
|
15,4
|
|
70
|
233,7
|
198
|
-8
|
2,32
|
2,54
|
|
20
|
17,54
|
17,3
|
|
80
|
355,1
|
293
|
-6
|
2,76
|
2,99
|
|
22
|
19,83
|
19,4
|
|
90
|
525,8
|
424
|
-4
|
3,28
|
3,51
|
|
24
|
22,38
|
21,8
|
|
100
|
760,0
|
598
|
|
Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с
помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов
ограничениях: давление пара должно быть не слишком велико (практически p~ (106
¸107) Па), а его температура выше
некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару
также можно приближенно применять законы идеального газа при условии, что для
каждой температуры T давление p0 насыщенного пара определяется по
кривой равновесия p0(T) для данного вещества. Вид кривой на рисунке
4.
Давление p0 насыщенного пара
очень быстро возрастает с ростом температуры T. Зависимость p0(T)
нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной
концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном
паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая
энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного
пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа
при постоянной концентрации молекул. Очевидно, что при достижении определённой
температуры T1, когда вся жидкость в закрытом сосуде испарится, и
концентрация пара перестанет изменяться зависимость p(T) станет прямо
пропорциональной, но пар при этом перестанет быть насыщенным.
Испарение может происходить не только с
поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие
пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению
(т.е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться
внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность.
Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается
при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится
равным внешнему давлению.
Температуры
кипения некоторых веществ
Цинк
|
Железо
|
Вода
|
Ртуть
|
Спирт
|
Азот
|
Водород
|
Гелий
|
Кислород
|
906
|
2880
|
100
|
357
|
78
|
-196
|
-253
|
-269
|
-183
|
Температура кипения воды при различных давлениях
P, мм.
рт.ст.
|
t,C
|
P, мм.
рт.ст.
|
t,C
|
P, мм.
рт.ст.
|
t,C
|
P, мм.
рт.ст.
|
t,C
|
P, мм.
рт.ст.
|
t,C
|
680
|
96,9138
|
705
|
97,9092
|
730
|
98,8757
|
755
|
99,8152
|
780
|
100,7293
|
685
|
96,1153
|
710
|
98,1048
|
735
|
99,0657
|
760
|
100,000
|
785
|
100,9092
|
690
|
97,3156
|
715
|
98,2992
|
740
|
99,2547
|
765
|
100,1838
|
790
|
101,0881
|
695
|
97,5146
|
720
|
98,4925
|
745
|
99,4426
|
770
|
100,3666
|
795
|
101,2661
|
700
|
97,7125
|
725
|
96,6846
|
750
|
99,6294
|
775
|
100,5484
|
799
|
101,4079
|
В частности, при нормальном атмосферном
давлении вода кипит при температуре 100° С. Это значит, что при этой
температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы
атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается
(приблизительно на 1° С на каждые 300 метров высоты). На высоте 710 м
давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до
70° С.
В герметически закрытом сосуде жидкость
кипеть не может, т.к. при каждом значении температуры устанавливается
равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия p0(T)
можно определять температуры кипения жидкости при различных давлениях.
Изображенная на рис. 2 картина изотерм
реального газа описывает процессы испарения и конденсации, т.е. фазовый переход
между газообразной и жидкой фазами вещества. На самом деле эта картина является
неполной, т.к. из газообразного и жидкого состояний любое вещество может
перейти в твердое состояние. При заданной температуре T термодинамическое
равновесие между двумя фазами одного и того же вещества возможно лишь при
определенном значении давления в системе.
При описании состояния вещества и его
фазовых переходов обычно используются переменные p
и, T в которых изображаются кривые равновесия при
фазовых переходах данного вещества. Диаграмма, построенная в этих переменных,
называется диаграммой
состояния. Каждой точке на этой диаграмме соответствует
определенное равновесное состояние. Она позволяет определить, какие фазовые
переходы происходят при тех или иных процессах.
Рассмотрим
случай термодинамической системы, в которой в равновесии находятся сразу три
фазы однородного по физико-химическим свойствам вещества (например: лед, вода и
пар). Есть совершенно определенные значения давления pтр и температуры Ттр,
при которых три фазы могут существовать одновременно. Точка на диаграмме
состояния в переменных p и, T (см. рис. 5), соответствующая указанным значениям давления и
температуры, называется тройной точкой. В этой точке встречаются кривая
плавления 1, разделяющая твердую и жидкую фазы, кривая испарения 2,
разделяющая жидкую и газообразную фазы, и кривая возгонки 3,
разделяющая твердую и газообразную фазы.
Кривая плавления может быть отклонена как влево, так и вправо от вертикали.
Это зависит от того плотность вещества в твердой фазе больше или меньше чем в
жидкой. В нашем случае приведена диаграмма для воды плотность которой в жидкой
фазе 1000кг/м3, что превышает плотность воды в твёрдой фазе (плотность
льда 900кг/м3).
Кривая
испарения 2 заканчивается критической точкой (К), в которой исчезают
отличия жидкой и газообразной фаз. Если фазовый переход осуществляется в обход
критической точки, как показано пунктирной линией на рис. 5, то пересечения
кривой испарения не происходит и фазовое превращение проходит путем непрерывных
изменений без образования границы раздела фаз.
Вещество в
трех различных агрегатных состояниях может наблюдаться и при значениях
температуры и давления, не соответствующих тройной точке. Например, в природе
при различных погодных условиях наблюдаются одновременно лед, вода и водяной
пар (последний, как правило, косвенным образом). Однако, в отличие от состояния
в тройной точке, указанные состояния не являются равновесными, и для них
характерен постоянный переход вещества из одной фазы в другую.
Для многих веществ давление pтр в
тройной точке меньше 1 атм 105 Па. Такие вещества
при нагревании при атмосферном давлении плавятся. Например, тройная точка воды
имеет координаты Tтр = 273,16 К, pтр = 6,02102 Па.
Эта точка используется в качестве опорной для калибровки абсолютной
температурной шкалы Кельвина. Существуют, однако, и такие вещества, у которых pтр
превышает 1 атм. Так для углекислоты (CO2) давление pтр = 5,11 атм
и температура Tтр = 216,5 К. Поэтому при атмосферном
давлении твердая углекислота может существовать только при низкой температуре,
а в жидком состоянии при p = 1 атм она вообще не существует. В
равновесии со своим паром при атмосферном давлении углекислота находится при температуре
173 К или 80° С. Это широко применяемый сухой лед, который никогда не
плавится, а только испаряется (сублимирует).
В тексте были использованы материалы сайтов:
http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom2/ch7/texthtml/ch7_5_text.htm
http://www.en.edu.ru/db/msg/8591/_sp/1
Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С.
Ландсберга
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.