Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар

Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. При том они поглощают энергию. Вы уже познакомились с первым переходом — процессом плавления. Теперь мы будем рассматривать следующий переход вещества из одного состояния в другое. Это явление превращения жидкости в газ.

Повседневные наблюдения позволяют сказать, что количество жидкости, находящейся в открытом сосуде, со временем уменьшается. Но жидкость не может просто так исчезнуть. Что же с ней происходит? Она превращается в пар.

Парообразование — это явление превращения жидкости в пар.

Есть два способа превращения жидкости в газ:

• Испарение
• Кипение

На данном уроке мы рассмотрим первый способ — испарение.

Испарение

Испарение — это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Молекулы жидкости находятся в беспрерывном движении. Движутся они с разными скоростями.

Иногда достаточно “быстрые молекулы” могут оказаться у поверхности жидкости. Тогда они преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают из жидкости. Такие молекулы образуют над жидкостью пар (рисунок 1).

{"questions":[{"content":"При испарении[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["образуется пар над поверхностью жидкости","быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости","медленно движущиеся молекулы отделяются от жидкости","образуются пузырьки газа в толще жидкости"],"answer":[0,1]}}}]}

Другие молекулы при движении соударяются друг с другом и со стенками сосуда. При этом меняются их скорости. Так образуются новые “быстрые” молекулы, способные вылететь из жидкости. 

Этот процесс все время продолжается, поэтому жидкость испаряется постепенно.

Скорость испарения и род жидкости

Очевидно, что жидкости испаряются не всегда одинаково. Когда-то быстрее, когда-то медленнее. Скорость испарения зависит от определенных причин.

Наполним два одинаковых открытых сосуда водой и эфиром одинаковой массы (рисунок 2). 

Мы заметим, что эфир будет испаряться намного быстрее, чем вода. Мы можем фиксировать эти изменения, взвешивания воду или отмечая ее объем.

Скорость испарения зависит от рода жидкости.

Быстрее будет испаряться та жидкость, в которой молекулы притягиваются друг к другу с меньшей силой. В таких жидкостях большему количеству молекул проще преодолеть сопротивление и вылететь.

Скорость испарения и температура

В жидкостях всегда имеется некоторое число быстро движущихся молекул. Значит,

Испарение происходит при любой температуре.

Наполним два одинаковых сосуда водой одинаковой массы.  Но в один сосуд нальем воду комнатной температуры, а в другой — подогретую до высокой температуры (рисунок 3).

Наблюдения покажут, что количество подогретой жидкости в сосуде уменьшилось быстрее, чем жидкости комнатной температуры.

Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.

При увеличении температуры жидкости, увеличивается ее внутренняя энергия. При этом увеличивается средняя кинетическая энергия молекул и средняя скорость их движения. Значит, чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул, которыe способны вылететь с поверхности.

Например, после дождя на улице остаются лужи. Дождь может пройти и холодной осенью, и жарким летом. Когда лужи высыхают быстрее? Конечно же летом, когда на улице более высокая температура.

Скорость испарения и площадь поверхности жидкости

Возьмем два сосуда одинакового объема, но разной формы. Один широкий, а второй — узкий (рисунок 4). Заполним их водой одной и той же массы.

Наблюдения покажут, что вода из широкого сосуда будет испаряться быстрее, чем из узкого.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности.

Испарение происходит с поверхности жидкости. Значит, чем больше поверхность, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

Зачем мы развешиваем белье после стирки? Чтобы оно быстрее высохло. Ведь в скомканном состоянии его площадь намного меньше, чем в расправленном виде.

Скорость испарения и ветер

Быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости, образуя пар. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Некоторые молекулы пара, беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, снова возвращаются в нее. 

Очевидно, что если уменьшить количество возвращающихся в жидкость молекул, скорость испарения увеличится. Количество жидкости будет уменьшаться быстрее. Это возможно при наличии ветра (рисунок 5).

При наличии ветра испарение жидкости происходит быстрее.

Ветер уносит молекулы пара, не давая их части вернуться обратно в жидкость.

Примером может послужить использование фена для волос. Создавая такой «искусственный ветер», мы увеличиваем скорость испарения, что позволяет достаточно быстро высушить волосы.

{"questions":[{"content":"Довольно быстрое испарение жидкости можно наблюдать, если[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["выбрать для наблюдения жидкость, молекулы которой слабо притягиваются друг к другу","нагреть жидкость","имеется наличие ветра","увеличить площадь поверхности жидкости","охладить жидкость","уменьшить площадь поверхности жидкости","обеспечить безветренное пространство","выбрать жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с большой силой"],"answer":[0,1,2,3]}}}]}

Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью

Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 6).

Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.

С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным — наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.

В таком случае пар называют насыщенным.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, которое окружает рассматриваемую жидкость и содержит ее пары, может происходить дальнейшее испарение, то пар, находящийся в этом пространстве называют ненасыщенным.

Ненасыщенный пар — это пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью.

Так, в открытом сосуде масса жидкости будет постепенно уменьшаться. Большинство молекул пара будет оставаться в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.

{"questions":[{"content":"При динамическом равновесии пара и жидкости[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["число молекул, вылетевших из жидкости, равно числу молекул, вернувшихся в нее","число молекул пара над жидкостью постоянно","пар называют насыщенным","пар называют ненасыщенным","число молекул, вылетевших из жидкости больше числа молекул, вернувшихся в нее","общее число молекул жидкости и пара постепенно уменьшается"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Испарение твердых тел

Некоторые твёрдые тела тоже могут испаряться. Испарение твердых тел называют возгонкой (или сублимацией). 

Например, таким свойством обладает лёд. Это объясняет то, что белье после стирки высыхает и на зимнем морозе. Нафталин испаряется при комнатной температуре, поэтому мы чувствуем его запах. 

Запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Поэтому говорят, что всякое пахнущее твёрдое вещество возгоняется в значительной степени.

На самом деле испаряются все твердые тела (даже железо). Но плотность насыщенного пара оказывается настолько мала, что обнаружить его очень сложно, иногда практически невозможно.