Pression d'évaporation de l'eau. Effet de la pression sur la température de saturation. Évaporation des solides

>>Physique : Dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température. Ébullition

Le liquide ne s'évapore pas seulement. A une certaine température, il bout.
Dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température. L'état de la vapeur saturée, comme le montre l'expérience (nous en avons parlé dans le paragraphe précédent), est décrit approximativement par l'équation d'état d'un gaz parfait (10.4), et sa pression est déterminée par la formule

À mesure que la température augmente, la pression augmente. Parce que La pression de vapeur saturée ne dépend pas du volume, elle dépend donc uniquement de la température.
Cependant, la dépendance r n.p. depuis T, trouvé expérimentalement, n'est pas directement proportionnel, comme celui d'un gaz parfait à volume constant. Avec l'augmentation de la température, la pression de la vapeur saturée réelle augmente plus rapidement que la pression d'un gaz parfait ( Figure 11.1, partie de la courbe UN B). Cela devient évident si l'on trace les isochores d'un gaz parfait à travers les points UN Et DANS(lignes en pointillé). Pourquoi cela arrive-t-il?

Lorsqu’un liquide est chauffé dans un récipient fermé, une partie du liquide se transforme en vapeur. En conséquence, selon la formule (11.1) la pression de vapeur saturée augmente non seulement en raison d'une augmentation de la température du liquide, mais également en raison d'une augmentation de la concentration de molécules (densité) de la vapeur. Fondamentalement, l'augmentation de la pression avec l'augmentation de la température est déterminée précisément par l'augmentation de la concentration. La principale différence dans le comportement d'un gaz parfait et de la vapeur saturée est que lorsque la température de la vapeur dans un récipient fermé change (ou lorsque le volume change à température constante), la masse de la vapeur change. Le liquide se transforme partiellement en vapeur ou, au contraire, la vapeur se condense partiellement. Rien de tel ne se produit avec un gaz parfait.
Lorsque tout le liquide s'est évaporé, la vapeur cessera d'être saturée lors d'un chauffage supplémentaire et sa pression à volume constant augmentera en proportion directe avec la température absolue (voir. Figure 11.1, partie de la courbe Soleil).
. À mesure que la température du liquide augmente, le taux d’évaporation augmente. Finalement, le liquide commence à bouillir. Lors de l'ébullition, des bulles de vapeur à croissance rapide se forment dans tout le volume du liquide, qui flottent à la surface. Le point d'ébullition du liquide reste constant. Cela se produit parce que toute l’énergie fournie au liquide est dépensée pour le convertir en vapeur. Dans quelles conditions l’ébullition commence-t-elle ?
Un liquide contient toujours des gaz dissous, libérés au fond et sur les parois de la cuve, ainsi que sur les particules de poussière en suspension dans le liquide, qui sont des centres de vaporisation. Les vapeurs liquides à l’intérieur des bulles sont saturées. Avec l'augmentation de la température, la pression vapeurs saturées augmente et les bulles grossissent. Sous l’influence de la poussée d’Archimède, ils flottent vers le haut. Si les couches supérieures de liquide contiennent plus basse température, alors la condensation de la vapeur se produit dans les bulles de ces couches. La pression chute rapidement et les bulles s'effondrent. L’effondrement se produit si rapidement que les parois de la bulle entrent en collision et produisent quelque chose comme une explosion. Beaucoup de ces micro-explosions créent un bruit caractéristique. Lorsque le liquide se réchauffe suffisamment, les bulles cesseront de s'effondrer et flotteront à la surface. Le liquide va bouillir. Surveillez attentivement la bouilloire sur la cuisinière. Vous constaterez qu’il cesse presque de faire du bruit avant de bouillir.
La dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température explique pourquoi le point d'ébullition d'un liquide dépend de la pression à sa surface. Une bulle de vapeur peut se développer lorsque la pression de la vapeur saturée à l’intérieur dépasse légèrement la pression dans le liquide, qui est la somme de la pression de l’air à la surface du liquide (pression externe) et de la pression hydrostatique de la colonne de liquide.
Faisons attention au fait que l'évaporation d'un liquide se produit à des températures inférieures au point d'ébullition, et uniquement à partir de la surface du liquide ; lors de l'ébullition, la formation de vapeur se produit dans tout le volume du liquide.
L'ébullition commence à la température à laquelle la pression de vapeur saturée dans les bulles est égale à la pression dans le liquide.
Plus la pression externe est élevée, plus le point d'ébullition est élevé. Ainsi, dans une chaudière à vapeur à une pression atteignant 1,6 10 6 Pa, l'eau ne bout pas même à une température de 200°C. DANS établissements médicaux dans des récipients hermétiquement fermés - autoclaves ( Figure 11.2) l'ébullition de l'eau se produit également à hypertension artérielle. Le point d’ébullition du liquide est donc bien supérieur à 100°C. Les autoclaves sont utilisés pour la stérilisation Instruments chirurgicaux et etc.

Et vice versa, en réduisant la pression externe, on abaisse ainsi le point d'ébullition. En pompant l'air et la vapeur d'eau du ballon, vous pouvez faire bouillir l'eau à température ambiante (Figure 11.3). À mesure que vous gravissez des montagnes, la pression atmosphérique diminue, donc le point d’ébullition diminue. A une altitude de 7134 m (pic Lénine dans le Pamir) la pression est d'environ 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). L'eau y bout à environ 70°C. Il est impossible de cuire de la viande dans ces conditions.

Chaque liquide a son propre point d’ébullition, qui dépend de sa pression de vapeur saturée. Plus la pression de vapeur saturée est élevée, plus le point d'ébullition du liquide est bas, car à des températures plus basses, la pression de vapeur saturée devient égale à la pression atmosphérique. Par exemple, à un point d’ébullition de 100 °C, la pression de vapeur saturée de l’eau est de 101 325 Pa (760 mm Hg) et la pression de la vapeur de mercure n’est que de 117 Pa (0,88 mm Hg). Le mercure bout à une température de 357°C à pression normale.
Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur saturée devient égale à la pression à l’intérieur du liquide.

???
1. Pourquoi le point d’ébullition augmente-t-il avec l’augmentation de la pression ?
2. Pourquoi est-il important que l'ébullition augmente la pression de la vapeur saturée dans les bulles, et non la pression de l'air qu'elles contiennent ?
3. Comment faire bouillir un liquide tout en refroidissant le récipient ? (Cette question n'est pas facile.)

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physique 10e année

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Il existe une relation directe entre la température saturation du liquide et ceux autour pression. Comme indiqué précédemment, l'augmentation de la pression du fluide augmente la température de saturation. À l’inverse, réduire la pression du fluide abaisse la température de saturation.

Considérons un récipient fermé rempli d'eau à une température de 22,2°C. Un papillon des gaz, un manomètre et deux thermomètres sont installés sur le récipient pour contrôler le processus. La vanne régule la pression dans le récipient. Le manomètre indique la pression dans le récipient et les thermomètres mesurent la température de la vapeur et de l'eau liquide. La pression atmosphérique autour du navire est de 101,3 kPa.

Formé dans un vaisseau vide, et la vanne est fermée. À une pression interne de 68,9 kPa température de saturation de l'eau 89,6°C. Cela signifie que l'ébullition ne se produira pas tant que la pression de vapeur n'atteindra pas 68,9 kPa. Parce que pression de vapeur maximaleà une température du liquide de 22,2°C 2,7 kPa, il n'y aura pas d'ébullition si le liquide n'est pas informé un grand nombre deénergie.

Au lieu de bouillir dans ces conditions, l'évaporation commencera, puisque la pression de vapeur du liquide est inférieure à la pression vapeur saturée, qui dépend de la température de l'eau. Cela continuera jusqu'à ce que le volume au-dessus du liquide soit saturé de vapeur d'eau. Une fois l'équilibre atteint, la température du liquide et de son environnement sera la même, le transfert de chaleur cessera, le nombre de molécules de vapeur se séparant de l'eau et y retournant sera le même et la pression de vapeur sera égale à la saturation. pression du liquide, qui dépend de sa température. Une fois l'équilibre atteint, la pression de la vapeur atteindra valeur maximum 2,7 kPa, et le volume de liquide restera constant.

Si, après avoir atteint l'état d'équilibre initial, la vanne est ouverte, la pression dans le récipient augmentera rapidement jusqu'à 101,3 kPa. Par conséquent, le point d’ébullition de l’eau augmentera jusqu’à 100°С. Puisque la température de l’eau reste à 22,2°C, la pression de vapeur de l’eau reste à 2,7 kPa. La pression de vapeur de l'eau diminuera à mesure que la vapeur quittera le récipient par la vanne et le processus d'évaporation recommencera.

Avec une augmentation du transfert de chaleur vers le récipient suite à la combustion du carburant, la température de l'eau commence à augmenter jusqu'à 100°C. Une augmentation de la température de l'eau entraîne la libération d'un plus grand nombre de molécules de vapeur en raison de l'augmentation de l'énergie cinétique, ce qui augmente la pression de la vapeur à 101,3 kPa. Augmentation de la pression de la vapeur- Ceci est une conséquence des changements de température de l'eau liquide. À mesure que la température du liquide augmente, la pression de vapeur saturée augmente également. Dès que la pression de la vapeur atteint la pression atmosphérique, le ébullition. Basé sur énergie potentielle le processus de changement d'état résultant de l'ébullition se produit à température constante. L’eau changera avec force d’état à l’état gazeux tant que le récipient recevra suffisamment de chaleur.

Lorsque les molécules de vapeur se séparent de la surface du liquide et se déplacent dans le récipient, certaines molécules perdent énergie cinétiqueà la suite de collisions et tombent dans le liquide. Certaines molécules quittent le récipient par la vanne ouverte et se dispersent dans l'atmosphère. Pendant que la vanne libère de la vapeur, la pression de la vapeur et la pression dans le récipient resteront à 101,3 kPa. Dans ce cas, la vapeur restera saturée, et sa température et sa pression seront les mêmes que celles du liquide : 100°C à 101,3 kPa. La densité de la vapeur à cette température et pression est de 0,596 kg/m3, et son volume spécifique, l'inverse de la densité, est de 1,669 mg/kg.

Évaporation

Évaporation- c'est mince processus thermodynamique, provoqué par le lent transfert de chaleur au fluide depuis l'environnement. Processus évaporation produit des changements rapides dans le volume ou la masse d’un liquide. Évaporation se produit à la suite de l’absorption par des molécules liquides l'énérgie thermique de l'environnement en raison d'une petite différence de température. Cette augmentation d'énergie augmente d'autant l'énergie cinétique du fluide. Lorsque l’énergie cinétique est transférée lors de collisions, certaines molécules proches de la surface atteignent des vitesses bien supérieures à la vitesse moyenne des molécules voisines. Lorsque certaines molécules à haute énergie s’approchent de la surface d’un liquide, elles rompent les liaisons, surmontent la force de gravité et passent dans l’atmosphère sous forme de molécules de vapeur.

Vaporisation L'évaporation se produit si la pression de vapeur au-dessus du liquide est inférieure à la pression de saturation, qui correspond à la température du liquide. En d’autres termes, l’évaporation se produit lorsque les lignes de pression de vapeur et de température d’un liquide se croisent au niveau de la ligne de température de saturation en un point inférieur à la pression atmosphérique. Ces termes et conditions sont à lignes de température de saturation ci-dessous ligne horizontale pression de vapeur, qui correspond à la température du liquide.

Volume de liquide évaporé diminue continuellement à mesure que les molécules se séparent de la surface et pénètrent dans l’atmosphère environnante. Après séparation, certaines molécules de vapeur entrent en collision avec d’autres dans l’atmosphère, transférant une partie de leur énergie cinétique. Lorsque la réduction d'énergie réduit la vitesse des molécules de vapeur en dessous du niveau de séparation du liquide, elles refluent et récupèrent ainsi une partie du volume perdu. Lorsque le nombre de molécules quittant un liquide est égal au nombre de molécules qui en retombent, un état d'équilibre. Une fois que cette condition se produit, le volume du liquide restera inchangé jusqu'à ce que des changements de pression de vapeur ou de température produisent des changements correspondants dans le taux d'évaporation.

La pression de la vapeur

La valeur de la pression de vapeur en air atmosphérique peut être clairement illustré par l’expérience suivante. Si quelques gouttes d'eau flottant vers le haut sont pipetées par le bas dans le tube d'un baromètre à mercure, après un certain temps, le niveau de mercure dans le baromètre diminuera en raison de la formation d'un vide de Torricelli. vapeur d'eau. Ce dernier crée le sien pression partielle pH, agissant uniformément dans toutes les directions, y compris sur la surface descendante du mercure.

Lors d'une expérience similaire dans des conditions de température de vapeur plus élevée dans le tube du baromètre, la valeur p augmentera (un peu d'eau doit rester à la surface du mercure). De telles expériences montrent une augmentation de la pression de la vapeur saturée avec l'augmentation de la température. A une température de vapeur dans le tube de 100° C, le niveau de mercure qu'il contient descendra jusqu'à son niveau dans la coupelle du baromètre, car la pression de la vapeur sera égal pression atmosphérique. Cette méthode est utilisée pour étudier la relation fonctionnelle entre les paramètres de vapeur spécifiés.

La pression de la vapeur, comme celle de tout gaz, peut être exprimée en pascals. Lors de l'exécution de mesures et de calculs dans équipement de séchage forestier La pression de vapeur est calculée à partir de la valeur de pression nulle. Parfois, l’excès par rapport à la pression barométrique est pris comme point de départ pour la lecture de la pression. D'abord plus que le deuxième de 0,1 MPa. Par exemple, 0,6 MPa correspondra à 0,5 MPa, tel que mesuré par le manomètre de la chaudière à vapeur ou de la canalisation de vapeur.

Température de saturation

La température à laquelle un liquide passe de la phase liquide à la phase gazeuse ou vice versa est appelée température de saturation. Liquide à température de saturation appelé saturé de liquide, et la vapeur à température de saturation est appelée vapeur saturée. Pour toutes conditions environnementales ou de pression température de saturation- Ce Température maximale, dans lequel la substance reste en phase liquide. Aussi ceci température minimale, dans lequel la substance existe sous forme de vapeur. La température de saturation des différents liquides est différente et dépend de pression du fluide. À pression atmosphérique standard, le fer se vaporise à environ 2 454 °C, le cuivre à 2 343 °C, le plomb à 1 649 °C, l'eau à 100 °C et l'alcool à 76,7 °C. D'autres liquides s'évaporent lorsque seulement basses températures. L'ammoniac s'évapore à -33°C, l'oxygène à -182°C et l'hélium à -269°C à pression atmosphérique standard.

Taux d'évaporation

Mouvement atmosphérique au-dessus du liquide qui s'évapore est directement lié à taux d'évaporation. Si la vitesse de l’atmosphère au-dessus de la surface du liquide augmente, taux d'évaporation augmente également, car les molécules de vapeur ne s'accumulent pas au-dessus de la surface du liquide. Par conséquent, la pression de vapeur au-dessus du liquide reste plus faible, ce qui réduit la quantité d'énergie cinétique dont une molécule a besoin pour se séparer de la surface et augmente ainsi taux d'évaporation. Si vous placez un ventilateur au-dessus d'un récipient rempli d'eau, le taux d'évaporation augmentera et le liquide s'évaporera plus rapidement.

Un autre facteur qui affecte le taux d'évaporation est surface liquide, qui est ouvert sur l’atmosphère. À mesure que la surface augmente, l'intensité de l'évaporation augmente, puisque la masse de molécules de vapeur se propage à travers zone plus grande, ce qui réduit pression au liquide. La réduction de la pression de la vapeur réduit la quantité énergie cinétique, nécessaire à la séparation des molécules de la surface du liquide, ce qui augmente l'intensité de l'évaporation. Par conséquent, si le volume d'eau d'un récipient est transféré vers une bouteille, la surface du liquide sera considérablement réduite et il faudra plus de temps pour évaporation de l'eau.

D’après les considérations ci-dessus, il ressort clairement que le point d’ébullition d’un liquide doit dépendre de la pression extérieure. Les observations le confirment.

Plus la pression extérieure est élevée, plus le point d’ébullition est élevé. Ainsi, dans une chaudière à vapeur à une pression atteignant 1,6 × 10 6 Pa, l'eau ne bout pas même à une température de 200 °C. Dans les établissements médicaux, l'eau bouillante dans des récipients hermétiquement fermés - les autoclaves (Fig. 6.11) se produit également à une pression élevée. Le point d’ébullition est donc nettement supérieur à 100 °C. Les autoclaves sont utilisés pour stériliser les instruments chirurgicaux, les pansements, etc.

Et vice versa, en réduisant la pression extérieure, on abaisse ainsi le point d’ébullition. Sous la cloche d'une pompe à air, vous pouvez faire bouillir de l'eau à température ambiante (Fig. 6.12). À mesure que vous gravissez des montagnes, la pression atmosphérique diminue, donc le point d’ébullition diminue. A une altitude de 7134 m (pic Lénine dans le Pamir) la pression est d'environ 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). L'eau y bout à environ 70 °C. Il est par exemple impossible de cuire de la viande dans ces conditions.

La figure 6.13 montre une courbe du point d'ébullition de l'eau en fonction de la pression externe. Il est facile de comprendre que cette courbe est aussi une courbe exprimant la dépendance de la pression de vapeur saturée d’eau à la température.

Différences de points d'ébullition des liquides

Chaque liquide a son propre point d'ébullition. La différence de points d'ébullition des liquides est déterminée par la différence de pression de leurs vapeurs saturées à la même température. Par exemple, les vapeurs d'éther déjà à température ambiante ont une pression supérieure à la moitié de la pression atmosphérique. Par conséquent, pour que la pression de vapeur d'éther devienne égale à la pression atmosphérique, une légère augmentation de la température (jusqu'à 35°C) est nécessaire. Dans le mercure, les vapeurs saturées ont une pression très négligeable à température ambiante. La pression des vapeurs de mercure ne devient égale à la pression atmosphérique qu'avec une augmentation significative de la température (jusqu'à 357°C). C'est à cette température, si la pression extérieure est de 105 Pa, que le mercure bout.

La différence entre les points d'ébullition des substances est largement utilisée en technologie, par exemple dans la séparation des produits pétroliers. Lorsque l'huile est chauffée, ses parties volatiles les plus précieuses (essence) s'évaporent en premier, qui peuvent ainsi être séparées des résidus « lourds » (huiles, fioul).

Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur saturée est égale à la pression à l’intérieur du liquide.

§6.6. Chaleur de vaporisation

Faut-il de l’énergie pour transformer un liquide en vapeur ? Probablement oui! N'est-ce pas?

Nous avons constaté (voir § 6.1) que l'évaporation d'un liquide s'accompagne de son refroidissement. Pour maintenir la température du liquide qui s'évapore inchangée, il est nécessaire d'apporter de la chaleur de l'extérieur. Bien entendu, la chaleur elle-même peut être transférée au liquide depuis les corps environnants. Ainsi, l'eau contenue dans le verre s'évapore, mais la température de l'eau, légèrement inférieure à la température ambiante, reste inchangée. La chaleur est transférée de l’air à l’eau jusqu’à ce que toute l’eau soit évaporée.

Pour maintenir l'ébullition de l'eau (ou d'un autre liquide), il faut également lui apporter de la chaleur en permanence, par exemple en la chauffant avec un brûleur. Dans ce cas, la température de l'eau et du récipient n'augmente pas, mais une certaine quantité de vapeur est produite chaque seconde.

Ainsi, pour transformer un liquide en vapeur par évaporation ou par ébullition, un apport de chaleur est nécessaire. La quantité de chaleur nécessaire pour convertir une masse donnée de liquide en vapeur à la même température est appelée chaleur de vaporisation de ce liquide.

À quoi sert l’énergie fournie au corps ? Tout d'abord, augmenter son énergie interne lors du passage de l'état liquide à l'état gazeux : après tout, cela augmente le volume de la substance du volume de liquide au volume de vapeur saturée. Par conséquent, la distance moyenne entre les molécules augmente, et donc leur énergie potentielle.

De plus, à mesure que le volume d’une substance augmente, un travail est effectué contre les forces de pression externes. Cette partie de la chaleur de vaporisation à température ambiante représente généralement plusieurs pour cent de la chaleur totale de vaporisation.

La chaleur de vaporisation dépend du type de liquide, de sa masse et de sa température. La dépendance de la chaleur de vaporisation sur le type de liquide est caractérisée par une valeur appelée chaleur spécifique de vaporisation.

La chaleur spécifique de vaporisation d'un liquide donné est le rapport de la chaleur de vaporisation d'un liquide à sa masse :

(6.6.1)

Où r - chaleur spécifique vaporisation de liquide; T- masse de liquide ; Q n- sa chaleur de vaporisation. L'unité SI de chaleur spécifique de vaporisation est le joule par kilogramme (J/kg).

La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est très élevée : 2,256·10 6 J/kg à une température de 100 °C. Pour les autres liquides (alcool, éther, mercure, kérosène, etc.), la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure.

COMBUSTION DE LIQUIDES

La combustion des liquides est caractérisée par deux phénomènes interdépendants : l'évaporation et la combustion d'un mélange vapeur-air au-dessus de la surface du liquide. Par conséquent, la combustion des liquides s'accompagne non seulement réaction chimique(oxydation se transformant en combustion ardente), mais aussi des phénomènes physiques (évaporation et formation d'un mélange vapeur-air au-dessus de la surface du liquide), sans lesquels la combustion est impossible.

La transition d’une substance de l’état liquide à l’état vapeur est appelée vaporisation. Il existe deux formes de ce processus : l'évaporation et l'ébullition. Évaporation est la transition du liquide en vapeur à partir d'une surface libre à une température inférieure au point d'ébullition du liquide (voir Fig. 4.1). L'évaporation résulte du mouvement thermique des molécules liquides. La vitesse de déplacement des molécules fluctue dans une large plage, s'écartant considérablement dans les deux sens de sa valeur moyenne. Certaines molécules qui ont une énergie cinétique suffisamment élevée s'échappent de la couche superficielle du liquide dans le milieu gazeux (air). L'excès d'énergie des molécules perdu par le liquide est dépensé pour surmonter les forces d'interaction entre les molécules et le travail d'expansion (augmentation de volume) lorsque le liquide se transforme en vapeur. Ébullition- il s'agit de l'évaporation non seulement de la surface, mais aussi du volume du liquide par formation de bulles de vapeur dans tout le volume et leur libération. L'évaporation se produit à n'importe quelle température du liquide. L'ébullition se produit uniquement à une température à laquelle la pression de vapeur saturée atteint la pression externe (atmosphérique).

En raison du mouvement brownien dans la zone gazière, il y a aussi processus inverse – condensation. Si le volume au-dessus du liquide est fermé, alors à n'importe quelle température du liquide, un équilibre dynamique s'établit entre les processus d'évaporation et de condensation.

La vapeur en équilibre avec un liquide est appelée vapeur saturée. L'état d'équilibre correspond à la concentration de vapeur déterminée pour une température donnée. La pression de la vapeur en équilibre avec un liquide est appelée pression de vapeur saturée.

Riz. 4.1. Schéma d'évaporation du liquide dans : a) un récipient ouvert, b) un récipient fermé

La pression de vapeur saturée (p.p.) d'un liquide donné à température constante est pour celui-ci une valeur constante et immuable. La valeur de la pression de vapeur saturée est déterminée par la température du liquide : avec l'augmentation de la température, la pression de vapeur saturée augmente. Cela est dû à l’augmentation de l’énergie cinétique des molécules liquides avec l’augmentation de la température. Dans ce cas, une proportion croissante de molécules s’avèrent posséder une énergie suffisante pour se transformer en vapeur.

Ainsi, au-dessus de la surface (miroir) d'un liquide se trouve toujours un mélange vapeur-air qui, en état d'équilibre, est caractérisé par la pression des vapeurs saturées du liquide ou leur concentration. Avec l'augmentation de la température, la pression de vapeur saturée augmente selon l'équation de Clayperon-Clasius :

, (4.1)

ou sous forme intégrale :

, (4.2)

où p n.p. – pression de vapeur saturée, Pa ;

L'évaporation DH est la chaleur d'évaporation, la quantité de chaleur nécessaire pour convertir une unité de masse de liquide à l'état vapeur, en kJ/mol ;

T – température du liquide, K.

La concentration de vapeur saturée au-dessus de la surface du liquide est liée à sa pression par la relation :

. (4.3)

De (4.1 et 4.2), il s'ensuit qu'avec l'augmentation de la température du liquide, la pression des vapeurs saturées (ou leur concentration) augmente de façon exponentielle. À cet égard, à une certaine température au-dessus de la surface du liquide, une concentration de vapeur est créée égale à la plus faible limite de concentration la flamme s'est propagée. Cette température est appelée la plus basse limite de température propagation de la flamme (NTRP).

Par conséquent, pour tout liquide, il existe toujours une plage de température à laquelle la concentration de vapeur saturée au-dessus du miroir sera dans la région d'inflammation, c'est-à-dire HKPRP £ j p £ VKPRP.

Utiliser le phénomène de refroidissement d’un liquide lors de son évaporation ; dépendance du point d'ébullition de l'eau à la pression.

Lors de la vaporisation, une substance passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur). Il existe deux types de vaporisation : l'évaporation et l'ébullition.

Évaporation- Il s'agit d'une vaporisation se produisant à partir de la surface libre d'un liquide.

Comment se produit l’évaporation ? Nous savons que les molécules de tout liquide sont en mouvement continu et aléatoire, certaines se déplaçant plus rapidement, d’autres plus lentement. Ils sont empêchés de s'envoler par les forces d'attraction les uns vers les autres. Si, toutefois, il existe une molécule dotée d’une énergie cinétique suffisamment élevée à la surface du liquide, elle sera alors capable de surmonter les forces d’attraction intermoléculaire et de s’envoler hors du liquide. La même chose se répétera avec une autre molécule rapide, avec la deuxième, la troisième, etc. En s'envolant, ces molécules forment de la vapeur au-dessus du liquide. La formation de cette vapeur est une évaporation.

Étant donné que les molécules les plus rapides s'échappent d'un liquide lors de l'évaporation, la moyenne énergie cinétique Il reste de moins en moins de molécules dans le liquide. Par conséquent la température du liquide qui s'évapore diminue: Le liquide est refroidi. C'est notamment pourquoi une personne portant des vêtements mouillés a plus froid qu'une personne portant des vêtements secs (surtout en cas de vent).

En même temps, tout le monde sait que si vous versez de l'eau dans un verre et la laissez sur la table, malgré l'évaporation, elle ne refroidira pas continuellement, devenant de plus en plus froide jusqu'à ce qu'elle gèle. Qu'est-ce qui arrête ça ? La réponse est très simple : échange thermique entre l’eau et l’air chaud entourant le verre.

Le refroidissement d'un liquide lors de l'évaporation est plus perceptible dans le cas où l'évaporation se produit assez rapidement (pour que le liquide n'ait pas le temps de retrouver sa température en raison de l'échange thermique avec environnement). Les liquides volatils dotés de faibles forces d'attraction intermoléculaires, tels que l'éther, l'alcool et l'essence, s'évaporent rapidement. Si vous laissez tomber un tel liquide sur votre main, vous aurez froid. En s'évaporant de la surface de la main, un tel liquide se refroidira et lui enlèvera un peu de chaleur.

On trouve des substances qui s'évaporent rapidement large application en technologie. Par exemple, dans la technologie spatiale, les véhicules de descente sont recouverts de telles substances. Lors du passage dans l'atmosphère de la planète, le corps de l'appareil s'échauffe sous l'effet du frottement et la substance qui le recouvre commence à s'évaporer. En s'évaporant, il refroidit le vaisseau spatial, lui évitant ainsi une surchauffe.

Le refroidissement de l'eau lors de son évaporation est également utilisé dans les instruments utilisés pour mesurer l'humidité de l'air - psychromètres(du grec « psychros » – froid). Le psychromètre se compose de deux thermomètres. L'un d'eux (sec) indique la température de l'air, et l'autre (dont le réservoir est noué avec de la batiste, plongé dans l'eau) indique une température plus basse, en raison de l'intensité de l'évaporation de la batiste humide. Plus l’air dont l’humidité est mesurée est sec, plus l’évaporation est importante et donc plus la valeur du thermomètre humide est faible. Et inversement, plus l'humidité de l'air est élevée, moins l'évaporation est intense et donc plus haute température ce thermomètre montre. Sur la base des lectures de thermomètres secs et humidifiés, l'humidité de l'air, exprimée en pourcentage, est déterminée à l'aide d'un tableau spécial (psychrométrique). L'humidité la plus élevée est de 100 % (à cette humidité de l'air, de la rosée apparaît sur les objets). Pour l’homme, l’humidité la plus favorable est considérée comme comprise entre 40 et 60 %.

À l'aide d'expériences simples, il est facile d'établir que le taux d'évaporation augmente avec l'augmentation de la température du liquide, ainsi qu'avec l'augmentation de la surface libre et en présence de vent.

Pourquoi le liquide s’évapore-t-il plus rapidement lorsqu’il y a du vent ? Le fait est que simultanément à l'évaporation à la surface du liquide, le processus inverse se produit également - condensation. La condensation se produit du fait que certaines molécules de vapeur, se déplaçant de manière aléatoire sur le liquide, y retournent. Le vent emporte les molécules qui s'envolent du liquide et ne leur permet pas de revenir.

La condensation peut également se produire lorsque la vapeur n'est pas en contact avec le liquide. C'est la condensation, par exemple, qui explique la formation des nuages ​​: les molécules de vapeur d'eau s'élevant au-dessus du sol dans les couches les plus froides de l'atmosphère sont regroupées en minuscules gouttelettes d'eau dont les accumulations constituent les nuages. La condensation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère entraîne également de la pluie et de la rosée.

Dépendance de la température d'ébullition sur la pression

Le point d'ébullition de l'eau est de 100°C ; on pourrait penser qu’il s’agit d’une propriété inhérente à l’eau, que l’eau, peu importe où et dans quelles conditions elle se trouve, bout toujours à 100°C.

Mais il n’en est rien et les habitants des villages de haute montagne le savent bien.

Près du sommet de l'Elbrouz se trouvent une maison pour touristes et une station scientifique. Les débutants sont parfois surpris de « combien il est difficile de faire bouillir un œuf dans de l’eau bouillante » ou de « pourquoi l’eau bouillante ne brûle-t-elle pas ». Dans ces conditions, on leur dit que l'eau bout déjà à 82°C au sommet de l'Elbrouz.

Quel est le problème? Quel facteur physique interfère avec le phénomène d’ébullition ? Quelle est l’importance de l’altitude au-dessus du niveau de la mer ?

Ce facteur physique est la pression agissant à la surface du liquide. Vous n’avez pas besoin de grimper au sommet d’une montagne pour vérifier la véracité de ce qui a été dit.

En plaçant de l'eau chauffée sous une cloche et en pompant ou en pompant de l'air à partir de là, vous pouvez vous assurer que le point d'ébullition augmente à mesure que la pression augmente et diminue à mesure qu'elle diminue.

L'eau bout à 100°C seulement à une certaine pression - 760 mm Hg. Art. (ou 1 guichet automatique).

La courbe du point d’ébullition en fonction de la pression est présentée sur la figure. 4.2. Au sommet de l'Elbrouz, la pression est de 0,5 atm, et cette pression correspond à un point d'ébullition de 82°C.

Riz. 4.2

Mais l'eau bouillante à 10-15 mm Hg. Art., vous pouvez vous rafraîchir par temps chaud. A cette pression, le point d'ébullition descendra à 10-15°C.

Vous pouvez même obtenir de l’« eau bouillante », qui a la température de l’eau glacée. Pour ce faire, vous devrez réduire la pression à 4,6 mm Hg. Art.

Une image intéressante peut être observée si vous placez un récipient ouvert avec de l'eau sous la cloche et pompez l'air. Le pompage fera bouillir l’eau, mais l’ébullition nécessite de la chaleur. Il n'y a nulle part où la prendre et l'eau devra renoncer à son énergie. La température de l’eau bouillante commencera à baisser, mais à mesure que le pompage se poursuivra, la pression diminuera également. Par conséquent, l’ébullition ne s’arrêtera pas, l’eau continuera à refroidir et éventuellement à geler.

Une telle ébullition eau froide ne se produit pas seulement lors du pompage de l'air. Par exemple, lorsque l'hélice d'un navire tourne, la pression dans un mouvement rapide d'env. surface métallique La couche d'eau descend fortement et l'eau de cette couche bout, c'est-à-dire que de nombreuses bulles remplies de vapeur y apparaissent. Ce phénomène est appelé cavitation (du mot latin cavitas - cavité).

En réduisant la pression, on abaisse le point d'ébullition. Et en l'augmentant ? Un graphique comme le nôtre répond à cette question. Une pression de 15 atm peut retarder l'ébullition de l'eau, elle ne commencera qu'à 200°C, et une pression de 80 atm fera bouillir l'eau seulement à 300°C.

Ainsi, une certaine pression externe correspond à certaine températureébullition. Mais cette affirmation peut être « inversée » en disant ceci : à chaque point d’ébullition de l’eau correspond sa propre pression spécifique. Cette pression est appelée pression de vapeur.

La courbe représentant le point d'ébullition en fonction de la pression est également une courbe de pression de vapeur en fonction de la température.

Les nombres tracés sur un graphique du point d’ébullition (ou sur un graphique de la pression de vapeur) montrent que la pression de vapeur change très fortement avec la température. À 0°C (soit 273 K), la pression de vapeur est de 4,6 mmHg. Art., à 100°C (373 K) elle est égale à 760 mm Hg. Art., c'est-à-dire augmente 165 fois. Lorsque la température double (de 0°C, soit 273 K, à 273°C, soit 546 K), la pression de vapeur augmente de 4,6 mm Hg. Art. presque jusqu'à 60 atm, soit environ 10 000 fois.

Par conséquent, au contraire, le point d’ébullition change assez lentement avec la pression. Lorsque la pression passe deux fois de 0,5 atm à 1 atm, le point d'ébullition augmente de 82°C (355 K) à 100°C (373 K) et lorsque la pression double de 1 à 2 atm - de 100°C (373 K ) à 120 °C (393 K).

La même courbe que nous examinons maintenant contrôle également la condensation (condensation) de la vapeur en eau.

La vapeur peut être transformée en eau par compression ou refroidissement.

Tant pendant l'ébullition que pendant la condensation, le point ne bougera pas de la courbe jusqu'à ce que la conversion de la vapeur en eau ou de l'eau en vapeur soit terminée. Cela peut aussi être formulé ainsi : dans les conditions de notre courbe et seulement dans ces conditions, la coexistence du liquide et de la vapeur est possible. Si vous n'ajoutez ou ne supprimez pas de chaleur, les quantités de vapeur et de liquide dans un récipient fermé resteront inchangées. On dit que cette vapeur et ce liquide sont en équilibre, et la vapeur qui est en équilibre avec son liquide est dite saturée.

La courbe d'ébullition et de condensation, comme on le voit, a une autre signification : c'est la courbe d'équilibre du liquide et de la vapeur. La courbe d'équilibre divise le champ du diagramme en deux parties. Vers la gauche et vers le haut (vers des températures plus élevées et des pressions plus basses) se trouve la région de l'état stable de la vapeur. À droite et en bas se trouve la région de l’état stable du liquide.

La courbe d'équilibre vapeur-liquide, c'est-à-dire la courbe de dépendance du point d'ébullition à la pression ou, ce qui est la même, la pression de vapeur à la température, est approximativement la même pour tous les liquides. Dans certains cas, le changement peut être un peu plus brusque, dans d'autres un peu plus lent, mais la pression de vapeur augmente toujours rapidement avec l'augmentation de la température.

Nous avons déjà utilisé à plusieurs reprises les mots « gaz » et « vapeur ». Ces deux mots sont assez égaux. On peut dire : l'eau gazeuse est de la vapeur d'eau, l'oxygène gazeux est de la vapeur d'oxygène liquide. Néanmoins, une certaine habitude s’est développée lors de l’utilisation de ces deux mots. Puisque nous sommes habitués à une certaine plage de température relativement petite, nous appliquons généralement le mot « gaz » aux substances dont l'élasticité de la vapeur aux températures ordinaires est supérieure à la pression atmosphérique. Au contraire, on parle de vapeur lorsque, à température ambiante et pression atmosphérique, la substance est plus stable sous forme liquide.