Тиск випаровування води. Вплив тиску на температуру насичення. Випаровування твердих тіл

>>Фізика: Залежність тиску насиченої пари від температури. Кипіння

Рідина не тільки випаровується. За деякої температури вона кипить.
Залежність тиску насиченої пари від температури. Стан насиченої пари, як показує досвід (ми говорили про це в попередньому параграфі), приблизно описується рівнянням стану ідеального газу (10.4), а його тиск визначається формулою

Зі зростанням температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то отже, воно залежить тільки від температури.
Однак залежність р н.від Т, Знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як у ідеального газу при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реальної насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу ( рис.11.1, ділянка кривої АВ). Це стає очевидним, якщо провести ізохори ідеального газу через точки Аі У(Штрихові прямі). Чому це відбувається?

При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою (11.1) тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається збільшенням концентрації. Головна відмінність у поведінці ідеального газу та насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пара частково конденсується. Із ідеальним газом нічого подібного не відбувається.
Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі зростатиме прямо пропорційно до абсолютної температури (див. рис.11.1, ділянка кривої НД).
. У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Зрештою, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається незмінною. Це відбувається тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару. За яких умов починається кипіння?
У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні та стінках судини, а також на зважених у рідині порошинках, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої паризростає і бульбашки збільшуються у розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають більше низьку температуру, то цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Захлопування відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, виробляють щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина досить прогріється, бульбашки перестануть захлопуватись і спливуть на поверхню. Рідина закипить. Слідкуйте за чайником на плиті. Ви побачите, що перед закипанням він майже перестає шуміти.
Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску її поверхню. Пухирець пари може зростати, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевищує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини.
Звернемо увагу на те, що випаровування рідини відбувається при температурах, менших за температуру кипіння, і тільки з поверхні рідини, при кипінні утворення пари відбувається по всьому об'єму рідини.
Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині.
Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Так, у паровому котлі при тиску, що досягає 1,6 10 6 Па вода не кипить і при температурі 200°С. У медичних установу герметично закритих судинах - автоклавах ( рис.11.2) кипіння води також відбувається при підвищеному тиску. Тому температура кипіння рідини значно вища за 100°С. Автоклави застосовують для стерилізації хірургічних інструментівта ін.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти при кімнатній температурі (рис.11.3). При підйомі гори атмосферний тиск зменшується, тому зменшується температура кипіння. На висоті 7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск приблизно дорівнює 4 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипить там приблизно за 70°С. Зварити м'ясо у умовах неможливо.

Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску її насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння рідини, тому що при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному . Наприклад, при температурі кипіння 100°С тиск насичених парів води дорівнює 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а парів ртуті - лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипить ртуть при температурі 357°З нормальному тиску.
Рідина закипає, коли тиск її насиченої пари стає рівним тиску всередині рідини.

???
1. Чому температура кипіння зростає із збільшенням тиску?
2. Чому для кипіння істотно підвищення тиску насиченої пари в бульбашках, а не підвищення тиску наявного в них повітря?
3. Як змусити закипіти рідину, охолоджуючи посудину? (Питання це непросте.)

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Зміст уроку конспект уроку опорний каркаспрезентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

Існує безпосередня залежність між температурою насичення рідинита оточуючим тиском. Як було зазначено раніше, збільшення тиску рідини піднімає температуру насичення. І навпаки, скорочення тиску рідини знижує температуру насиченості.

Розглянемо закритий посуд з водою за нормальної температури 22,2°С. На посудину встановлено дросельний клапан, манометр та два термометри для контролю процесу. Клапан регулює тиск у посудині. Манометр показує тиск у посудині, а термометри вимірюють температуру пари та рідкої води. Атмосферний тиск навколо судини дорівнює 101,3 кПа.

У посудині утворений вакуум, та закритий клапан. При внутрішньому тиску 68,9 кПа температура насичення води 89,6°С. Це означає, що кипіння не відбудеться, поки тиск пари не досягне 68,9 кПа. Так як максимальний тиск парипри температурі рідини 22,2°С 2,7 кПа, кипіння не буде, якщо рідини не повідомити велика кількістьенергії.

Замість кипіння за цих умов почнеться випаровування, оскільки тиск пари рідини нижче тиску насиченої парищо залежить від температури води. Так буде продовжуватися доти, доки обсяг над рідиною не буде насиченою водяною парою. По досягненні стану рівноваги температура рідини і навколишнього середовища буде однаковою, теплопередача припиниться, кількість молекул пари, що відокремлюються від води і повертаються в неї, буде однаковим, і тиск пари дорівнює тиску насичення рідини, яке залежить від її температури. Після досягнення стану рівноваги тиск пари досягне максимального значення 2,7 кПа, та обсяг рідини залишиться постійним.

Якщо після досягнення початкового стану рівноваги відкрити клапан, тиск у посудині швидко зросте до 101,3 кПа. Отже, температура кипіння води зросте до 100°С. Оскільки температура води залишиться 22,2°С, тиск пари води залишається 2,7 кПа. Тиск пари води зменшиться, оскільки пара виходить із судини через клапан, і процес випаровування починається знову.

При збільшенні теплопередачі посудини в результаті спалювання палива температура води починає підвищуватися до 100°С. Підвищення температури води викликає виділення більшої кількості молекул пари внаслідок збільшення кінетичної енергії, що підвищує тиск пари до 101,3 кПа. Збільшення тиску пари– це наслідок зміни температури рідкої води. При збільшенні температури рідини тиск насиченої пари також підвищується. Як тільки тиск пари досягає атмосферного тиску, починається кипіння. Заснований на потенційної енергіїпроцес зміни стану в результаті кипіння відбувається за постійної температури. Вода примусово змінюватиме стан на газоподібний доти, поки посудина отримує достатньо теплоти.

При відділенні молекул пари від поверхні рідини та русі в посудині деякі молекули втрачають кінетичну енергіюв результаті зіткнень і падають у рідину. Деякі молекули виходять із судини через відкритий клапан та розсіюються в атмосфері. Поки клапан випускає пару, тиск пари та тиск у посудині залишиться 101,3 кПа. При цьому пара залишиться насиченою, і її температура і тиск будуть такі ж, як і рідини: 100°С при 101,3 кПа. Щільність пари за такої температури і тиску 0,596 кг/м3, яке питомий об'єм зворотний щільності, дорівнює 1,669 мг/кг.

Випаровування

Випаровування- це тонкий термодинамічний процес, Викликаний повільною передачею теплоти рідини від навколишнього середовища. Процес випаровуванняробить швидкі зміни об'єму або маси рідини. Випаровуваннявідбувається внаслідок поглинання молекулами рідини теплової енергіїіз навколишнього середовища внаслідок невеликої різниці температур. Це збільшення енергії відповідно збільшує кінетичну енергію рідини. При передачі кінетичної енергії внаслідок зіткнень деякі молекули біля поверхні досягають швидкостей, які набагато вищі, ніж середня швидкість сусідніх молекул. При наближенні деяких молекул, які мають високу енергію, до поверхні рідини вони порушують зв'язки, долають силу тяжіння і переходять в атмосферу як молекули пари.

Пароутвореннявипаровуванням відбувається, якщо тиск пари над рідиною нижче, ніж тиск насичення, яке відповідає температурі рідини. Іншими словами, випаровування відбувається, коли лінії тиску та температури пари рідини перетинаються на лінії температури насичення в точці нижче атмосферного тиску. Ці умови знаходяться на лінії температури насиченнянижче горизонтальній лініїтиску пари, що відповідає температурі рідини.

Об'єм рідини, що випаровуєтьсябезперервно знижується при відділенні молекул від поверхні та впровадженні в навколишню атмосферу. Після відокремлення деякі молекули пари стикаються з іншими в атмосфері, передаючи частину кінетичної енергії. Коли скорочення енергії знижує швидкість молекул пари нижче рівня відокремлення від рідини, вони потрапляють назад і таким чином відновлюють частину втраченого обсягу. Коли кількість молекул, що відокремлюються від рідини, дорівнює кількості падаючих назад, виникає стан рівноваги. Як тільки виникає такий стан, обсяг рідини залишиться незмінним, поки зміни тиску пари або температури не здійснять відповідні зміни інтенсивності випаровування.

Тиск пари

Величину тиску пари в атмосферному повітріможна наочно ілюструвати таким досвідом. Якщо в трубку ртутного барометра знизу впустити піпеткою кілька крапель води, що спливає догори, через деякий час рівень ртуті в барометрі знизиться через утворення в торрічеллієвій порожнечі Водяна пара. Останній створює своє парціальний тискрН, що діє рівномірно на всі боки, в тому числі і на поверхню, що знижується, ртуті.

При проведенні аналогічного досвіду в умовах з більшою температурою пари в трубці барометра значення р збільшиться (на поверхні ртуті має залишатися трохи води). Такі досліди вказують на підвищення тиску насиченої пари зі зростанням її температури. При температурі пари в трубці 100° С рівень ртуті в ній опуститься до рівня в чашці барометра, так як тиск парибуде одно атмосферному тиску. Цим методом вивчають функціональну залежність між вказаними параметрами пари.

Тиск пари, як і будь-якого газу, може бути виражений у паскалях. При проведенні вимірювань та розрахунків у лісосушильної технікивідраховують тиск пари від нульового значення тиску. Іноді за початок відліку тисків приймають надлишковий проти барометричного. Перше більше за другена 0,1 МПа. Наприклад, 0,6 МПа буде відповідати 0,5 МПа, відрахованим за манометром на паровому казані або паропроводі.

Температура насичення

Температуру, при якій рідина переходить із рідкої фази в газоподібну або навпаки, називають температурою насичення. Рідина при температурі насиченняназивають насиченою рідиною, а пара при температурі насичення називається насиченою парою. Для будь-яких умов навколишнього середовища чи тиску температура насичення- це максимальна температура, При якій речовина залишається в рідкій фазі Також це мінімальна температура, при якій речовина існує як пара. Температура насичення різних рідин різна і залежить від тиску рідини. При стандартному атмосферному тиску залізо випаровується приблизно за 2454°С, мідь - за 2343°С, свинець - за 1649°С, вода - за 100°С, а спирт - за 76,7°С. Інші рідини випаровуються при виключно низьких температурах. Аміак випаровується при -33°С, кисень - при -182°С, а гелій при -269°С при стандартному атмосферному тиску.

Інтенсивність випаровування

Рух атмосферинад рідиною, що випаровується, безпосередньо пов'язано з інтенсивністю випаровування. Якщо швидкість атмосфери над поверхнею рідини збільшується, інтенсивність випаровуваннятакож росте, оскільки молекули пари не накопичуються над поверхнею рідини. Отже, тиск пари над рідиною залишається нижчим, що скорочує кількість кінетичної енергії, яка потрібна молекулі для відокремлення від поверхні і таким чином збільшує інтенсивність випаровування. Якщо помістити над посудиною з водою вентилятор, інтенсивність випаровування збільшиться, і рідина випарується за короткий час.

Інший фактор, який торкається інтенсивності випаровування, це площа поверхні рідинияка відкрита в атмосферу. При збільшенні площі поверхні інтенсивність випаровування зростає, оскільки маса молекул пари поширюється по більшої площіщо скорочує тискна рідину. Скорочення тиску пари зменшує кількість кінетичної енергії, необхідної молекулам для відокремлення від поверхні рідини, що збільшує інтенсивність випаровування. Отже, якщо об'єм води з посудини, перемістити в пляшку, площа поверхні рідини значно скоротиться, і знадобиться більше часу для випаровування води.

З наведених міркувань ясно, що температура кипіння рідини має залежати від зовнішнього тиску. Спостереження підтверджують це.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Так, у паровому котлі при тиску, що досягає 1,6 · 10 6 Па вода не кипить і при температурі 200 °С. У медичних установах кипіння води у герметично закритих судинах - автоклавах (рис. 6.11) також відбувається за підвищеного тиску. Тому температура кипіння значно вища за 100 °С. Автоклави застосовують для стерилізації хірургічних інструментів, перев'язувального матеріалу тощо.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, тим самим знижуємо температуру кипіння. Під дзвоном повітряного насоса можна змусити воду кипіти за кімнатної температури (рис. 6.12). При підйомі гори атмосферний тиск зменшується, тому зменшується температура кипіння. На висоті 7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск приблизно дорівнює 4 · 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипить там приблизно за 70 °С. Зварити, наприклад, м'ясо у умовах неможливо.

На малюнку 6.13 зображено криву залежності температури кипіння води від зовнішнього тиску. Легко збагнути, що ця крива є одночасно і кривою, що виражає залежність тиску насиченої водяної пари від температури.

Відмінність температур кипіння рідин

Кожна рідина має свою температуру кипіння. Відмінність температур кипіння рідин визначається різницею тиску їх насичених парів за однієї й тієї ж температурі. Наприклад, пари ефіру вже за кімнатної температури мають тиск, більше половини атмосферного. Тому, щоб тиск парів ефіру став рівним атмосферному, потрібне невелике підвищення температури (до 35 ° С). У ртуті ж насичені пари мають за кімнатної температури зовсім незначний тиск. Тиск парів ртуті стає рівним атмосферному лише за значного підвищення температури (до 357 °З). Саме за цієї температури, якщо зовнішній тиск дорівнює 105 Па, і кипить ртуть.

Відмінність температур кипіння речовин знаходить велике застосування в техніці, наприклад, при поділі нафтопродуктів. При нагріванні нафти раніше випаровуються найбільш цінні, леткі її частини (бензин), які можна таким чином відокремити від «важких» залишків (масел, мазуту).

Рідина закипає, коли тиск її насиченої пари порівнюється з тиском усередині рідини.

§ 6.6. Теплота пароутворення

Чи потрібна енергія для перетворення рідини на пару? Скоріше за все так! Чи не так?

Ми зазначали (див. § 6.1), що випаровування рідини супроводжується її охолодженням. Для підтримки температури рідини, що випаровується, незмінною до неї необхідно підводити ззовні теплоту. Звичайно, теплота і сама може передаватися рідині від навколишніх тіл. Так, вода в склянці випаровується, але температура води, дещо нижча, ніж температура навколишнього повітря, залишається незмінною. Теплота передається від повітря до води доти, доки вся вода не випарується.

Щоб підтримувати кипіння води (або іншої рідини), до неї теж потрібно безперервно підводити теплоту, наприклад, підігрівати її пальником. При цьому температура води та судини не підвищується, але кожної секунди утворюється певна кількість пари.

Таким чином, для перетворення рідини в пару шляхом випаровування або кипіння потрібно приплив теплоти. Кількість теплоти, необхідне перетворення цієї маси рідини в пар тієї ж температури, називається теплотою пароутворення цієї рідини.

На що витрачається енергія, що підводиться до тіла? Насамперед на збільшення його внутрішньої енергії при переході з рідкого стану в газоподібний: адже при цьому збільшується об'єм речовини від об'єму рідини до об'єму насиченої пари. Отже, збільшується середня відстань між молекулами, отже, та його потенційна енергія.

З іншого боку, зі збільшенням обсягу речовини відбувається робота проти сил зовнішнього тиску. Ця частина теплоти пароутворення при кімнатній температурі зазвичай становить кілька відсотків всієї теплоти пароутворення.

Теплота пароутворення залежить від роду рідини, її маси та температури. Залежність теплоти пароутворення від роду рідини характеризується величиною, яка називається питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення даної рідини називається відношення теплоти пароутворення рідини до її маси:

(6.6.1)

де r - питома теплотапароутворення рідини; т- Маса рідини; Q n- її теплота пароутворення. Одиницею питомої теплоти пароутворення СІ є джоуль на кілограм (Дж/кг).

Питома теплота пароутворення води дуже велика: 2,256 10 6 Дж/кг при температурі 100 °С. В інших рідин (спирт, ефір, ртуть, гас та ін) питома теплота пароутворення менша в 3-10 разів.

ГОРІННЯ РІДИН

Горіння рідин характеризується двома взаємопов'язаними явищами – випаровуванням та згорянням пароповітряної суміші над поверхнею рідини. Отже, горіння рідин супроводжується не тільки хімічною реакцією(окислення, що переходить у полум'яне горіння), але й фізичними явищами (випаровування та утворення над поверхнею рідини паро-повітряної суміші), без яких горіння неможливе.

Перехід речовини з рідкого стану в пароподібний називається пароутворенням.Розрізняють дві форми цього процесу: випаровування та кипіння. Випаровування– це перехід рідини в пару з вільної поверхні за температури нижче точки кипіння рідини (див. рис. 4.1). Випаровування відбувається внаслідок теплового руху молекул рідини. Швидкість руху молекул коливається в широких межах, сильно відхиляючись обидві сторони від її середнього значення. Частина молекул, що мають досить велику кінетичну енергію, виривається з поверхневого шару рідини в газове (повітряне) середовище. Надлишкова енергія молекул, що втрачаються рідиною, витрачається на подолання сил взаємодії між молекулами і роботу розширення (збільшення обсягу) при переході рідини в пару. Кипіння- це випаровування не тільки з поверхні, але і з об'єму рідини шляхом утворення бульбашок пари у всьому обсязі та виділення їх. Випаровування спостерігається за будь-якої температури рідини. Кипіння відбувається тільки при температурі, за якої тиск насиченої пари досягне величини зовнішнього (атмосферного) тиску.

За рахунок броунівського руху в газовій зоні має місце та зворотний процес – конденсація. Якщо об'єм над рідиною замкнутий, то за будь-якої температури рідини встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування і конденсації.

Пара, що знаходиться в рівновазі з рідиною, називається насиченою парою. Станові рівноваги відповідає певна для цієї температури концентрація пари. Тиск пари, що знаходиться в рівновазі з рідиною, називається тиском насиченої пари.

Мал. 4.1. Схема випаровування рідини в: а) відкритій посудині; б) закритій посудині.

Тиск насиченої пари (р н.п.) даної рідини при незмінній температурі є постійною величиною і незмінною для неї. Величина тиску насиченої пари визначається температурою рідини: зі зростанням температури тиск насиченої пари збільшується. Це зумовлено зростанням кінетичної енергії молекул рідини із підвищенням температури. При цьому все більша частка молекул виявляється енергією, що володіє, достатньою для переходу в пар.

Таким чином, над поверхнею (дзеркалом) рідини завжди існує пароповітряна суміш, яка в стані рівноваги характеризується тиском насиченої пари рідини або їх концентрацією. Зі зростанням температури тиск насиченої пари зростає відповідно до рівняння Клайперона-Клазіуса:

, (4.1)

або в інтегральній формі:

, (4.2)

де р н. - Тиск насиченої пари, Па;

DН ісп – теплота випаровування, та кількість тепла, яка необхідна для переведення в пароподібний стан одиниці маси рідини, кДж/моль;

Т – температура рідини, До.

Концентрація насиченої пари Снад поверхнею рідини пов'язана з її тиском співвідношенням:

. (4.3)

З (4.1 і 4.2) випливає, що зі збільшенням температури рідини тиск насиченої пари (або їх концентрація) зростають експоненційно. У зв'язку з цим при певній температурі над поверхнею рідини створюється концентрація парів, що дорівнює нижньому концентраційної межіпоширення полум'я. Ця температура називається нижньою температурною межеюпоширення полум'я (НТРП).

Тому для будь-якої рідини завжди існує такий інтервал температур, при якому концентрація насиченої пари над дзеркалом буде знаходитися в області займання, тобто HKПРП £ j п £ ВКПРП.

використання явища охолодження рідини при її випаровуванні; залежність температури кипіння води від тиску.

При пароутворенні речовина переходить із рідкого стану в газоподібний (пар). Існують два види пароутворення: випаровування та кипіння.

Випаровування- це пароутворення, що відбувається із вільної поверхні рідини.

Як відбувається випаровування? Ми знаємо, що молекули будь-якої рідини знаходяться в безперервному та безладному русі, причому одні з них рухаються швидше, інші – повільніше. Вилетіти назовні їм заважають сили тяжіння одна до одної. Якщо, однак, у поверхні рідини виявиться молекула з досить великою кінетичною енергією, вона зможе подолати сили міжмолекулярного тяжіння і вилетить з рідини. Те саме повториться з іншою швидкою молекулою, з другою, третьою і т. д. Вилітаючи назовні, ці молекули утворюють над рідиною пар. Утворення цієї пари і є випаровуванням.

Оскільки при випаровуванні з рідини вилітають найшвидші молекули, середня кінетична енергіямолекул, що залишилися в рідині, стає все менше і менше. В результаті цього температура рідини, що випаровується, знижується: рідина охолоджується. Саме тому, зокрема, людина у мокрому одязі почувається холодніше, ніж у сухому (особливо при вітрі).

У той же час усім відомо, що якщо налити воду в склянку і залишити на столі, то, незважаючи на випаровування, вона не буде безперервно охолоджуватися, стаючи все холоднішою, поки не замерзне. Що ж цьому заважає? Відповідь дуже проста: теплообмін води з навколишнім склянку теплим повітрям.

Охолодження рідини при випаровуванні помітніше в тому випадку, коли випаровування відбувається досить швидко (так що рідина не встигає відновити свою температуру завдяки теплообміну з довкіллям). Швидко випаровуються леткі рідини, які мають сили міжмолекулярного тяжіння малі, наприклад ефір, спирт, бензин. Якщо капнути такою рідиною на руку, ми відчуємо холод. Випаровуючись з поверхні руки, така рідина охолоджуватиметься і відбиратиме від неї деяку кількість теплоти.

Швидковипаровуються знаходять широке застосуванняу техніці. Наприклад, у космічній техніці такими речовинами покривають апарати, що спускаються. При проходженні через атмосферу планети корпус-апарата в результаті тертя нагрівається, і речовина, що покриває його, починає випаровуватися. Випаровуючись, воно охолоджує космічний апарат, рятуючи його тим самим від перегріву.

Охолодження води при її випаровуванні використовується також у приладах, що служать для вимірювання вологості повітря. психрометрах(Від грецького «психрос» - холодний). Психрометр складається із двох термометрів. Один із них (сухий) показує температуру повітря, а інший (резервуар якого обв'язаний батистом, опущеним у воду) - нижчу температуру, обумовлену інтенсивністю випаровування з вологого батиста. Чим сухіше повітря, вологість якого вимірюється, тим сильніше випаровування і тому нижче показання змоченого термометра. І навпаки, чим більша вологість повітря, тим менш інтенсивно випаровується і тому тим більше високу температурупоказує цей термометр. На основі показань сухого та зволоженого термометрів за допомогою спеціальної (психрометричної) таблиці визначають вологість повітря, виражену у відсотках. Найбільша вологість становить 100% (за такої вологості повітря на предметах з'являється роса). Для людини найбільш сприятливою вважається вологість у межах від 40 до 60%.

За допомогою простих дослідів легко встановити, що швидкість випаровування збільшується зі зростанням температури рідини, а також зі збільшенням площі її вільної поверхні та за наявності вітру.

Чому за наявності вітру рідина випаровується швидше? Справа в тому, що одночасно з випаром на поверхні рідини відбувається і зворотний процес. конденсація. Конденсація відбувається через те, що частина молекул пари, безладно переміщаючись над рідиною, знову повертається до неї. Вітер же забирає молекули, що вилетіли з рідини, і не дає їм повертатися назад.

Конденсація може відбуватися і тоді, коли пара не стикається з рідиною. Саме конденсацією, наприклад, пояснюється утворення хмар: молекули водяної пари, що піднімається над землею, в холодніших шарах атмосфери групуються в дрібні крапельки води, скупчення яких і є хмарами. Наслідком конденсації водяної пари в атмосфері є також дощ та роса.

Залежність температури кипіння від тиску

Температура кипіння води дорівнює 100 ° С; можна подумати, що це невід'ємна властивість води, що вода, де б і в яких умовах вона не знаходилася, завжди кипітиме при 100°С.

Але це не так, і про це чудово обізнані мешканці високогірних селищ.

Поблизу вершини Ельбрусу є будиночок для туристів та наукова станція. Новачки іноді дивуються, "як важко зварити яйце в окропі" або "чому окріп не обпалює". У умовах їм вказують, що вода кипить на вершині Ельбруса вже за 82°С.

У чому тут справа? Який фізичний фактор втручається у явище кипіння? Яке значення має висота над рівнем моря?

Цим фізичним фактором є тиск, що діє поверхню рідини. Не треба забиратися на вершину гори, щоб перевірити справедливість сказаного.

Поміщаючи воду, що підігрівається під дзвін і накачуючи або викачуючи звідти повітря, можна переконатися, що температура кипіння зростає при зростанні тиску і падає при його зменшенні.

Вода кипить при 100 ° С тільки за певного тиску - 760 мм рт. ст. (Або 1 атм).

Крива температури кипіння залежно від тиску показано на рис. 4.2. На вершині Ельбруса тиск дорівнює 0,5 атм, цьому тиску відповідає температура кипіння 82°С.

Мал. 4.2

А ось водою, що кипить при 10-15 мм рт. ст., можна освіжитися за спекотної погоди. У цьому тиску температура кипіння впаде до 10-15°С.

Можна отримати навіть "окроп", що має температуру замерзаючої води. Для цього доведеться зменшити тиск до 4,6 мм рт. ст.

Цікаву картину можна спостерігати, якщо помістити відкриту посудину з водою під дзвін і відкачувати повітря. Відкачування змусить воду закипіти, але кипіння вимагає тепла. Взяти його нема звідки, і воді доведеться віддати свою енергію. Температура окропу почне падати, але так як відкачування триває, то падає і тиск. Тому кипіння не припиниться, вода продовжуватиме охолоджуватися і зрештою замерзне.

Таке кипіння холодної водивідбувається не тільки при відкачуванні повітря. Наприклад, при обертанні гребного корабельного гвинта тиск у швидко рухається навколо металевої поверхнішар води сильно падає і вода в цьому шарі закипає, тобто в ній з'являються численні наповнені парою бульбашки. Це називається кавітацією (від латинського слова cavitas - порожнину).

Знижуючи тиск, ми знижуємо температуру кипіння. А збільшуючи його? Графік, подібний до нашого, відповідає на це питання. Тиск у 15 атм може затримати кипіння води, воно почнеться лише за 200°С, а тиск у 80 атм змусить воду закипіти лише за 300°С.

Отже, певному зовнішньому тиску відповідає певна температуракипіння. Але це твердження можна і "перевернути", сказавши так: кожній температурі кипіння води відповідає свій певний тиск. Цей тиск називається пружністю пари.

Крива, що зображує температуру кипіння в залежності від тиску, є одночасно кривою пружності пари в залежності від температури.

Цифри, нанесені на графік температури кипіння (або графік пружності пари), показують, що пружність пари змінюється дуже різко зі зміною температури. При 0°С (тобто 273 К) пружність пари дорівнює 4,6 мм рт. ст., при 100 ° С (373 К) вона дорівнює 760 мм рт. ст., тобто зростає у 165 разів. При підвищенні температури вдвічі (від 0 ° С, тобто 273 До, до 273 ° С, тобто 546 К) пружність пари зростає з 4,6 мм рт. ст. майже до 60 атм, тобто приблизно 10 000 разів.

Тому, навпаки, температура кипіння змінюється із тиском досить повільно. При зміні тиску вдвічі від 0,5 атм до 1 атм температура кипіння зростає від 82 ° С (355 К) до 100 ° С (373 К) і при зміні вдвічі від 1 до 2 атм - від 100 ° С (373 К) до 120 ° С (393 К).

Та ж крива, яку ми зараз розглядаємо, керує і конденсацією (згущенням) пари у воду.

Перетворити пару у воду можна або стисненням, або охолодженням.

Як під час кипіння, так і в процесі конденсації точка не зрушить з кривою, поки перетворення пари у воду або води на пару не закінчиться повністю. Це можна сформулювати ще й так: в умовах нашої кривої і лише за цих умов можливе співіснування рідини та пари. Якщо при цьому не підводити і не віднімати тепла, то кількість пари та рідини в закритій посудині залишатиметься незмінною. Про такі пар і рідина говорять, що вони знаходяться в рівновазі, і пар, що перебувають у рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.

Крива кипіння та конденсації має, як ми бачимо, ще один сенс: це крива рівноваги рідини та пари. Крива рівноваги поділяє поле діаграми, на дві частини. Ліворуч і вгору (до більших температур і менших тисків) розташована область стійкого стану пари. Вправо та вниз – область стійкого стану рідини.

Крива рівноваги пар - рідина, тобто крива залежності температури кипіння від тиску або, що те саме, пружності пари від температури, приблизно однакова для всіх рідин. В одних випадках зміна може бути більш різкою, в інших - трохи повільнішою, але завжди пружність пари швидко зростає зі збільшенням температури.

Вже багато разів ми користувалися словами "газ" та "пар". Ці два слова є досить рівноправними. Можна сказати: водяний газ є парою води, газ кисень є парою кисневої рідини. Все ж таки при користуванні цими двома словами склалася деяка звичка. Так як ми звикли до певного відносно невеликого інтервалу температур, то слово "газ" ми застосовуємо зазвичай до тих речовин, пружність пари яких при звичайних температурах вища за атмосферний тиск. Навпаки, про пару ми говоримо, коли при кімнатній температурі та тиску атмосфери речовина більш стійка у вигляді рідини.