Что такое парообразование в физике
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Испарение и конденсация
Содержание
Парообразование — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.
Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется паром этого вещества.
При парообразовании увеличиваются средние расстояния между молекулами. В результате потенциальная энергия взаимодействия частиц увеличивается (численное значение ее уменьшается, но она отрицательна). Таким образом, процесс парообразования связан с увеличением внутренней энергии вещества.
Переход из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.
Испарение — это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.
Свойства испарения
Экспериментально установлены следующие cвойства испарения:
Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT: молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда ее кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работа выхода). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а температура жидкости понижается. Для того, чтобы поддерживать температуры испаряющейся жидкости неизменной, к ней необходимо подводить некоторое количество теплоты.
Молекулы пара хаотически движутся. Поэтому некоторые из них могут снова возвратиться в жидкость. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.
Число возвратившихся в жидкость за определенный промежуток времени молекул тем больше, чем больше концентрация молекул пара, а следовательно, чем больше давление пара над жидкостью. Конденсация пара сопровождается нагреванием жидкости. При конденсации выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено при испарении.
Кипение жидкостей
Кипение — это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.
Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 3):
где L — удельная теплота парообразования при температуре кипения.
Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 4) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 4, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 4, б) — жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.
Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.
Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.
Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.
Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.
Виды изменений жидкости при нагревании
Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое. Понятие это более общее, чем положение о твёрдой, жидкой и газообразной формах. Различные фазы могут находиться в пределах одного физического положения воды и называются сообразно физике процесса. Определения переходов жидкости под влиянием температуры:
Переход вещества из газообразной формы в жидкость — обратное превращению воды в пар действие, называется конденсацией. При этом всегда выделяется энергия, почему и требуется отводить теплоту от вещества для поддержания процесса. Температура перехода совпадает с точкой кипения.
Процессы парообразования и испарения
Причиной распада жидкости с выветриванием из вещества лёгких фракций считается разница температур на границе фазного перехода: воздух обычно теплее жидкости, что и вызывает испарение. Процесс протекает медленно, когда ему не способствуют внешние факторы, отличается от кипения тем, что отделение пара происходит только с водной поверхности.
Если естественное парообразование с зеркальной глади озера может быть незаметным, то процесс перехода в пар кипением всегда является интенсивным. Наглядный пример бурного природного парообразования — гейзер, выбрасывающий из недр под давлением горячую воду с паром. На способность жидкости испаряться быстрее или медленнее влияют несколько факторов:
Для определения количества теплоты, необходимого для превращения 1 кг жидкости в пар, используется физическая величина, обозначаемая в физике буквой L. У воды при температуре 0ºС этот показатель равен 2500 кДж/кг, а в стадии кипения удельная теплота парообразования меньше — 2260. Для сравнения: у этилового спирта L =906, у эфира — 356 кДж на кг. Величина L =0 у воды при 374,15ºС.
Рассчитать кипящую жидкость на нужное для перехода в пар количество теплоты можно по формуле Q = L *m.
Образование конденсата как завершение цикла
Одновременно с испарением при температуре кипения вещества происходит его превращение в жидкость. Хаотичное движение молекул над поверхностью воды или другого текучего субстрата приводит к их столкновению, а при совпадении векторов скорости в направлении к жидкости происходит возврат капель в кипящую среду. Конденсация длится на протяжении всего времени кипения, то есть пока температура остаётся равной 100ºС, если это вода. Другая часть испарившихся молекул улетучивается в атмосферу. В разных обстоятельствах взаимодействие парообразования и конденсации отличается:
Парообразование, составляющими которого являются испарение и кипение, всегда завершается конденсацией. В природе благодаря этим процессам непрерывно осуществляется водообмен между морями, реками, сушей, атмосферой.
Круговорот воды обеспечивает окружающий человека мир и его самого полезными веществами, способствует сохранению естественной среды обитания живых организмов.
Парообразование и конденсация
Жидкости могут превращаться в пар – такой процесс называют парообразованием. Существует и обратный процесс – конденсация, во время которого молекулы пара возвращаются в жидкость. Разберем эти процессы подробнее.
Процесс образования пара — парообразование
Жидкости имеют свойство переходить из жидкого состояния в газообразное — пар. Превращение жидкости в пар называется парообразованием.
Примечание: Словосочетание «Образование пара» физики часто заменяют словом «Парообразование».
Парообразование – это превращение жидкости в пар (газ).
Нальем в емкость какую-либо жидкость — например, воду, эфир, спирт, бензин, и т. п. Если не накрывать емкость крышкой, то через некоторое время количество жидкости в емкости уменьшается. Это происходит из-за парообразования.
Когда парообразование происходит на поверхности, его называют испарением.
Испарение – это образование пара на поверхности жидкости. Жидкости испаряются при любой температуре.
Примечание: Жидкости могут превращаться в пар с помощью двух процессов – испарения и кипения (ссылка).
Что происходит во время испарения
Во время испарения:
Почему при быстром испарении температура жидкости ощутимо понижается
Мы знаем, что температура влияет на скорость движения молекул.
При одной и той же температуре скорости соседних молекул немного различаются. Одни молекулы будут двигаться несколько быстрее других.
Часть молекул будет двигаться насколько быстро, что преодолеет притяжение соседних молекул жидкости и покинет ее. Такие молекулы испаряются и уносят с собой энергию.
Испарение – это эндотермический процесс. Он происходит с поглощением энергии.
Куда тратится полученная энергия? Ее забирают с собой испарившиеся молекулы, вылетевшие из жидкости.
Примечание: Из-за потерь тепловой энергии при испарении температура жидкости понижается. Чем быстрее испаряется жидкость, тем сильнее понижается ее температура.
Если же испарение происходит медленно, то потери теплоты успевают восполниться. Молекулы окружающего воздуха будут отдавать часть своей (тепловой) энергии молекулам жидкости и ее температура значительно понижаться не будет.
При быстром испарении температура жидкости понижается, а при медленном –значительно понижаться не успевает, так как теплопотеря восполняется из окружающей среды.
Могут ли испаряться твердые тела
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела.
Жителям северных районов известно, что кусочки льда, не прикрытые снегом, со временем уменьшаются в размерах. Происходит выветривание льда. Лед испаряется даже при минусовой температуре воздуха.
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение твердых тел физики называют словом «сублимация» (или взгонка).
От чего зависит скорость испарения
Скорость, с которой вещество испаряется, зависит от:
Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.
Как влияет на испарение род вещества
Из жизненного опыта известно, что некоторые жидкости испаряются быстрее, другие — медленнее.
Возьмем воду и ацетон при одинаковой температуре и сравним скорости их испарения.
Если капнуть ацетон на руку, он начнет быстро испаряться и в месте контакта мы будем ощущать холод.
Примечание: Ощущение холода возникает из-за того, что испаряющиеся молекулы уносят с собой тепловую энергию.
А если руку смочить водой, то значительного ощущения холода не возникает.
Вода будет испаряться медленнее, потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы ацетона. Из-за этого, скорость испарения воды меньше скорости, с которой испаряется ацетон.
Примечание: Обычно, вместо фразы «Молекулы притягиваются сильно» физики говорят: «Потенциальная энергия взаимодействия молекул велика».
Быстро испаряющиеся вещества химики иногда называют летучими. Примерами таких летучих веществ могут служить медицинский спирт, бензин, ацетон и т. п. Такие вещества хорошо испаряются, потому, что невелики силы притяжения между их молекулами.
Скорость испарения зависит от рода вещества. В быстро испаряющихся веществах малы силы притяжения между молекулами.
Как влияет на испарение движение воздуха над поверхностью
Скорость испарения жидкости возрастает, когда воздух над ее поверхностью приходит в движение.
Некоторые испаряющиеся молекулы не имеют запаса кинетической энергии, чтобы улететь подальше от своей жидкости. Они остаются близко к поверхности и спустя какое-то время возвращаются назад в жидкость. Движение воздуха эти вылетевшие молекулы подхватывает и уносит, не давая им вернуться назад. Из-за этого, скорость испарения жидкости увеличивается.
Если подуть на мокрую руку, мы почувствуем ощущение прохлады отчетливее. Возникшее движение воздуха увеличило количество испаряющихся молекул. И теперь из жидкости уходит больше тепловой энергии. Это повлияло на усиление ощущения холода.
Когда над поверхностью жидкости движется воздух, жидкость испаряется быстрее.
Как влияет на испарение площадь поверхности жидкости
Нальем одинаковое количество воды в стакан и в блюдечко. Оставим эти емкости на столе на некоторое время. Через несколько дней мы заметим, что в стакане количество воды уменьшилось, а из блюдца вода испарилась полностью. Вода из блюдца испарилась быстрее, потому, что имела большую площадь поверхности.
Процесс испарения происходит у поверхности жидкости. Поэтому, чем больше поверхность жидкости, тем быстрее будет испаряться жидкость.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем быстрее испаряется жидкость.
Как влияет на испарение температура
Жидкости испаряются при любой температуре. А с ростом температуры скорость испарения возрастает. Потому, что возрастает количество молекул, обладающих энергией, достаточной, чтобы покинуть жидкость.
Примечание: Зависимость испарения от температуры в некоторых учебниках описывают так: При повышении температуры все большее количество молекул жидкости имеют кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию взаимодействия с соседними молекулами. Поэтому, с ростом температуры, скорость испарения жидкости возрастает.
Скорость испарения жидкости зависит от ее температуры. Чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость.
Примечание: Процесс образования пара в одних случаях называют испарением, а в других – кипением (ссылка).
Какой пар называют насыщенным
Из-за испарения воздух над жидкостью всегда содержит какое-то количество молекул, вылетевших из жидкости. Некоторые из испарившихся молекул могут вернуться обратно в жидкость. Рассмотрим процесс испарения и возвращения молекул подробнее. Для этого сопоставим, как происходит испарение в закрытом и открытом сосудах.
Сравним испарение в открытом и закрытом сосудах
Рассмотрим сосуд, например, кастрюльку, в которой происходит испарение жидкости.
Поначалу накрывать крышкой ее не будем. Молекулы, вылетевшие из открытого сосуда, будут уноситься движением окружающего кастрюльку воздуха. Благодаря этому масса жидкости в открытом сосуде со временем уменьшится.
Если же емкость накрыта крышкой (пробкой), то часть испарившихся молекул будет возвращаться обратно в жидкость. Потому, что в закупоренном сосуде нет движения больших масс воздуха над жидкостью. Поэтому, некоторые из испарившихся молекул вернутся из воздуха обратно в жидкость.
Масса жидкости, находящейся в закупоренном сосуде, со временем не меняется. Поэтому, жидкости хранят в сосудах, плотно закупоренных пробками.
Что такое динамическое равновесие пара и жидкости
Пусть жидкость находится в закрытом сосуде и испаряется. Поначалу, количество испаряющихся молекул увеличивается. Плотность пара, находящегося над жидкостью, возрастает.
Некоторые из вылетевших молекул возвращаются обратно в жидкость. Но при этом число вылетевших молекул, больше числа вернувшихся обратно.
Пар над жидкостью ненасыщенный, когда число вылетевших молекул больше числа вернувшихся в жидкость.
Время течет и плотность пара над жидкостью продолжает возрастать. Будет возрастать и количество вернувшихся в жидкость молекул.
А когда число вылетевших молекул сравняется с числом вернувшихся, плотность пара станет максимальной.
Теперь, если несколько молекул вылетит из жидкости, то такое же количество других молекул из пара вернется обратно в жидкость.
Такое состояние пара и жидкости называют динамическим равновесием. А пар называют насыщенным.
Пар над жидкостью насыщенный, когда число вылетевших молекул равно числу вернувшихся в жидкость. Такое состояние пара и жидкости — динамическое равновесие. Плотность насыщенного пара – самая высокая при любой выбранной температуре. Чем выше температура, тем больше будет плотность насыщенного пара.
Примечание: Плотность – это масса в объеме. Плотность измеряют в килограммах, деленных на кубический метр. Плотность отвечает на вопрос: «Какова масса одного кубометра вещества?».
Где применяется испарение
Благодаря испарению высыхают развешенные для просушки постиранные вещи.
На электро- и теплостанциях используются большие испарительные колонны – градирни. Они, благодаря испарению, охлаждают большое количество воды, использующейся там для технических нужд.
В кондиционерах и холодильниках применяют высоко летучие жидкости. Испаряясь, эти жидкости охлаждают воздух в помещениях или продукты, хранящиеся внутри холодильника.
И даже в космонавтике процесс испарения играет важную роль. Корпуса спускаемых космических аппаратов покрывают веществами, способными быстро испаряться. Проходя через атмосферу, оболочка капсулы разогревается. А вещество покрытия, испаряясь, охлаждает капсулу и спасает находящихся внутри космонавтов от действия высоких температур.
Что такое конденсация
Если закупоренный прозрачный сосуд с водой из теплого места переместить в прохладное, то через некоторое время на стенках этого сосуда появятся капельки.
Капли жидкости на стенках появляются потому, что существует процесс, обратный испарению. Во время такого процесса молекулы из пара возвращаются обратно в жидкость.
Свое название – конденсация — этот процесс получил от латинского слова «Конденсаре» — сгущать.
Конденсация – это переход молекул из пара в жидкость, процесс обратный парообразованию.
Круговорот воды в природе происходит благодаря процессам конденсации и испарения. Конденсация – это причина появления росы и осадков.
Что происходит во время конденсации
Во время конденсации происходит смена агрегатного состояния вещества:
Дело в том, что молекулы, находящиеся в жидкости, будут двигаться медленнее молекул пара. Когда молекулы пара конденсируются в жидкость, их кинетическая энергия уменьшается. Излишки энергии передаются в окружающую среду.
Процесс конденсации – экзотермический процесс, потому, что при конденсации в окружающую среду выделяется энергия.
Молекулярная физика. Кипение жидкости.
Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.
При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротрещинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.
Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С увеличением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри воды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.
Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.
Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.
Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.
Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.
Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.
Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении давления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Например, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, куриное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.
Теплота парообразования.
Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.
Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r умножить на массу m:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты: