Графік випаровування та конденсації. Фазові переходи. Плавлення та кристалізація
Теми кодифікатора ЄДІ : зміна агрегатних станівречовини, плавлення та кристалізація, випаровування та конденсація, кипіння рідини, зміна енергії у фазових переходах.
Лід, вода та водяна пара - приклади трьох агрегатних станівречовини: твердої, рідкої та газоподібної. В якому саме агрегатному стані знаходиться ця речовина - залежить від її температури та інших зовнішніх умов, у яких вона знаходиться.
При зміні зовнішніх умов (наприклад, якщо внутрішня енергія тіла збільшується чи зменшується внаслідок нагрівання чи охолодження) можуть відбуватися фазові переходи – зміни агрегатних станів речовини тіла. Нас цікавитимуть наступні фазові переходи.
Плавлення(тверде тіло рідина) та кристалізація(Рідкість тверде тіло).
Пароутворення(рідина пар) та конденсація(Пар рідина).
Плавлення та кристалізація
Більшість твердих тіл є кристалічними, тобто. мають кристалічні ґрати- суворо певне, періодично повторюване у просторі розташування своїх часток.
Частинки (атоми або молекули) кристалічного твердого тіла здійснюють теплові коливання поблизу фіксованих положень рівноваги. вузлів кристалічних ґрат.
Наприклад, вузли кристалічної решітки кухонної солі- це вершини кубічних клітин «тривимірного картатого паперу» (див. рис. 1, на якому кульки більшого розміру позначають атоми хлору (зображення з сайту en.wikipedia.org.)); якщо дати випаруватися воді з розчину солі, то сіль, що залишилася, буде нагромадженням маленьких кубиків.
Рис. 1. Кристалічні грати
Плавленнямназивається перетворення кристалічного твердого тіла на рідину. Розплавити можна будь-яке тіло – для цього потрібно нагріти його до температури плавлення, Що залежить лише від речовини тіла, але не від його форми чи розмірів. Температуру плавлення цієї речовини можна визначити з таблиць.
Навпаки, якщо охолоджувати рідину, рано чи пізно вона перейде в твердий стан. Перетворення рідини на кристалічне тверде тіло називається кристалізацієюабо затвердінням. Таким чином, плавлення та кристалізація є взаємно зворотними процесами.
Температура, за якої жикость кристалізується, називається температурою кристалізації. Виявляється, що температура кристалізації дорівнює температурі плавлення: за даної температури можуть протікати обидва процеси. Так, при лід плавиться, а вода кристалізується; що самевідбувається в кожному конкретному випадку - залежить від зовнішніх умов (наприклад, чи тепло підводиться до речовини або відводиться від нього).
Як відбуваються плавлення та кристалізація? Який їхній механізм? Для з'ясування суті цих процесів розглянемо графіки залежності температури тіла від часу при його нагріванні та охолодженні - так звані графіки плавлення та кристалізації.
Графік плавлення
Почнемо з графіка плавлення (рис. 2). Нехай у початковий час (точка на графіці) тіло є кристалічним і має деяку температуру .
Рис. 2. Графік плавлення
Потім до тіла починає підводитися тепло (скажімо, тіло помістили в плавильну піч), і температура тіла підвищується до величини температури плавлення даної речовини. Це ділянка графіка.
На ділянці тіло отримує кількість теплоти
де - Питома теплоємність речовини твердого тіла, - Маса тіла.
При досягненні температури плавлення (у точці) ситуація якісно змінюється. Незважаючи на те, що тепло продовжує підводитись, температура тіла залишається незмінною. На ділянці відбувається плавленнятіла - його поступовий перехід із твердого стану в рідкий. Усередині ділянки ми маємо суміш твердої речовини та рідини, і чим ближче до точки, тим менше залишається твердої речовини і тим більше з'являється рідини. Нарешті, у точці від вихідного твердого тіла нічого не залишилося: воно повністю перетворилося на рідину.
Ділянка відповідає подальшому нагріванню рідини (або, як то кажуть, розплаву). На цій ділянці рідина поглинає кількість теплоти
де – питома теплоємність рідини.
Але нас зараз найбільше цікавить – ділянка фазового переходу. Чому не змінюється температура суміші на цій ділянці? Тепло підводиться!
Повернемося назад, на початок процесу нагрівання. Підвищення температури твердого тіла на ділянці є результатом зростання інтенсивності коливань його частинок у вузлах кристалічної решітки: тепло, що підводиться, йде на збільшення кінетичноїенергії частинок тіла (насправді деяка частина тепла, що підводиться, витрачається на здійснення роботи зі збільшення середніх відстаней між частинками - як ми знаємо, тіла при нагріванні розширюються. Однак ця частина настільки мала, що її можна не брати до уваги.).
Кристалічна решітка розхитується все сильніше і сильніше, і при температурі плавлення розмах коливань досягає тієї граничної величини, при якій сили тяжіння між частинками ще здатні забезпечувати їхнє впорядковане розташування один щодо одного. Тверде тіло починає "тріщати по швах", і подальше нагрівання руйнує кристалічну решітку - так починається плавлення на ділянці.
З цього моменту все тепло, що підводиться, йде на здійснення роботи з розриву зв'язків, що утримують частинки у вузлах кристалічної решітки, тобто. на збільшення потенційноюенергії частинок. Кінетична енергія частинок при цьому залишається такою, що температура тіла не змінюється. У точці кристалічна структура зникає повністю, руйнувати більше нічого, і тепло, що підводиться, знову йде на збільшення кінетичної енергії частинок - на нагрівання розплаву.
Питома теплота плавлення
Отже, для перетворення твердого тіла на рідину мало довести його до температури плавлення. Необхідно додатково (вже при температурі плавлення) повідомити тілу деяку кількість теплоти для повного руйнування кристалічних ґрат (тобто для проходження ділянки).
Ця кількість теплоти йде збільшення потенційної енергії взаємодії частинок. Отже, внутрішня енергія розплаву в точці більша за внутрішній енергії твердого тіла в точці на величину .
Досвід показує, що величина прямо пропорційна масі тіла:
Коефіцієнт пропорційності не залежить від форми та розмірів тіла та є характеристикою речовини. Він називається питомою теплотою плавлення речовини. Питому теплоту плавлення цієї речовини можна знайти у таблицях.
Питома теплота плавлення чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідному для перетворення на рідину одного кілограма даного кристалічного речовини, доведеного до температури плавлення.
Так, питома теплота плавлення льоду дорівнює кДж/кг, свинцю - кДж/кг. Ми бачимо, що для руйнування кристалічних ґрат льоду потрібно майже в раз більше енергії! Лід відноситься до речовин з великою питомою теплотою плавлення і тому навесні тане не відразу (природа вжила своїх заходів: володій лід такою ж питомою теплотою плавлення, як і свинець, вся маса льоду та снігу танула б з першими відлигами, затоплюючи все навколо).
Графік кристалізації
Тепер перейдемо до розгляду кристалізації- процесу, зворотного плавлення. Починаємо з точки попереднього малюнка. Припустимо, що у точці нагрівання розплаву припинилося (піч вимкнули і розплав виставили в повітря). Подальша зміна температури розплаву представлена рис. (3).
Рис. 3. Графік кристалізації
Рідина остигає (ділянка), поки її температура не досягне температури кристалізації, яка збігається з температурою плавлення.
З цього моменту температура розплаву змінюватися перестає, хоча тепло, як і раніше, йде від нього в навколишнє середовище. На ділянці відбувається кристалізаціярозплаву - його поступовий перехід у твердий стан. Усередині ділянки ми знову маємо суміш твердої і рідкої фаз, і чим ближче до точки, тим більше стає твердої речовини і тим менше - рідини.
Наступна ділянка відповідає подальшому остиганню твердого тіла, що виникло в результаті кристалізації.
Нас знову ж таки цікавить ділянку фазового переходу: чому температура залишається незмінною, незважаючи на догляд тепла?
Знову повернемося до точки. Після припинення подачі тепла температура розплаву знижується, оскільки його частки поступово втрачають кінетичну енергію внаслідок зіткнень з молекулами довкілля та випромінювання електромагнітних хвиль.
Коли температура розплаву знизиться до температури кристалізації (точка ), його частинки сповільняться настільки, що сили тяжіння виявляться в змозі «розгорнути» їх належним чином і надати їм певну взаємну орієнтацію в просторі. Так виникнуть умови для зародження кристалічної решітки, і вона дійсно почне формуватися завдяки подальшому виходу енергії з розплаву в навколишній простір.
Одночасно почнеться зустрічний процес виділення енергії: коли частки займають свої місця у вузлах кристалічної решітки, їх потенційна енергія різко зменшується, за рахунок чого збільшується їхня кінетична енергія - рідина, що кристалізується, є джерелом тепла (часто біля ополонки можна побачити птахів, що сидять. Вони там гріються!) . Тепло, що виділяється в ході кристалізації, точно компенсує втрату тепла в навколишнє середовище, і тому температура на ділянці не змінюється.
У точці розплав зникає, а разом із завершенням кристалізації зникає і цей внутрішній генератор тепла. Внаслідок розсіювання енергії, що триває, у зовнішнє середовище зниження температури відновиться, але тільки остигати вже буде утворене тверде тіло (ділянка).
Як показує досвід, при кристалізації на ділянці виділяється рівно те ж самекількість теплоти, яке було поглинено під час плавлення на ділянці.
Пароутворення та конденсація
Пароутворення- це перехід рідини в газоподібний стан (у пара). Існує два способи пароутворення: випаровування та кипіння.
Випаровуваннямназивається пароутворення, яке відбувається за будь-якої температури зі вільної поверхнірідини. Як ви пам'ятаєте з листка «Насичена пара», причиною випаровування є виліт із рідини найшвидших молекул, які здатні подолати сили міжмолекулярного тяжіння. Ці молекули утворюють пару над поверхнею рідини.
Різні рідини випаровуються з різними швидкостями: що більше сили тяжіння молекул друг до друга - тим менше молекул в одиницю часу виявляться може їх подолати і вилетіти назовні, і менше швидкість випаровування. Швидко випаровуються ефір, ацетон, спирт (їх іноді називають леткими рідинами), повільніше - вода, набагато повільніше води випаровуються олія та ртуть.
Швидкість випаровування зростає з підвищенням температури (у спеку білизна висохне швидше), оскільки збільшується середня кінетична енергія молекул рідини, і цим зростає кількість швидких молекул, здатних покинути її межі.
Швидкість випаровування залежить від площі поверхні рідини: чим більше площа, тим більше молекул отримують доступ до поверхні, і випаровування йде швидше (ось чому при розвішуванні білизни його ретельно розправляють).
Одночасно з випаровуванням спостерігається і зворотний процес: молекули пари, роблячи безладний рух над поверхнею рідини, частково повертаються назад у рідину. Перетворення пари на рідину називається конденсацією.
Конденсація уповільнює випаровування рідини. Так, у сухому повітрі білизна висохне швидше, ніж у вологому. Швидше воно висохне і на вітрі: пара зноситься вітром, і випаровування йде інтенсивніше
У деяких ситуаціях швидкість конденсації може бути рівною швидкості випаровування. Тоді обидва процеси компенсують один одного і настає динамічна рівновага: із щільно закупореної пляшки рідина не випаровується роками, а над поверхнею рідини в цьому випадку знаходиться насичений пар.
Конденсацію водяної пари в атмосфері ми постійно спостерігаємо у вигляді хмар, дощів і роси, що випадає вранці; саме випаровування та конденсація забезпечують кругообіг води в природі, підтримуючи життя на Землі.
Оскільки випаровування - це звільнення з рідини найшвидших молекул, у процесі випаровування середня кінетична енергія молекул рідини зменшується, тобто. рідина остигає. Вам добре знайоме відчуття прохолоди і часом навіть мерзлякуватості (особливо при вітрі), коли виходиш з води: вода, випаровуючись по всій поверхні тіла, забирає тепло, вітер же прискорює процес випаровування (nепер зрозуміло, навіщо ми дмемо на гарячий чай. До речі, ще краще при цьому втягувати повітря в себе, оскільки на поверхню чаю тоді приходить сухе навколишнє повітря, а не вологе повітря з наших легенів;-)).
Ті ж прохолоди можна відчути, якщо провести по руці шматочком вати, змоченим у летючому розчиннику (скажімо, в ацетоні або рідини для зняття лаку). У сорокаградусну спеку завдяки посиленому випаровуванню вологи через пори нашого тіла ми зберігаємо свою температуру на рівні нормальної; Якби не було цього терморегулюючого механізму, у таку спеку ми б просто загинули.
Навпаки, в процесі конденсації рідина нагрівається: молекули пари при поверненні в рідину розганяються силами тяжіння з боку молекул рідини, що знаходяться поблизу, в результаті чого середня кінетична енергія молекул рідини збільшується (порівняйте це явище з виділенням енергії при кристалізації розплаву!).
Кипіння
Кипіння- це пароутворення, що відбувається по всьому обсягурідини.
Кипіння виявляється можливим тому, що в рідині завжди розчинено якусь кількість повітря, що потрапило туди внаслідок дифузії. При нагріванні рідини це повітря розширюється, бульбашки повітря поступово збільшуються в розмірах і стають видимими неозброєним оком (у каструлі з водою вони беруть в облогу дно і стінки). Усередині повітряних бульбашок знаходиться насичена пара, тиск якої, як ви пам'ятаєте, швидко зростає з підвищенням температури.
Чим більшими стають бульбашки, тим більша діє ними архімедова сила, і певного моменту починається відрив і спливання бульбашок. Піднімаючись нагору, бульбашки потрапляють у менш нагріті шари рідини; пар у яких конденсується, і бульбашки стискаються знову. Схлопування бульбашок викликає знайомий нам шум, що передує закипанню чайника. Нарешті, з часом вся рідина рівномірно прогрівається, бульбашки досягають поверхні і лопаються, викидаючи назовні повітря та пар – шум змінюється бульканням, рідина кипить.
Пухирці, таким чином, служать «провідниками» пари зсередини рідини на її поверхню. При кипінні поряд із звичайним випаром йде перетворення рідини на пару по всьому об'єму - випаровування всередину повітряних бульбашок з наступним виведенням пари назовні. Ось чому кипляча рідина випаровується дуже швидко: чайник, з якого вода випаровувалась багато днів, википить за півгодини.
На відміну від випаровування, що відбувається за будь-якої температури, рідина починає кипіти тільки при досягненні температури кипіння- саме тієї температури, при якій бульбашки повітря опиняються в стані сплисти і дістатися до поверхні. При температурі кипіння тиск насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску на рідину(зокрема, атмосферному тиску). Відповідно, що більший зовнішній тиск, то при вищій температурі почнеться кипіння.
При нормальному атмосферному тиску (атм або Па) температура кипіння води дорівнює. Тому тиск насиченої водяної пари при температурі дорівнюєПа. Цей факт необхідно знати на вирішення завдань - часто вважається відомим за умовчанням.
На вершині Ельбрусу атмосферний тиск дорівнює атм, і вода там закипить при температурі. А під тиском атм вода почне кипіти тільки при .
Температура кипіння (при нормальному атмосферному тиску) є строго визначеною для даної рідини величиною (температури кипіння, що наводяться в таблицях підручників та довідників - це температури кипіння хімічно чистих рідин. Наявність у рідині домішок може змінювати температуру кипіння. Скажімо, водопровідна вода містить розчинений хлор і деякі солі, тому її температура кипіння при нормальному атмосферному тиску може дещо відрізнятись від ). Так, спирт кипить при, ефір - при, ртуть - при. Зверніть увагу: що більш летючою є рідина, то нижча її температура кипіння. У таблиці температур кипіння бачимо також, що кисень кипить при . Отже, за нормальних температур кисень - це газ!
Ми знаємо, що якщо чайник зняти з вогню, то кипіння відразу припиниться - процес кипіння вимагає безперервного підведення тепла. Водночас температура води в чайнику після закипання перестає змінюватися, постійно залишаючись рівною. Куди ж при цьому подіється тепло?
Ситуація аналогічна до процесу плавлення: тепло йде на збільшення потенційної енергії молекул. В даному випадку - на виконання роботи з видалення молекул на такі відстані, що сили тяжіння виявляться нездатними утримувати молекули неподалік один від одного, і рідина переходитиме в газоподібний стан.
Графік кипіння
Розглянемо графічне уявлення процесу нагрівання рідини – так званий графік кипіння(Рис. 4).
Рис. 4. Графік кипіння
Ділянка передує початку кипіння. На ділянці рідина вирує, її маса зменшується. У точці рідина повністю википає.
Щоб пройти ділянку, тобто. щоб рідина, доведену до температури кипіння, повністю перетворити на пару, до неї потрібно підвести деяку кількість теплоти. Досвід показує, що ця кількість теплоти прямо пропорційна масі рідини:
Коефіцієнт пропорційності називається питомою теплотою пароутвореннярідини (за температури кипіння). Питома теплота пароутворення чисельно дорівнює кількості теплоти, яку потрібно підвести до 1 кг рідини, взятої за температури кипіння, щоб повністю перетворити їх у пар.
Так, при питомій теплоті пароутворення води дорівнює кДж/кг. Цікаво порівняти її з питомою теплотою плавлення льоду (кДж/кг) – питома теплота пароутворення майже в сім разів більша! Це й не дивно: адже для плавлення льоду потрібно лише зруйнувати впорядковане розташування молекул води у вузлах кристалічних ґрат; при цьому відстані між молекулами залишаються приблизно тими самими. А ось для перетворення води в пару потрібно зробити куди більшу роботу з розриву всіх зв'язків між молекулами та видалення молекул на значні відстані один від одного.
Графік конденсації
Процес конденсації пари та подальшого остигання рідини виглядає на графіку симетрично процесу нагрівання та кипіння. Ось відповідний графік конденсаціїдля випадку стоградусної водяної пари, що найчастіше зустрічається в задачах (рис. 5).
Рис. 5. Графік конденсації
У точці маємо водяну пару при . На ділянці йде конденсація; всередині цієї ділянки - суміш пари та води при . У точці пари більше немає, є лише вода при . Ділянка – остигання цієї води.
Досвід показує, що при конденсації пари маси (тобто при проходженні ділянки) виділяється рівно те ж кількість теплоти, яке було витрачено на перетворення в пару рідини маси при даній температурі.
Давайте заради інтересу порівняємо такі кількості теплоти:
Яке виділяється при конденсації водяної пари;
, яке виділяється при охолодженні стоградусної води, що вийшла, до температури, скажімо, .
Дж;
Дж.
Ці числа наочно показують, що опік пором набагато страшніший за опік окропом. При попаданні на шкіру окропу виділяється «лише» (окріп остигає). А ось при опіку парою спочатку виділиться на порядок більша кількість теплоти (пар конденсується), утворюється стоградусна вода, після чого додасться та сама величина при охолодженні цієї води.
Явище перетворення речовини з рідкого стану на газоподібне називається пароутворенням. Пароутворення може здійснюватися у вигляді двох процесів: випаровуванняі
Випаровування
Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури. Так, калюжі висихають і за 10 °С, і за 20 °З, і за 30 °З. Таким чином, випаром називається процес перетворення речовини з рідкого стану на газоподібний, що відбувається з поверхні рідини при будь-якій температурі.
З погляду будови речовини випаровування рідини пояснюється так. Молекули рідини, беручи участь у безперервному русі, мають різні швидкості. Найбільш швидкі молекули, що знаходяться на межі поверхні води та повітря та мають порівняно велику енергію, долають тяжіння сусідніх молекул і залишають рідину. Таким чином, над рідиною утворюється пара.
Оскільки з рідини при випаровуванні вилітають молекули, що мають більшу внутрішню енергію в порівнянні з енергією молекул, що залишаються в рідині, то середня швидкість і середня кінетична енергія молекул рідини зменшуються і, отже, температура рідини зменшується.
Швидкість випаровуваннярідини залежить від роду рідини. Так, швидкість випаровування ефіру більша, ніж швидкість випаровування води та рослинної олії. Крім того, швидкість випаровування залежить від руху повітря над поверхнею рідини. Доказом може бути те, що білизна сохне швидше на вітрі, ніж у безвітряному місці за тих самих зовнішніх умов.
Швидкість випаровуваннязалежить від температури рідини. Наприклад, вода за температури 30 °С випаровується швидше, ніж вода за 10 °С.
Добре відомо, що вода, налита у блюдце, випаруватися швидше, ніж вода такої ж маси, налита у склянку. Отже, залежить від площі поверхні рідини.
Конденсація
Процес перетворення речовини з газоподібного стану на рідке називається конденсацією.
Процес конденсації відбувається одночасно з процесом випаровування. Молекули, що вилетіли з рідини і перебувають над її поверхнею, беруть участь у хаотичному русі. Вони стикаються з іншими молекулами, і в якийсь момент їх швидкості можуть бути спрямовані до поверхні рідини, і молекули повернуться в неї.
Якщо судина відкрита, процес випаровування відбувається швидше, ніж конденсація, і маса рідини в посудині зменшується. Пара, що утворюється над рідиною, називається ненасиченим .
Якщо рідина знаходиться в закритій посудині, то спочатку число молекул, що вилітають з рідини, буде більше, ніж число молекул, що повертаються в неї, але з часом щільність пари над рідиною зросте настільки, що число молекул, що залишають рідину, стане рівним числу молекул, що повертаються до неї. В цьому випадку настає динамічна рівновага рідини з її парою.
Пара, що перебуває у стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, називається насиченою парою .
Якщо посудину з рідиною, в якій знаходиться насичена пара, нагріти, то спочатку кількість молекул, що вилітають з рідини, збільшиться і буде більшою, ніж кількість молекул, що повертаються до неї. З часом рівновага відновиться, але щільність пари над рідиною і відповідно його тиск збільшаться.
Рідина перетворюється на пару (газ) при випаровуванні та кипінні. Ці процеси поєднуються однією назвою «пароутворення», але між цими процесами існує різниця.
Випаровування відбувається з вільної поверхні будь-якої рідини постійно. Фізична природа випаровування – виліт із поверхні молекул, які мають велику швидкість і кінетичної енергією теплового руху. Рідина у своїй охолоджується. У промисловості цей ефект використовують у градирнях для охолодження води.
Кипіння (як і випаровування) – перехід речовини в пароподібний стан, але відбувається по всьому обсягу рідини і тільки при підведенні до рідини теплоти. За подальшого нагрівання температура рідини залишається постійною, а рідина продовжує кипіти.
Температура кипіння залежить від тиску пари над рідиною, зі зниженням тиску температура кипіння знижується і навпаки. Знижуючи тиск пари над рідиною, можна знизити температуру кипіння рідини до точки її замерзання, а вибираючи речовини з потрібними властивостями можна отримати практично будь-яку низьку температуру.
Кількість теплоти необхідне для переходу 1 кг рідини в пароподібний стан називають питомою теплотою пароутворення r,кДж/кг.
Температура, за якої відбувається випаровування, називається температурою насичення. Пара може бути вологою і сухою (без крапель рідини). Пара може бути перегрітим і мати температуру перегріву вище за температуру насичення.
Ці процеси використовуються у парокомпресійних холодильних машинах. Киплячою рідиною є холодоагент, а апарат, в якому він кипить, забираючи тепло від речовини, що охолоджується, - випарником. Кількість теплоти, що підводиться до окропу, визначають за формулою:
де M- маса рідини, що перетворюється на пару; r- Теплота пароутворення.
Температура кипіння залежить від тиску. Ця залежність зображується кривою пружності насичення пари.
Для найпоширенішого в холодильній промисловості холодоагенту – аміаку, така крива наведена на рис. 3, з якого видно, що при тиску, що дорівнює атмосферному (0,1МПа) відповідає температура кипіння аміаку -30°С, а при 1,2Мпа - +30°С.
Перетворення насиченої пари в рідину називається конденсацією, яка відбувається при температурі конденсації, яка також залежить від тиску. Температура конденсації та кипіння при певному тиску однорідної речовиниоднакові. Цей ефект використовується у випарних конденсаторах передачі теплоти конденсації повітря.
Сублімація
Речовина може переходити з твердого стану безпосередньо до пари. Цей процес називається сублімацією. Теплота, що поглинається з навколишнього повітря, витрачається на подолання сил зчеплення молекул і впливу зовнішнього тиску, що перешкоджає цьому процесу.
У звичайних умовах сублімують мало речовини – твердий діоксид вуглецю (сухий лід), йод, камфара та інших.
Для охолодження та отримання низьких температур застосовують сухий лід, що забезпечує при атмосферному тиску температуру -78,3 ° С, а знижуючи тиск можна досягти -100 ° С.
>>Фізика: Випаровування та конденсація
При пароутворенні речовина переходить із рідкого стану в газоподібний (пар). Існують два види пароутворення: випаровування та кипіння.
Випаровування- це пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини.
Як відбувається випаровування? Ми знаємо, що молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному і безладному русі, причому одні їх 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 є випаровування.
Оскільки при випаровуванні з рідини вилітають найбільш швидкі молекули, середня кінетична енергія молекул, 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 більш помітне в тому випадку, коли випаровування відбувається досить швидко (так що рідина не встигає відновити свою температуру завдяки теплообміну з навколишнім середовищем). 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.
Швидковипарні речовини знаходять широке застосування в техніці. Наприклад, у космічній техніці такими речовинами покривають апарати, що спускаються. При проходженні через атмосферу планети корпус апарату в результаті тертя нагрівається, і покриває його речовина 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 (рис. 81) складається із двох термометрів. Один з них (сухий) показує температуру повітря, а інший (резервуар якого обв'язаний батистом, опущеним у воду) – нижчу температуру, обумовлену інтенсивністю випаровування зволоженого 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 йде випаровування і тому високу температуру показує 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, у холодніших шарах атмосфери групуються в дрібні крапельки води, скупчення яких і є хмарами. Наслідком конденсації водяної пари в атмосфері є також дощ та роса.
При випаровуванні рідина охолоджується і, ставши холоднішою, ніж довкілля, починає поглинати її енергію. При конденсації ж, навпаки, відбувається виділення певної кількості теплоти у навколишнє середовище, і її температура дещо підвищується.
??? 1. Які два види пароутворення існують у природі? 2. Що таке випаровування? 3. Від чого залежить швидкість випаровування рідини? 4. Чому при випаровуванні температура рідини знижується? 5. Яким чином вдається запобігти спуску космічних апаратів від перегріву під час проходження через атмосферу планети? 6. Що таке конденсація? 7. Які явища пояснюються конденсацією пари? 8. За допомогою якого приладу вимірюють вологість повітря? Як він улаштований?
Експерементальні завдання . 1. У два однакові блюдця налийте за однаковою кількістю води (наприклад, по три столові ложки). Одне блюдце поставте у тепле місце, а інше – у холодне. Виміряйте час, за який випарується вода в тому та іншому блюдцях. Поясніть різницю у швидкості випаровування. 2. Нанесіть піпеткою на аркуш паперу по краплині води та спирту. Виміряйте час, необхідний їх випаровування. Яка з цих рідин сили тяжіння між молекулами менша? 3. Налийте однакову кількість води у склянку та блюдце. Виміряйте час, за який вона випарується. Поясніть різницю швидкості її випаровування.
С.В. Громов, Н.А. Батьківщина, Фізика 8 клас
Надіслано читачами з інтернет-сайтів
Sub>Календарно-тематичне планування фізики, тестування онлайн, завдання школяру 8 класу, курси вчителю фізики 8 класу, реферати відповідно шкільної програми, готові домашні завдання
Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання дискусійні питання 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 Вдосконалення 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 уроки1. Випаровування та конденсація
Процес переходу речовини з рідкого стану на газоподібний стан називається пароутворенням, зворотний процес перетворення речовини з газоподібного стану на рідке називають конденсацією. Існують два види пароутворення - випаровування та кипіння. Розглянемо спочатку випаровування рідини. Випаровуванням називають процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні рідини за будь-якої температури. З погляду молекулярно-кінетичної теорії ці процеси пояснюються в такий спосіб. Молекули рідини, беручи участь у тепловому русі, безперервно стикаються між собою. Це призводить до того, що деякі з них набувають кінетичної енергії, достатньої для подолання молекулярного тяжіння. Такі молекули, перебуваючи біля поверхні рідини, вилітають із неї, утворюючи над рідиною пар (газ). Молекули пар~ рухаючись хаотично, ударяються об поверхню рідини. При цьому частина може перейти в рідину. Ці два процеси вильоту молекул рідини та ах зворотне повернення в рідину відбуваються одночасно. Якщо число молекул, що вилітають, більше числа повертаються, то відбувається зменшення маси рідини, тобто. рідина випаровується, якщо ж навпаки, кількість рідини збільшується, тобто. спостерігається конденсація пари. Можливий випадок, коли маси рідини та пари, що знаходиться над нею, не змінюються. Це можливо, коли число молекул, що залишають рідину, дорівнює кількості молекул, що повертаються до неї. Такий стан називається динамічною рівновагою
А пара
Що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченим
. Якщо між парою і рідиною немає динамічного рівноваги, він називається ненасиченим.Очевидно, що насичена пара при даній температурі має певну щільність, яка називається рівноважною.
Це обумовлює незмінність рівноважної щільності, а отже, і тиску насиченої пари від його об'єму при незмінній температурі, оскільки зменшення або збільшення обсягу цієї пари призводить до конденсації пари або випаровування рідини відповідно. Ізотерма насиченої пари при деякій температурі в координатної площиниР, V є пряму, паралельну осі V. З підвищенням температури термодинамічної системи рідина - насичена пара число молекул, що залишають рідину за деякий час, перевищує кількість молекул, що повертаються з пари в рідину. Це триває до того часу, поки зростання щільності пари призводить до встановлення динамічного рівноваги за більш високої температурі. При цьому збільшується і тиск насиченої пари. Таким чином, тиск насиченої пари залежить тільки від температури. Настільки швидке зростання тиску насиченої пари обумовлено тим, що з підвищенням температури відбувається зростання не тільки кінетичної енергії поступального руху молекул, а й їх концентрації, тобто. числа молекул в одиниці об'єму
При випаровуванні рідина залишають найбільш швидкі молекули, внаслідок чого середня кінетична енергія поступального руху молекул, що залишилися, зменшується, а отже, і температура рідини знижується (див. §24). Тому, щоб температура рідини, що випаровується, залишалася постійною, до неї треба безперервно підводити певну кількість теплоти.
Кількість теплоти, яке необхідно повідомити одиниці маси рідини, для перетворення її в пару за постійної температури називається питомою теплотою пароутворення.
Питома теплота пароутворення залежить від температури рідини, зменшуючись із її підвищенням. При конденсації кількість теплоти, витрачене випаровування рідини, виділяється. Конденсація – процес перетворення з газоподібного стану на рідкий.
2. Вологість повітря.
В атмосфері завжди міститься кілька водяних пар. Ступінь вологості є однією з суттєвих характеристик погоди та клімату та має у багатьох випадках практичне значення. Так, зберігання різних матеріалів (зокрема цементу, гіпсу та інших будівельних матеріалів), сировини, продуктів, устаткування тощо. має відбуватися за певної вологості. До приміщень, залежно від призначення, також пред'являються відповідні вимоги по вологості.
Для характеристики вологості використовують ряд величин. Абсолютною вологістю р називається маса водяної пари, що міститься в одиниці обсягу повітря. Зазвичай, вона вимірюється в грамах на кубічний метр (г/м3). Абсолютна вологість пов'язана з парціальним тиском Р водяної пари рівнянням Менделєєва - Клайпейрона , де V - об'єм, який займає пара, m, Т і m - маса, абсолютна температура і молярна маса водяного паpa, R - універсальна газова постійна (див. (25.5) . Парціальним тиском називається тиск, який чинить водяна пара без урахування дії молекул повітря іншого сорту. Звідси , оскільки р = m/V - щільність водяної пари.
