Парообразование. Кипение

Под парообразованием будем подразумевать превращение жидкой фазы в пар. Испарение со свободной поверхности жидкости происходит всегда, что связано с тем, что в жидкости W_p~ E_k. Это соотношение между средними энергиями. Однако некоторые молекулы могут иметь кинетическую энергию существенно выше средней, они могут преодолеть силы притяжения молекул-соседей и покинуть жидкость. Над поверхностью жидкости образуется пар. Часть молекул покидает жидкость навсегда, часть возвращается обратно. Если поток уходящих молекул превышает поток возвращающихся, то объем жидкости уменьшается. Ясно, что испарение усиливается с увеличением температуры и свободной поверхности жидкости. Если механически удалять пар от поверхности, испарение пойдет гораздо быстрее.

Если объем, доступный пару, ограничить, то изменение объема жидкости прекратится, потому что свободный объем сможет вместить конечное количество пара. Когда его концентрация достигнет определенной величины, поток возвращающихся в жидкость молекул сравняется с потоком уходящих. Массы жидкости и пара над ней перестанут меняться. Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар – насыщенным.

Давление насыщенного пара зависит только от его температуры. Для водяных паров

Примерный график этой зависимости приведен на рисунке.

Видно, что это быстро возрастающая функция температуры. Попробуем его проанализировать. Пусть в объеме мы имеем пар, температура и давление которого определяются изображенной точкой. Такой пар ненасыщенный, поскольку при данной температуре эта точка лежит ниже кривой насыщенного пара. Будем понижать температуру. Тогда по горизонтальной пунктирной линии мы придем к точке пересечения с графиком. При температуре t _р пар стал насыщенным, дальнейшее понижение температуры должно привести к пересыщению пара. Но его давление не может стать выше давления насыщенных паров при этой температуре. Поэтому при понижении температуры часть пара превратится в жидкость. Образуется роса, поэтому t _р называется точкой росы для данного давления пара. Почему роса выпадает по утрам?

В природных условиях водяные пары являются частью смеси газов, называемых воздухом. Поэтому давление водяных паров – это лишь часть атмосферного давления. Эту часть называют парциальным (частичным) давлением. Чем выше парциальное давление паров, тем выше влажность воздуха. Максимальная влажность достигается, когда водяной пар в воздухе становится насыщенным. В природе этого не происходит, так как в атмосфере поток испаряющихся с поверхности молекул всегда больше возвращающихся. Относительной влажностью мы назовем отношение парциального давления водяных паров в атмосфере к давлению насыщенных паров воды при этой температуре. Ясно, что она меньше 100 процентов.

Для измерения влажности можно использовать, например, зависимость длины человеческого волоса от влажности воздуха. На этом основан простейший прибор для ее измерения – волосной гигрометр. При увеличении влажности волос удлиняется и стрелка поворачивается. Устройство конденсационного гигрометра и психрометра описано в учебнике Перышкина.

Для того, чтобы молекула преодолела притяжение соседей и покинула жидкость, она должна получить избыточную кинетическую энергию. Поэтому, теряя «быстрые» молекулы, жидкость охлаждается. Для испарения необходима дополнительная энергия. В обычных условиях она поступает из окружающей среды, которая становится источником этой энергии. Количество тепла, необходимое для испарения единицы массы вещества называется удельной теплотой испарения. Q=Lm. Удельная теплота заметно зависит от температуры. При конденсации пара, когда молекулы «втягиваются» в жидкость, эта теплота выделяется.

Заметим, что испаряться могут не только жидкости, но кристаллы и аморфные тела со слабой связью между молекулами. Процесс испарения с поверхности твердого тела называется сублимацией (возгонкой).