Залежність температури кипіння від тиску

Лекція №7

 

Взаємні перетворення рідин і газів

 

У природі, техніці і побуті ми часто спостерігаємо перетворення рідких і твердих речовин у газоподібний стан. В ясний день швидко висихають мокра білизна, калюжі та ін. (особливо, коли дме вітер). Із часом зменшуючись, зникають шматки сухого льоду, зменшуються розміри шматочків нафталіну, яким пересипають вовняні речі тощо. Добре закритий флакон з духами може стояти дуже довго і кількість духів у ньому не зміниться. Якщо ж залишити його відкритим на тривалий час, то кількість рідини зменшиться або взагалі її не стане. У всіх цих випадках спостерігається процес перетворення речовин у газоподібний стан – у пару.

Пароутворення відбувається двома способами – випаровуванням і кипінням.

 

 

Випаровування

Випаровування – це пароутворення, що відбувається лише з поверхні рідини. Цей процес відбувається за будь-якої температури і легко пояснюється МКТ. Молекули рідини, як і газу, рухаються хаотично і мають різні швидкості. Деякі з них мають достатню кінетичну енергію для того, щоб відірватися від поверхні, поборовши сили притягання інших молекул. Тому над рідиною завжди є її вільні молекули, які утворюють пару.

Саме завдяки випаровуванню відбувається охолодження рідини. Оскільки вириваються і вилітають з рідини найшвидкіші молекули, середня кінетична енергія молекул, які залишилися, зменшується. Внаслідок цього рідина під час випаровування охолоджується. Якщо змочити руку рідиною, що швидко випаровується (ацетон або бензин), то відразу можна відчути сильне охолодження змоченого місця. Охолодження посилиться, якщо на руку подути (потік повітря над посудиною захоплює з собою пару рідини і молекули не можуть повернутися знову в рідину).

Молекула, що вилетіла з рідини, бере участь у хаотичному тепловому русі газу. Рухаючись, вона може назавжди відлетіти від поверхні рідини, а може і повернутися знову в рідину. Цей процес називають конденсацією пари. З наближенням до поверхні рідини сили притягання прискорюють молекулу, надаючи їй додаткової кінетичної енергії, рівної затраченій на подолання цих сил. Повернувшись, має таку саму кінетичну енергію, яку мала під час випаровування. Тому в процесі конденсації пари виділяєтюуя стільки ж енергії, скільки було затрачено на її утворення.

Від чого залежить швидкість випаровування?

Виділяють такі фактори:

Ø чим вища температура рідини, тим більша швидкість випаровування;

Ø чим більша поверхня рідини;

Ø чим швидше видаляється пара, яка утворилася над поверхнею;

Ø чим менший зовнішній тиск;

Ø від природи речовини (олія вода ефір - швидкість випаровування зростає – пояснюється різними силами взаємодії між молекулами).

Інша картина спостерігається, коли рідина перебуває у закритій посудині і займає частину її об’єму. Із часом зменшення кількості рідини припиниться. Це пояснюється так. На початку процесу кількість молекул, які вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї, і концентрація молекул пари зростає. Але чим більше стає молекул, які вилітають з рідини, тим більше їх потрапляє назад у рідину. Нарешті настає такий момент, коли кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повертаються в неї за той самий час. Очевидно, починаючи з цього моменту, концентрація молекул буде сталою і вона не залежить від об’єму пари (для води при кімнатній температурі = 10²² молекул на 1 см² площі поверхні). Такий стан називають динамічною рівновагою.

Означення. Пару, яка перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.

У різних рідин динамічна рівновага з парою настає за різної густини пари (концентрації молекул).

Означення. Пару, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною (не досягла насичення), називають ненасиченою (коли випаровування переважає над конденсацією).

Густина ненасиченої пари менша за густину насиченої пари. Властивості ненасиченої пари можна описувати газовими законами для ідеального газу (чим менша густина пари, тим буде точніше): Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, Мєндєлєєва-Клапейрона.

Тиск насиченої пари. Об’єм пари можна змінювати, наприклад, змінюючи тиск при незмінній температурі. Під час стискання пари рівновага порушується. Із пари більша кількість молекул переходить в рідину, ніж навпаки. Але це триває доти, поки знову не встановиться динамічна рівновага і концентрація молекул не набуде попереднього значення. Так як концентрація молекул не залежить від об’єму пари, то можна стверджувати, що тиск насиченої пари не залежить від об’єму, який вона займає.

Означення. Тиск пари р₀, за якого рідина перебуває в рівновазі зі своєю парою, називають тиском насиченої пари.

Коли стискувати насичену пару, дедалі більша її кількість переходить в рідкий стан.

 

Кипіння.

Залежність температури кипіння від тиску.

Критична температура

 

Другий спосіб перетворення рідини в пару – кипіння, добре відомий із повсякденного життя. З відкритої посудини процес випаровування відбувається за будь-якої температури. Але кипить рідина у тій самій відкритій посудині лише за певної температури. Це найістотніша відмінність кипіння від випаровування.

Як же відбувається процес кипіння?

Якщо нагрівати воду у відкритій посудині, наприклад, у колбі, то спочатку можна побачити, що над колбою утворюється туман. Він свідчить про випаровування з поверхні рідини. Водяна пара, виходячи назовні, змішується з холодним повітрям і конденсується. Під час підвищення температури в окремих місцях стінок колби стають помітними численні маленькі бульбашки. Їх розміри поступово зростають, оскільки вони наповнюються парою води (насиченою), яка випаровується зі стінок, і газами, які завжди є розчинені у рідині. З підвищенням температури тиск насиченої пари в середині бульбашок зростає, а також зростає виштовхувальна сила, яка діє на них з боку рідини. Вони відриваються від стінок посудини і спливають угору. Досягнувши вільної поверхні води, бульбашки лопаються, і водяна пара, що міститься в них, виходить в атмосферу (якщо верхні шари рідини мають нижчу температуру, то в цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках; тиск швидко зменшується і бульбашки захлопуються). Таке випаровування в середині рідини з виділенням бульбашок називають кипінням.