Пароутворення та конденсація.

Пароутворення – процес перетворення рідини в пару. Конденсація – явище перетворення пари в рідину. Розрізняють два види пароутворення: випаровування та кипіння Випаровування — перехід речовини з рідкого або твердого агрегатного стану в газоподібний (пару). Під випаровуванням розуміють перехід рідини в пару, який відбувається на вільній поверхні рідини. Кипіння — перехід рідини в пару, який характе­ризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об'єму всередину пухир­ців пари, які при цьому виникають. Настає при фіксованій температурі кипіння. Розглянемо детальніше механізми випаровування, кипіння та конденсації.

Випаровування. Ми знаємо, що молекули рідини, як і твердого тіла або газу, безперервно рухаються з різними швидкостями. Окремі молекули рідини рухаються з швидкостями як більшими, так і меншими від середньої швидкості. Якщо якась «швидка» молекула виявиться біля поверхні рідини, то вона може подолати притягання сусідні молекул і вилетіти з рідини. Молекули, що вилетіли з поверхні рідини, утворюють над нею пару, тому випаровування відбувається поступово.

Швидкість випаровування залежить від кількох причин.

Якщо аркуш паперу змочити в одному місці ефіром, а в іншому – водою, то помітимо, що ефір випариться значно швидше, ніж вода. Отже, швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровується та рідина, молекули якої притягаються одна до одної з меншою силою. Адже в цьому разі перемогти притягання і вилетіти з рідини може більша кількість молекул. Молекули ефіру притягаються між собою слабше, ніж молекули води. Щоб подолати сили притягання, для молекул ефіру потрібно менше енергії, ніж для молекул води. Так і для інших рідин. Найбільші сили притягання між молекулами у маслянистих рідинах, а найменші в ефіру і спирту

Через те що деяка кількість молекул, які рухаються швидко, є в рідині при всіх температурах, випаровування відбувається при будь-якій температурі. Це підтверджують спостереження. Наприклад, калюжі випаровуються і влітку в спеку, і восени, коли вже холодно. Але влітку вони висихають швидше. Це пояснюється тим, що чим вища температура рідини, тим більша кількість молекул, які швидко рухаються й можуть подолати сили притягання навколишніх молекул і вилетіти з поверхні рідини. Тому рідина випаровується тим швидше, чим вища її температура.

Одночасно з переходом молекул з рідини в пару відбувається і зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул, що залишили її, знову в неї повертаються. Якщо рідина випаровується в закритій посудині, то досить швидко кількість молекул, які вилетіли з рідини, дорівнюватиме кількості молекул пари, що повертаються назад в рідину. Процеси випаровування та конденсації відбуваються одночасно і в рівній мірі. Тому кількість рідини в закритій посудині не змінюється. У відкритій посудині кількість рідини внаслідок випаровування поступово зменшується, бо більшість молекул пари розсіюється в повітрі, не повертаючись у рідину. Тільки невелика частина їх повертається назад у рідину, сповільнюючи цим випаровування. Тому під час вітру, який відносить молекули пари, рідина випаровується швидше. Швидкість випаровування залежить від потоків повітря і його вологості.

Якщо у вузьку і широку посудини налити по однаковому об’єму води, то можна помітити, що в широкій посудині вода випариться значно швидше. Наприклад, налита в блюдце вода випариться швидше, ніж налита у склянку. Це пояснюється тим, що рідина випаровується з поверхні і чим більша площа поверхні рідини, тим більше молекул одночасно вилітає з неї в повітря. Отже, швидкість випаровування рідини залежить від площі її поверхні.

Вилітаючи з рідини, молекули долають сили притягання з боку решти молекул, тобто виконують роботу проти цих сил. Не всі молекули рідини можуть виконати таку роботу, а тільки ті з них які мають достатню для цього кінетичну енергію, достатню швидкість. Але якщо під час випаровування з рідини вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість решти молекул рідини стає меншою, отже, і середня кінетична енергія молекул, що залишається в рідині, зменшується. Це означає, що внутрішня енергія рідини, яка випаровується, зменшується. Тому, якщо немає припливу енергії до рідини ззовні, то, випаровуючись, вона охолоджується. Виходячи з води навіть у жаркий день, ми відчуваємо холод. Вода, випаровуючись з поверхні нашого тіла, забирає від нього певну кількість теплоти. Проте під час випаровування води, налитої в склянку, ми не помічаємо зниження її температури. Чим це можна пояснити? Справа в тому, що випаровування в цьому разі відбувається повільно і температура води залишається сталою за рахунок кількості теплоти, взятої з навколишнього повітря. Одночасно з випаровуванням відбувається і конденсація. Конденсація пари супроводжується виділенням енергії. Улітку ввечері, коли повітря стає холоднішим, випадає роса. Це водяна пара, що була в повітрі, внаслідок охолодження конденсується, і маленькі крапельки води осідають на траві й листі. Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Пара води, що піднімається над землею, утворює у верхніх, холодніших шарах повітря хмари, які складаються з безлічі найдрібніших крапельок води.

Кипіння. За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватись не лише з поверхні, а й зсередини, з утворенням бульбашок. Це явище називають кипінням. Розглянемо детальніше механізм кипіння. Якщо нагрівати воду, то з часом на дні і стінках посудини, де вона знаходиться, будуть утворюватись бульбашки повітря, яке розчинене у воді. Подальше нагрівання приводить до того, що з підвищенням температури повітряні бульбашки збільшуються в об’ємі. Відбувається внутрішнє випаровування, і всередині бульбашки утворюється водяна пара. Під час закипання води ми чуємо характерний шум: під дією сили Архімеда бульбашки починають спливати, і в момент досягнення поверхні вони лопаються і водяна пара з шумом виривається назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно.При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі.

Таким чином, кипіння – це інтенсивне пароутворення не тільки з вільної поверхні рідини, а й з усього об’єму всередині бульбашок пари, які при цьому виникають.

Температура, за якої кипить рідина, називають температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє певне значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням його вона зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску.

У таблиці подано температури кипіння (в ^оС) деяких речовин (за нормального атмосферного тиску).

Водень	-253	Ефір		Вода		Ртуть		Мідь
Кисень	-183	Спирт		Молоко		Свинець		Залізо

З таблиці видно, що речовини, які в звичайних умовах є газами, при достатньому охолодженні перетворюються в рідини, що киплять при дуже низькій температурі, а речовини, які в звичайних умовах спостерігаємо в твердому стані, перетворюються під час плавлення в рідини, що киплять при дуже високій температурі.

Питома теплота пароутворення Щоб рідина, випаровуючись, не змінювала своєї температури, рідині треба надавати енергію. Так, щоб випарити воду масою 1 кг при температурі 35 ^оС, потрібно 2, 4·10⁶ Дж, а при температурі кипіння 100 ^оС – 2,3·10⁶ Дж. Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення. Питому теплоту пароутворення позначають літерою L(або літерою r). Одиницею питомої теплоти пароутворення є джоуль на кілограм (Дж/кг). Кожна рідина має свою питому теплоту пароутворення. Найчастіше при розв’язуванні задач використовують значення питомої теплоти пароутворення за температури кипіння та нормального атмосферного тиску.

Речовина	Температура кипіння, ^0С (за нормального тиску)	Питома теплота пароутворення, кДж/кг
Вода
Аміак (рідкий)	-33
Спирт
Гліцерин
Ртуть
Кисень	-183

Обчислення кількості теплоти. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, взятої при температурі кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу: Q=Lm. Кількість теплоти, яка виділяється під час конденсації пари визначається також за цією формулою

Ненасичена та насичена пара.Ненаси́чена па́ра — пара, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною (не досягла насичення). Інакше кажучи, ненасиченою буде пара над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією. Очевидно, що густина ненасиченої пари менша за густину насиченої пари. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, у бік рідини, і до неї повернутись – відбувається конденсація. В відкритій посудині молекули, які залишили рідину, можуть не повернутися назад. У цих випадках випаровування переважає над конденсацією і кількість рідини зменшується. Утворена при цьому пара називається ненасиченою. Накриємо посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою настане стан теплової рівноваги. При цьому кількість молекул, що утворюють пару за час, стане дорівнювати кількості молекул, які утворюють рідину (конденсат) за такий самий час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами пароутворення і конденсації речовини. Таку систему називають двохфазною. Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Ця назва передає ту думку, що у певному об’ємі за певної температури не може бути вміщено більшу кількість пари. Насичена пара за даної температури має найбільшу густину і чинить найбільший тиск. Ненасичена і насичена пари мають різні властивості. Дослідимо їх.

Розглянемо процес ізотермічного стискання пари. Нехай ненасичена пара міститься у термоізольованій посудині (для підтримки сталої температури) з поршнем. Якщо ми стискатимемо поршнем ненасичену пару, її густина і тиск зростатимуть доти, поки пара не стане насиченою. Наступне зменшення об’єму не може збільшити ні густину, ні тиск насиченої пари, бо надлишок її перетворюватиметься в рідину. Нарешті вся пара перетворюється в рідину і поршень доторкнеться до її поверхні. Тепер уже зменшення об’єму залежатиме від стискання рідини, а оскільки рідини важко стискаються, то зменшення об’єму потребує значного збільшення тиску.

Ізотермічний перехід ненасиченої пари в рідину

Якщо під поршнем міститься тільки ненасичена пара (т. А), то зменшення її об’єму спричиняє збільшення тиску по кривій АВ (іншими словами, ненасичена пара підпорядковується закону Бойля-Маріотта для ідеального газу). Подальше ізотермічне стискання пари веде до того, що вона починає конденсуватись (т. В) – пара стає насичено. Густина і тиск насиченої пари за незмінної температури є сталими величинами (ділянка ВЕ). Коли вся пара конденсується (т. Е), то наступне зменшення об’єму спричинить стискання рідини (ділянка ЕF). Отже перший висновок, який ми можемо зробити із досліду, що для ненасиченої пари (як і для ідеального газу) виконується закон Бойля-Маріотта. Для насиченої пари цей закон не виконується, тиск і густина насиченої пари не залежать від об’єму. Стан насиченої пари наближено описується рівнянням стану ідеального газу, і її тиск наближено визначається формулою . Проте за сталого об’єму залежність тиску від температури не є лінійною як у ідеального газу.

З’ясуємо, як поводитиме себе насичена і ненасичена пара при ізохорному процесі. Для цього візьмемо герметично закриту посудину (для підтримки сталого об’єму), з’єднану з манометром. У посудині міститься тільки рідина і її пара (інших газів немає). Нагріваючи посудину будемо фіксувати значення температури і тиску пари.

 

Залежність тиску пари від температури

Під час нагрівання кількість рідини у закритій посудині зменшується, отже густина і маса пари в посудині при нагріванні збільшується. Тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок збільшення температури, а й внаслідок збільшення густини пари. Таким чином залежність тиску насиченої пари від температури (ділянка АВ) не підпорядковується закону Шарля (другий закон Гей-Люссака). Коли вся рідина випарується, пара при дальшому нагріванні стане вже ненасиченою і її тиск при сталому об’ємі зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (ділянка ВС).

Таким чином, наступний висновок який можна зробити: закон Шарля до насиченої пари незастосовний. Перехід ненасиченої пари у насичену, а потім – у рідину, як і зворотний перехід рідини в насичену і ненасичену пару, може відбуватися двома способами – під час зміни об’єму пари і за зміни її температури. Якщо охолоджувати ненасичену пару за сталого тиску, вона стає насиченою, а потім конденсується в рідину (утворення роси на поверхні Землі). Якщо рідину нагріти у закритій посудині, то утворена пара спочатку є насиченою, а потім стає ненасиченою. Як було уже сказано під час нагрівання густина насиченої пари зростає, а густина рідини зменшується. Тобто зі зростанням температури їх густини зближаються і за деякої температури Т _к (критичної температури) стають однаковими. В цей момент між рідиною і парою зникає межа поділу, пару і рідину не можна розрізнити.

Залежність густини рідини та її пари від температури

Критична температура – це температура, при якій зникає відмінність фізичних властивостей рідини і насиченої пари. При критичній температурі густина і тиск насиченої пари стають максимальними. А густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною. Для кожної речовини існує своє конкретне значення критичної температури. Таким чином особливості газоподібного стану речовини визначається значенням температури за якої вона перебуває. Якщо температура газу за нормальних умов вища за її критичне значення, то газ залишається газом і перетворити його в рідину не можна ні при яких тисках. Парою називають газоподібний стан речовини, для якої звичайні температури виявляються нижчими за її критичну температуру. Така речовина за звичайних умов може перебувати як у рідкому, так і в газоподібному станах.

Перенасичена пара. Спостереження показують, якщо пара не стискається з рідиною, то її можна охолодити до температури нижчої за критичну, але конденсуватись у рідину вона не буде. Така пара називається перенасиченою. Пояснюється це тим. Що для конденсації необхідні, так звані, центри конденсації, які б могли бути зародками краплинок рідини. Центрами конденсації, як правило є пилинки або йони. Чиста пара конденсується лише після досягнення високого ступеня перенасичення.