Випаровування рідини у герметично закритій посудині

Динамічна (рухома) рівновага пари і рідини – це стан, коли процеси випаровування і конденсації врівноважуються, тобто кількість молекул, які вилетіли з рідини дорівнює кількості молекул, що в неї повернулись.

Насичена пара – це пара, яка перебуває у стані динамічної рівноваги із своєю рідиною (тобто процеси випаровування і конденсації зрівноважені, рис. 9, б).

Ненасичена пара – це пара без рідини, або пара, яка не досягла насичення (при цьому процес випаровування переважає над конденсацією, рис. 9, а).

Перенасичена пара – нерівноважний стан пари, коли процес конденсації переважає над процесом випаровування, (рис. 9, в).

пара

рідина

 

N_вил > N_пов N_вил = N_пов N_вил < N_пов

Ненасичена пара Насичена пара Перенасичена пара

Нерівноважний стан Рівноважний стан Нерівноважний стан

а б в

Рис. 9

 

N_вил – кількість молекул, які вилітають з рідини у пару,

N_пов – кількість молекул, які повертаються у рідину з пари.

Властивості ненасиченої пари підлягають усім газовим законам (чим далі від насичення пара, тобто чим менша її концентрація, тим точніше). До насиченої пари газові закони не застосовні (бо m ≠ const).

Властивості насиченої пари

1. Тиск насиченої пари залежить від її виду (р = f (ρ)) і може бути визначений із рівняння стану

(26)

2. Згідно формули p = nkT тиск пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури, а й внаслідок збільшення концентрації.

3. Тиск і густина насиченої пари даного виду є максимальними при даній температурі.

4. Тиск насиченої пари не залежить від її об’єму (р f (V)).

5. Концентрація молекул насиченої пари у закритому об’ємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама, незалежно від об’єму, який займає пара (n f (V) = const).

6. При ізотермічному стисканні конденсується рівно стільки насиченої пари, скільки її було у відібраному від пари об’ємі

(ρ_н = сonst при T = const).

7. Насичену пару можна перевести у ненасичену або ізохорним нагріванням, або ізотермічним розширенням, або одночасно нагріванням і розширенням. І навпаки, ненасичену пару у насичену завжди можна перевести ізохорним охолодженням, або ізотермічним стисканням, або одночасно охолодженням і стисканням.

р р,ρ р,ρ

D рідина

ρ_кр, газ

ρ_н С В р_кр ρ_кр, К

р_кр

пара насичена

А пара

 

0 V 0 Т_кр Т 0 Т_кр Т

 

Ізотермічне стискання пари: Залежність тиску Пояснення критичного

АВ – газ; СD – рідина; пари від температури стану речовини

ВС – насичена пара+рідина.

 

Рис. 10 Рис. 11 Рис. 12

 

4. Критичний стан речовини – такий стан речовини, в якому відсутня фізична різниця між рідиною і її парою (ρ_н = ρ_ρ).

Параметри, що описують цей стан, також називають критичними.

Особливості параметрів критичного стану речовини:

1. Критичний тиск р_кр є максимально можливим тиском насиченої пари даної речовини.

2. Критичний об’єм V_кр є найбільшим об’ємом, який може займати наявна маса речовини у рідкому стані.

3. При Т > Т_кр речовина може існувати тільки у газоподібному стані. У цьому разі ніяким збільшенням тиску не можна перетворити газ на рідину.

4. При Т < Т_кр стисненням газу можна викликати його конденсацію.

Таким чином, визначимо два види газоподібного стану речовини:

· газ – при Т > Т_кр газоподібна фаза речовини, далека від

насичення, у рідину її перетворити не можна. =>

· пара – при Т < Т_кр стисненням перетворюється у рідину.

ρ_г < ρ_п (п _г < п_п).

5. Кипіння – пароутворення, яке відбувається в об’ємі всієї рідини при сталій температурі t_к, яка називається температурою кипіння.

Доки не википить вся рідина, ця температура не зміниться.

Пояснення процесу кипіння

t2≈ t1

t1

t2<t1

t1

Рис. 13

Рідина є фізично неоднорідна, у ній завжди є розчинені гази (в т.ч. повітря). Крім того на поверхні стінок посудини завжди є молекули повітря, які ніби прилипають до неї (адсорбований газ). Всі ці фактори призводять до утворення в рідині центрів пароутворення. При нагріванні всередині рідини виникають, ростуть і піднімаються бульбашки повітря з парою, що міститься в них. Потрапивши у верхні, менш нагріті шари рідини, вони зменшуються у розмірах внаслідок конденсації пари всередині їх (рис. 80). Тріскаючись, вони спричиняють „спів чайника”. Коли температура рідини вирівняється в усьому об’ємі (для води при р_о – при t ≈ 60 ⁰С), об’єм бульбашок зростатиме, бо при спливанні: 1) зменшується гідростатичний тиск, 2) всередину входять нові молекули пари. При досягненні поверхні насичена пара викидається з бульбашок в атмосферу. Стикаючись з холодним повітрям, вона конденсується.

2. Умова кипіння:

р_нас ≥ р_зовн.+ ρgh (27)

або (у побуті):

р_нас ≥ р_зовн (28)

Тиск насиченої пари і температура кипіння залежать від зовнішнього тиску: чим більший р_зовн., тим вища t_{к .}

3. Застосування кипіння:

1. Кипіння при високих температурах: автоклави в медицині, харчовій промисловості, хімії, будівельній індустрії; парові двигуни.

2. Кипіння при низьких температурах: цукрова промисловість (сушарні); у горах частіше смажать, ніж варять.

6. Теплота пароутворення Q_п – кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару

при сталій температурі

Q_п = rm, (29)

r

0 Tкре Tкрв T     Рис. 14

вода

ефір

де (30)

– питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг рідини на пару при температурі кипіння; залежить від роду речовини і температури (рис. 14).

[r] = Дж/кг

Якщо зовнішні умови однакові, то при рівних масах однакової речовини теплота пароутворення дорівнює теплоті конденсації.

 

7. Вологість повітря – вміст водяної пари у повітрі.

 

1. Параметри вологості:

1. Абсолютна вологістьρ_а – густина, тобто маса водяної пари, що міститься за даної температури, в 1м³ повітря

(31)

2. Парціальний тиск р_а – тиск, який чинила б водяна пара, коли б не було інших газів

(32)

Але за абсолютною вологістю ρ_а (чи парціальним тиском р_а) ще не можна встановити, наскільки повітря сухе чи вологе, бо дана кількість водяної пари може виявитися близькою до насичення (при низьких температурах) і далекою (при високих температурах).

Відносна вологість

Сукупність вологості, тобто характеристику наближення стану пари у повітрі до стадії насичення (при насиченні припиняється випаровування води) показує відносна вологість.

Відносною вологістю повітря φ називають величину, яка вимірюється відношенням абсолютної вологості до кількості пари, необхідної для насичення 1 м³ повітря при тій самій температурі. (виражають у %)

(33)

Оскільки р ~ ρ, то відносною вологістю повітря називають виражене в % відношення парціального тиску р_а водяної пари, яка є в повітрі при даній температурі, до тиску насиченої пари р_н при тій самій температурі

(34)

Якщо кількість молекул пари у повітрі не змінюється, то при його нагріванні відносна вологість зменшуватиметься, а при охолодженні зростатиме, доки не досягне значення 100%.

4.

0 tp t1 t   Рис. 15

р   рн   р1

Точка роси – температура при якій пара, наявна у повітрі, стає насиченою (тобто відносна вологість стає 100%). При цій температурі починається конденсація пари (з’являється туман, випадає роса). Точка роси характеризує вологість повітря, оскільки вона має змогу визначити парціальний тискр_а (чи абсолютну вологість ρ_а) і, відповідно, відносну вологість.

Справді, якщо пару охолоджувати від t₁ (стан А) до t _р при сталому тиску, то вона стане насиченою (стан В). За таблицею залежності тиску насиченої пари від температури можна визначити р _р (при t _р), р _н (при t ₁), а отже і φ.

 

Вимірювання вологості

Виміряти абсолютну вологість, пропустивши пару через певну речовину, що її поглинає, – складно, тому вимірюють, відносну вологість гігрометрами та психрометрами.

1. У волосяному гігрометрі використовується властивість знежиреної людської волосини збільшувати довжину зі збільшенням вологості повітря. Волосина закріплена на стояку і нижнім кінцем закріплена з механізмом стрілки, яка показує на градуйованій шкалі φ.

2. Конденсаційний гігрометр, який складається з металевого резервуара Р з відполірованою передньою стінкою С і термометра Т, дає змогу виміряти точку роси, а за нею – відносну вологість. У резервуар наливають невелику кількість ефіру, через який за допомогою груші Г продувають повітря. При випаровуванні ефіру температура знижується до точки роси, і на стінці з’являється роса внаслідок конденсації пари, що є у повітрі.

Волосяний Конденсаційний Психрометр гігрометр гігрометр ВИТ   а б в   Рис. 16

3. Психрометр складається із сухого та вологого термометрів (який опущено у резервуар з водою). Температура вологого термометра _{t в} нижча, ніж сухого _{t с}, внаслідок його охолодження під час випаровування. Знаючи різницю температур за допомогою спеціальних таблиць визначають відноснувологість.

Значення вологості для життя людини і її навколишнього середовища (здоров’я, природи, побуту, техніки) дуже велике.