Пн. Фев 26th, 2024

Давление испарения воды. Испарение

Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.

Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.

Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.

  • Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.
  • Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.

Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.

Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха — из-за разницы температур происходит испарение. Как будто бы это фазовый переход, о котором мы говорим в статье об агрегатных состояниях .

Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.

Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:

Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:

ИспарениеКипение
При любой температуре, с поверхности жидкостиПри определенной температуре, во всем объеме жидкости

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Испарение и кипение — два процесса превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое. Общей характеристикой этих процессов является то, что оба они

А. Представляют собой процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное
Б. Происходят при определённой температуре

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

2. Испарение и кипение — два процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Различие между ними заключается в том, что

А. Кипение происходит при определённой температуре, а испарение — при любой температуре.
Б. Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение — во всём объёме жидкости.

Правильным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

3. При нагревании вода превращается в пар той же температуры. При этом

1) увеличивается среднее расстояние между молекулами
2) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
3) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами

4. В процессе конденсации водяного пара при неизменной его температуре выделилось некоторое количество теплоты. Что произошло с энергией молекул водяного пара?

1) изменилась как потенциальная, так и кинетическая энергия молекул пара
2) изменилась только потенциальная энергия молекул пара
3) изменилась только кинетическая энергия молекул пара
4) внутренняя энергия молекул пара не изменилась

5. На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени при её охлаждении и последующем нагревании. Первоначально вода находилась в газообразном состоянии. Какой участок графика соответствует процессу конденсации воды?

1) АВ
2) ВС
3) CD
4) DE

6. На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени. В начальный момент времени вода находилась в газообразном состоянии. В каком состоянии находится вода в момент времени ​ ( tau_1 ) ​?

1) только в газообразном
2) только в жидком
3) часть воды в жидком состоянии, часть — в газообразном
4) часть воды в жидком состоянии, часть — в кристаллическом

7. На рисунке приведён график зависимости температуры спирта от времени при его нагревании и последующем охлаждении. Первоначально спирт находился в жидком состоянии. Какой участок графика соответствует процессу кипения спирта?

1) АВ
2) ВС
3) CD
4) DE

8. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы превратить в газообразное состояние 0,1 кг спирта при температуре кипения?

1) 240 Дж
2) 90 кДж
3) 230 кДж
4) 4500 кДж

9. В понедельник абсолютная влажность воздуха днём при температуре 20 °С была равной 12,8 г/см 3 . Во вторник она увеличилась и стала равной 15,4 г/см 3 . Выпала ли роса при понижении температуры до 16 °С, если плотность насыщенного пара при этой температуре 13,6 г/см 3 ?

1) не выпала ни в понедельник, ни во вторник
2) выпала и в понедельник, и во вторник
3) в понедельник выпала, во вторник не выпала
4) в понедельник не выпала, во вторник выпала

10. Чему равна относительная влажность воздуха, если при температуре 30 °С абсолютная влажность воздуха равна 18·10 -3 кг/м 3 , а плотность насыщенного пара при этой температуре 30·10 -3 кг/м 3 ?

11. Для каждого физического понятия из первого столбца подберите соответствующий пример из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
A) физическая величина
Б) единица физической величины
B) прибор для измерения физической величины

ПРИМЕРЫ
1) кристаллизация
2) джоуль
3) кипение
4) температура
5) мензурка

12. На рисунке приведены графики зависимости от времени температуры двух веществ одинаковой массы, находившихся первоначально в жидком состоянии, получающих одинаковое количество теплоты в единицу времени. Из приведённых ниже утверждений выберите правильные и запишите их номера.

1) Вещество 1 полностью переходит в газообразное состояние, когда начинается кипение вещества 2
2) Удельная теплоёмкость вещества 1 больше, чем вещества 2
3) Удельная теплота парообразования вещества 1 больше, чем вещества 2
4) Температура кипения вещества 1 выше, чем вещества 2
5) В течение промежутка времени ​ ( 0-t_1 ) ​ оба вещества находились в жидком состоянии

Часть 2

13. Какое количество теплоты необходимо для превращения в стоградусный пар 200 г воды, взятой при температуре 40 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.

Физика процесса

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

  • испарение;
  • кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

  1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами – кислородом и др.
  2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

Q – теплота, затраченная на превращение пара в жидкость

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость – когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

От давления зависит также и температура кипения воды – она уменьшается при понижении давления и, наоборот, увеличивается при его повышении, и может достичь своего максимального значения 374,15 °С.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину – удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Какие бывают поверхности

Итак, перейдем к тому, что можно назвать расчет поверхности. Это поиск площади поверхности жидкости, которая в настоящий момент испаряется. А испаряются все жидкости без исключения. Для этого расчета используются классические планиметрические формулы из геометрии. Овалы, окружности, квадраты и прямоугольники. Учитывая , что емкости для жидкости могут иметь совершенно различный вид, стоит иметь в запасе достаточное количество формул для проведения математических вычислений.

Если знать площадь, то можно легко определить навскидку скорость и степень испарения. Поэтому для тех, кто уверен в пользе влажности в помещении, это очень важно. Пользуйтесь формулами, рассчитывайте площадь и создайте уникальный климат в своей квартире.

Роль явления

Испарение и кипение — очень распространённые физические явления, без которых стала бы невозможной нормальная жизнь на земле. Люди ежедневно сталкиваются с ним в быту, а также используют в промышленности, технике, энергетике и других сферах жизнедеятельности. Кроме того, фазовый переход жидкости и газа играет важную роль в существовании живых организмов и экосистеме планеты в целом.

В организме человека, животных и растений

Испарение играет важную роль в процессе саморегуляции температуры тела человека и большинства млекопитающих. Поскольку чрезмерное тепло для них вредно или даже смертельно (при 42,2 °C в крови происходит свёртывание белка, что приводит к быстрой смерти), в процессе эволюции организм разработал систему самоохлаждения — потоотделение. Она задействуется при пребывании в жарких или душных помещениях, тяжёлом физическом труде, болезнях.

Через поры на коже выделяется жидкость, которая затем быстро испаряется. Это позволяет быстро избавиться от лишней энергии и охладить тело, нормализовав температуру. Некоторые животные инстинктивно пытаются усилить этот процесс — например, собаки в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык.

Представители флоры обладают похожим защитным механизмом. Чтобы не перегреться на солнце, они запускают процесс испарения ранее поглощённой воды, тем самым охлаждаясь. Поэтому в летнюю пору садоводы усиленно поливают культурные растения, предотвращая их засыхание или выгорание в самые жаркие дни.

В природе и окружающей среде

Роль испарения и конденсации (превращение газа обратно в жидкость) в природе трудно переоценить. Они лежат в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему необходимыми питательными веществами, спасает водоёмы от пересыхания, а животных и растений — от вымирания. Только благодаря этому явлению жизнь на земле может существовать в нынешнем виде.

Испарение большого количества воды с поверхности морей, океанов, рек и озёр приводит к появлению дождевых туч, которые разносят влагу по всему миру и питают окружающую среду. Это же явление препятствует затоплению и заболачиванию участков (особенно зимой, когда тают снега и льды), возвращая лишнюю воду обратно в мировой океан.

Благодаря испарению возможно такое явление, как запахи. Животные используют его во множестве сфер своей жизни — от охоты и поиска пищи до размножения и общения. Оно также помогает представителям фауны распознавать опасность в виде хищников или огня и дыма, обнаруживать токсичные вещества в атмосфере.

В быту и промышленности

Испарение широко применяется в бытовой жизни людей, а также в создании сложных механизмов и промышленных машин. Некоторые примеры использования этого процесса:

  • создание охладителей для двигателей, ядерных реакторов, спускаемых аппаратов в космической технике;
  • сушка различных вещей — от одежды до производственного сырья;
  • запчасти бытовых и промышленных холодильников;
  • кондиционирование и очищение воздуха;
  • энергетическая промышленность;
  • очистка различных веществ на молекулярном уровне;
  • охлаждение воды;
  • дегидрация продуктов для увеличения срока хранения, создание диетической еды путём вывода лишних веществ;
  • готовка на пару в кулинарии;
  • стимуляция процессов при химических опытах;
  • декор и дизайн одежды — например, сублимационная фотопечать;
  • оздоровительные процедуры — бани, криотерапия, косметические техники;
  • медицинские ингаляции — приготовление насыщенных полезными веществами газов основано на процессе испарения.

Промышленная техника, использующая испарение для работы, строится по одной и той же схеме. В ней максимально увеличивается площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наилучший теплообмен с газовой средой. Это достигается за счёт разделения воды на отдельные струи и капли, а также образования тонких плёнок вещества на внутренней поверхности и насадках. Газ в приборах разгоняется, что также улучшает эффективность охлаждения.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Насыщенный пар. Давления насыщенного пара. Кипение»

Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние. Такой процесс в физике называется парообразованием.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.

Под испарением мы с вами будем понимать процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества. Но для начала давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в непрерывном движении. Их скорости меняются самым случайным образом. И несмотря на то, что среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение, кинетическая энергия отдельной молекулы может быть как больше, так и меньше средней:

Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.

Поскольку при испарении поверхность жидкости покидают самые быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, и в результате температура жидкости понижается.

Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов: от её рода, температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха.

Вылетевшая из жидкости молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Хаотично двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, а может и вернуться снова в жидкость.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. При этом процессе число молекул, возвращающихся в жидкость за определённый промежуток времени, всегда больше числа молекул, покидающих её.

Процессы испарения и конденсации широко распространены в природе и технике. Так, например, вследствие испарения воды с поверхности водной оболочки Земли — гидросферы, с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака и выпадать в виде осадков.

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. И если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться достаточно в широких пределах как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.

Однако процесс испарения в замкнутое пространство при данной температуре может происходить только до определённого предела. Объясняется это достаточно просто. Вот есть сосуд, который частично заполнили водой и плотно закрыли. В сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — это испарение и переход водяного пара в жидкость, то есть конденсация.

В течение некоторого промежутка времени после герметизации сосуда испарение жидкости преобладает над конденсацией её пара. Количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а плотность пара над ней — увеличиваться. Но концентрация пара в закрытом сосуде не может расти вечно. Со временем число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё, за тот же промежуток времени. В этом случае говорят, что между жидкостью и паром устанавливается состояние динамического равновесия.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным.

А теперь давайте нагреем наш сосуд, в котором жидкость и пар находятся в состоянии динамического равновесия. Нетрудно заметить, что при увеличении температуры, количество молекул, которые покидают поверхность жидкости, возрастает. При этом в начале количество молекул, покидающих жидкость, больше, чем тех, которые возвращаются обратно, то есть нарушается динамическое равновесие. Однако через какое-то время равновесие вновь восстанавливается. Но так как число молекул в единице объёма пара увеличилось по сравнению с первоначальным, то увеличилась и плотность насыщенного пара. А мы уже знаем, что при увеличении плотности газа возрастает и его давление.

Значит, с увеличением температуры, плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Приближённо зависимость давления насыщенного пара от температуры можно описать уравнением состояния идеального газа:

p = nkT.

Почему приближённо? Дело в том, что давление насыщенного пара при постоянном объёме растёт не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара и, как следствие, его плотности и массы.

Поэтому вначале давление насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа. И лишь когда вся жидкость испарится, пар перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объёме будет расти прямо пропорционально температуре.

Вернём нашу систему в исходное состояние и посмотрим, как поведёт себя насыщенный пар, если уменьшить занимаемый им объём. Сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию количества молекул, переходящих в жидкость, и динамическое равновесие нарушается. Но вот число молекул, которые покидают поверхность жидкости, не меняется, так как оно зависит только от температуры, которая у нас остаётся неизменной. В результате количество молекул пара уменьшается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а, следовательно, его давление и концентрация молекул не примут своих прежних значений.

Таким образом, при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от занимаемого им объёма.

Давление и плотность насыщенного пара при данной температуре — это максимальные давление и плотность, которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью при этой температуре.

Пар, давление (или плотность) которого меньше давления (или плотности) насыщенного пара при той же температуре, называют ненасыщенным паром.

При уменьшении объёма давление ненасыщенного пара увеличивается подобно тому, как изменяется давление при уменьшении объёма идеального газа. Достигнув определённого объёма, пар становится насыщенным, и при дальнейшем сжатии будет происходить превращение пара в жидкость. А как только весь пар превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объёма вызовет резкое увеличение давления, так как жидкости малосжимаемы.

Но самое интересное в этом то, что если температура пара выше некоторого значения, то, как бы мы ни сжимали его, он никогда не превратится в жидкость. То есть превращение пара в жидкость происходит не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар ещё может превратиться в жидкость, называется критической температурой.

У каждого вещества своя критическая температура.

Запомните, что состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.

Обобщив всё вышесказанное, можно утверждать, что газовые законы для насыщенного пара не применимы, так как при любом объёме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково. Однако состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Клайперона — Менделеева.

А теперь давайте посмотрим, как будет происходить испарение жидкости, если к ней постоянно подводить теплоту. Возьмём сосуд с водой и установим под него какой-нибудь нагреватель (например, спиртовку или электроплитку). С помощью термометра будем следить за показаниями температуры в сосуде. Понаблюдаем за жидкостью. Как видим, по мере роста температуры на дне сосуда появляется множество пузырьков. Это растворённый в жидкости газ, который всегда присутствует в жидкости, и степень растворения которого понижается с ростом температуры. При нагревании жидкости снизу газ начинает выделяться в виде пузырьков у дна и стенок сосуда.

В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объёме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объём пузырька уменьшается. Давление стремительно падает, и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются). Этот процесс происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием воды.

Когда температура жидкости выровняется, объём пузырька при подъёме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырёк, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного давления, уменьшается. Пузырёк достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу — жидкость закипает.

Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Конечно же, температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул. В таблице, которую вы сейчас видите на экране, приведены температуры кипения жидкостей при нормальном атмосферном давлении. А как выдумаете, случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Конечно же, неслучайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. И наоборот.

Для подтверждения наших слов, проведём такой опыт. Возьмём три сосуда с водой, находящихся в герметичных камерах. Тепло к сосудам будем подводить при помощи электрических нагревателей, а температуру измерять термометрами. Пусть во второй камере давление воздуха составляет одну атмосферу, в первой камере мы снизим давление в два раза, откачав воздух. А в третьей камере мы давление воздуха увеличим до пяти атмосфер.

Включи́м плитки и пронаблюдаем за жидкостями. Первой у нас закипает вода в первой камере. При этом обратите внимание: кипит она при температуре всего 81 о С. Вода в камере с нормальным давлением, как и ожидалось, закипела при 100 о С.

А что же в камере номер три? Вода кипит в ней при температуре более 151 о С.

Таким образом, мы показали, что действительно чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость, и наоборот.

Если же предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то её можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а её температура сразу понижается до температуры кипения.

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии