Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты.

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар.

Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры.

Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него теплоты и являющийся процессом, обратным парообразованию, наз. конденсацией . Этот процесс, также как и парообразование, происходит при постоянной температуре.

Возгонкой или сублимацией наз. процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар.

Процесс, обратный процессу сублимации, т.е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние, наз. десублимацией .

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченный объем одновременно происходит и обратный процесс, т.е. явление сжижения. По мере испарения и заполнения паром пространства над жидкостью, уменьшается интенсивность испарения и увеличивается интенсивность обратного ему процесса. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости испарения, в системе наступает динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, будет равно числу молекул, возвращающихся в нее обратно. Следовательно, в паровом пространстве при этом равновесном состоянии будет находиться максимальное число молекул. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и наз. насыщенным . Под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре – переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Вследствие этого состояние сухого пара определяется одним параметром, например, давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар , получающийся при неполном испарении жидкости, явл. смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно по всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре наз. степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре наз. степенью влажности и обозначается y. Очевидно, что y=1-x. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах.

Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы.

При сообщении сухому пару теплоты при постоянном давлении, температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, наз. перегретым .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (т.к. р=const, tпер>tн), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар явл. ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к идеальным газам.

10.3. р,v – диаграммa водяного пара

Рассмотрим особенности процесса парообразования. Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается давление р. Объем воды, находящейся под поршнем равный удельному объему при 0 С, обозначим через ( =0,001м /кг) Будем считать для упрощения, что вода явл. практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 С, а не при 4 С (точнее 3,98 С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t=t н, соответствующей р=р 1 , вода закипит и начнется парообразование.

Все изменения состояния жидкости и пара будем отмечать в р,v координатах (рис. 10.1).

Процесс образования перегретого пара при р=const состоит из трех последовательно осуществляемых физических процессов:

1. Подогрев жидкости до температуры t н;

2. Парообразование при t н =const;

3. Перегрев пара, сопровождающийся повышением температуры.

При р=р 1 этим процессам в р,v – диаграмме соответствуют отрезки а-а , а -а , а -д. В интервале между точками а и а температура будет постоянной и равной tн1 и пар будет влажный, причем ближе к т.а степень сухости его будет меньше (х =0), а в т.а , соответствующей состоянию сухого пара, х=1. Если процесс парообразования будет идти при более высоком давлении (р 2 >р 1), то объем воды практически останется прежним. Объем v , соответствующей кипящей воде, несколько увеличится (), т.к. t н2 >t н1 , а объем , поскольку процесс парообразования при более высоком давлении и высокой температуре протекает более интенсивно. Следовательно, при возрастании давления разность объемов (отрезок ) увеличивается, а разность объемов (отрезок ) уменьшается. Аналогичная картина будет и тогда, когда процесс парообразования идет при большем давлении (р 3 >p 2 ; ; , т.к. t н3 >t н2).

Если на рис.10.1 соединить точки с одним и двумя штрихами, лежащие на изобарах

различных давлений, получим линии ; ,

каждая из которых имеет вполне определенное значение. Например, линия а-b-c выражает зависимость удельного объема воды при 0 С, от давления. Она почти параллельна оси ординат, т.к. вода – практически несжимаемая жидкость. линия дает зависимость удельного объема кипящей воды от давления. Эта линия наз. нижней пограничной кривой . В р,v – диаграмме, эта кривая отделяет область воды от области насыщенных паров. Линия показывает зависимость удельного объема сухого пара от давления и наз. верхней пограничной кривой . Она отделяет область насыщенного пара от области перегретого (ненасыщенного) пара.

Точка встречи пограничных кривых наз. критической точкой К . Эта точка соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, когда отсутствует различие между жидкостью и паром. В этой точке отсутствует участок процесса парообразования. Параметры вещества при этом состоянии наз. критическими. Например, для воды: рк=22,1145 МПа; Тк=647,266 К; Vк=0,003147 м /кг.

Критическая температура явл. максимальной температурой насыщенного пара. При температуре выше критической могут находиться лишь перегретые пары и газы. Впервые понятие о критической температуре было дано в 1860 г. Д.И. Менделеевым. Он определил ее как такую температуру, выше которой газ не может быть переведен в жидкость, какое бы высокое давление к нему не было приложено.

Не всегда, однако, процесс парообразования совершается так, как это показано на рис.10.1. если вода очищена от механических примесей и растворенных в ней газов, парообразование может начаться при температуре выше Т н (иногда на 15-20 К) из-за отсутствия центров парообразования. Такая вода носит название перегретой . С другой стороны при быстром изобарном охлаждении перегретого пара конденсация его может начаться не при Т н. а при несколько более низкой температуре. Такой пар наз. переохлажденным или пересыщенным . При решении вопроса, в каком агрегатном состоянии могут быть вещества (пар или вода) при заданных р и Т р и v или Т и V нужно всегда иметь ввиду следующее. При р=const для перегретого пара и Т д >T н (см. рис. 10.1); для воды, наоборот и Т<Т н; при Т=const для перегретого пара и р е <р н; для воды и р n >р н. Зная эти соотношения и пользуясь таблицами для насыщенного пара, можно всегда определить, в какой из трех областей 1, 2 или 3 (см. рис. 10.2) находится рабочее тело с заданными параметрами, т.е. является ли жидкостью (область 1), насыщенным (область 2) или перегретым (область 3) паром.

Для сверхкритической области за вероятную границу «вода – пар» условно принимают критическую изотерму (штрихпунктирная кривая). При этом слева и справа от этой изотермы вещество находится в однофазном гомогенном состоянии, обладая, например, в т.y свойствами жидкости, а в т.z – свойствами пара.

Переход вещества в газообразное состояние называется парообразованием .

Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется паром этого вещества.

При парообразовании увеличиваются средние расстояния между молекулами. В результате потенциальная энергия взаимодействия частиц увеличивается (численное значение ее уменьшается, но она отрицательна). Таким образом, процесс парообразования связан с увеличением внутренней энергии вещества.

Парообразование может происходить непосредственно из твердого состояния - это возгонка (или сублимация ).

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

Испарение - это парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или с вакуумом.

Экспериментально установлены следующие закономерности:

При одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с поверхности вещества за 1 с).
Скорость испарения тем больше:
1. чем больше площадь свободной поверхности жидкости;
2. чем меньше плотность паров над поверхностью жидкости. Скорость увеличивается при движении окружающего воздуха (ветер);
3. чем больше температура жидкости.
При испарении температура тела понижается.

Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT: молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда ее кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работа выхода). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а температура жидкости понижается.

Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить некоторое количество теплоты.

Количество теплоты Q, необходимое для превращения жидкости в пар при постоянной температуре, называется теплотой парообразования .

Экспериментально установлено, что Q = Lm, где m - масса испарившейся жидкости, L - удельная теплота парообразования.

Удельное тепло парообразования - величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения в пар жидкости единичной массы при неизменной температуре.

Удельная теплота парообразования L зависит от рода жидкости и внешних условий. При увеличении температуры она уменьшается (рис. 1). Это объясняется тем, что все жидкости при нагревании расширяются. Расстояния между молекулами при этом увеличиваются и силы молекулярного взаимодействия уменьшаются. Кроме того, чем больше температура, тем больше средняя кинетическая энергия движения молекул и тем меньше энергии им нужно добавить, чтобы они могли вылететь за пределы поверхности жидкости.

Молекулы пара хаотически движутся. Поэтому скорости некоторых из них будут направлены в сторону жидкости. Достигнув поверхности, они втягиваются в нее силами притяжения со стороны молекул, находящихся на поверхности жидкости, и снова становятся молекулами жидкости. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией .

Число возвратившихся в жидкость за определенный промежуток времени молекул тем больше, чем больше концентрация молекул пара, а следовательно, чем больше давление пара над жидкостью. Конденсация пара сопровождается нагреванием жидкости. При конденсации выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено при испарении.

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием . Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и

Испарение

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар .

Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.

Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Например, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.

Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, зависит от площади поверхности жидкости.

Конденсация

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией .

Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.

Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным .

Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.

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

Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.

Парообразование - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Парообразование может происходить непосредственно из твердого состояния - это называется возгонка (или сублимация ).

Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется паром этого вещества.

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

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

Свойства испарения

Экспериментально установлены следующие cвойства испарения:

При одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с поверхности вещества за 1 с).
Скорость испарения тем больше:
1. чем больше площадь свободной поверхности жидкости;
2. чем меньше плотность паров над поверхностью жидкости. Скорость увеличивается при движении окружающего воздуха (ветер);
3. чем больше температура жидкости.
При испарении температура тела понижается.

Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT: молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда ее кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работа выхода ). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а температура жидкости понижается. Для того, чтобы поддерживать температуры испаряющейся жидкости неизменной, к ней необходимо подводить некоторое количество теплоты.

Молекулы пара хаотически движутся. Поэтому некоторые из них могут снова возвратиться в жидкость. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией .

Кипение жидкостей

Кипение - это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.

Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 3):

\(~Q = L \cdot m,\)

где L - удельная теплота парообразования при температуре кипения.

Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 4) газ начинает выделяться в виде пузырьков у 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 объеме, 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 объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 4, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 4, б) - жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.

Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

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

См. также

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 197-203.
Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 194-203.

Жидкость превращается в пар (газ) при испарении и кипении. Эти процессы объединяются одним названием «парообразование», но между этими процессами существует разница.

Испарение происходит со свободной поверхности любой жидкости постоянно. Физическая природа испарения – вылет с поверхности молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения. Жидкость при этом охлаждается. В промышленности этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды.

Кипение (как и испарение) – переход вещества в парообразное состояние, но оно происходит по всему объему жидкости и только при подведении к жидкости теплоты. При дальнейшем нагревании температура жидкости остается постоянной, а жидкость продолжает кипеть.

Температура кипения зависит от давления пара над жидкостью, с понижением давления температура кипения снижается и наоборот. Снижая давление пара над жидкостью, можно снизить температуру кипения жидкости до точки ее замерзания, а выбирая вещества с нужными свойствами можно получить практически любую низкую температуру.

Количество теплоты необходимое для перехода 1кг жидкости в парообразное состояние называют удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Температура, при которой происходит испарение, называется температурой насыщения. Пар может быть влажным и сухим (без капель жидкости). Пар может быть перегретым и иметь температуру перегрева выше температуры насыщения.

Эти процессы используются в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящей жидкостью является хладагент, а аппарат, в котором он кипит, забирая тепло от охлаждаемого вещества – испарителем. Количество теплоты, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

где M - масса жидкости превращающейся в пар; r - теплота парообразования.

Температура кипения жидкости зависит от давления. Эта зависимость изображается кривой упругости насыщения пара.

Для наиболее распространенного в холодильной промышленности хладагента – аммиака, такая кривая приведена на рис. 3, из которого видно, что при давлении равном атмосферному (0,1МПа) соответствует температура кипения аммиака -30°С, а при 1,2Мпа - +30°С.

Превращение насыщенного пара в жидкость называется конденсацией, которая происходит при температуре конденсации, зависящей также от давления. Температура конденсации и кипения при определенном давлении однородного вещества одинаковы. Этот эффект используется в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации воздуху.

Сублимация

Вещество может переходить из твердого состояния непосредственно в пар. Этот процесс называется сублимацией. Поглощаемая из окружающего воздуха теплота, расходуется на преодоление сил сцепления молекул и влияния внешнего давления, препятствующего этому процессу.

В обычных условиях сублимируют не многие вещества – твердый диоксид углерода (сухой лед), йод, камфара и др.

Для охлаждения и получения низких температур применяют сухой лед, обеспечивающий при атмосферном давлении температуру -78,3°С, а понижая давление можно достичь -100°С.