Испарение. Конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар
Как жидкость превращается в пар и обратно, от чего зависит скорость испарения, чем насыщенный пар отличается от ненасыщенного и при чём тут сублимация.
аудио-обзор «Испарение. Конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар»07:12- Испарение: кто и как вылетает из жидкости
- Насыщенный и ненасыщенный пар
- Сублимация и итог
Лужа на дорожке исчезает без костра и без кипения, просто за день-два. А в плотно закрытой банке с водой испарение будто останавливается: уровень больше не падает. Куда деваются молекулы из лужи и почему в банке они «встают»?
Объяснить на языке молекул, почему жидкость испаряется, а пар конденсируется
Предсказать, как изменится скорость испарения при изменении площади поверхности, температуры и ветра, и проверить это опытом
Отличить насыщенный пар от ненасыщенного по признаку динамического равновесия
Испарение: кто и как вылетает из жидкости
Начнём с лужи. Она исчезла, но вода не провалилась в землю целиком: часть ушла в воздух. Жидкость превратилась в пар. Такой процесс называют парообразованием. Бывает два способа: испарение и кипение. Кипение здесь не разбираем, наш герой — испарение.
Представь, что молекулы воды в луже — толпа в тесном зале. Все толкаются и бегают с разной скоростью: кто-то медленно, кто-то очень быстро. Те, что у самой границы с воздухом, могут вырваться, если разогнались сильнее остальных. Сосед тянет такого беглеца назад, но самый быстрый сильнее этого притяжения и улетает. Так жидкость теряет молекулы, и лужа усыхает.
Парообразование — процесс превращения жидкости в пар.
Испарение — процесс парообразования с поверхности жидкости.
Аналогия: поверхность жидкости — край толпы у двери. Выскочить наружу может только тот, кто разогнался сильнее, чем держит толпа. Оговорка: молекулы ничего не «решают», это просто образ для того, как быстрая молекула преодолевает притяжение соседей.
Способ запомнить — правило самопроверки: испарение идёт только с поверхности, вылетают только самые быстрые молекулы с границы жидкости и воздуха. Если в задаче про «глубину» — это уже не испарение.
От чего зависит, как быстро жидкость испаряется? Подумай по картинке с толпой:
- Род жидкости. Чем сильнее молекулы притягиваются друг к другу, тем труднее вырваться.
- Площадь поверхности. Больше площадь — больше «края толпы», откуда вылетают молекулы.
- Температура. Испарение идёт при любой температуре, но с повышением температуры скорость увеличивается: быстрых молекул больше.
- Движение воздуха над поверхностью (ветер). Ветер уносит вылетевшие молекулы, и обратно в жидкость их возвращается меньше.
Аналогия: четыре рычага скорости испарения — «какая жидкость», «насколько широко разлита», «насколько тепло», «дует ли ветер».
Способ запомнить — опорное число: четыре фактора. Широко, тепло, ветрено — быстро; плотная капля, холод, штиль — медленно. Эта проверка работает в любой задаче «что быстрее высохнет».
Условие: две одинаковые капли одной и той же жидкости лежат на стекле при одной температуре. Одну растёрли по стеклу тонким слоем, другая осталась каплей.
Что отличается? Площадь поверхности: у растёртой она намного больше. Род жидкости, температура и ветер одинаковы.
Больше площадь — больше молекул у границы с воздухом, откуда они могут вылететь.
Ответ: быстрее исчезнет растёртая капля.
Опыт для тебя (проверь сам). Капни на стекло или блюдце по капле воды и одеколона (или спирта) и следи, какая исчезнет раньше. Запиши результат: он покажет, как род жидкости влияет на скорость. Потом сравни растёкшуюся каплю с нерастёкшейся, как в примере выше. А затем помаши листом бумаги над одной из капель: движение воздуха над поверхностью должно ускорить испарение, и ты увидишь это сам. Меняй всегда что-то одно, остальные условия оставляй одинаковыми, иначе вывод будет нечестным.
Почему мокрое бельё на ветру сохнет быстрее, чем в безветренный день при той же температуре?
показать
Почему мокрое бельё на ветру сохнет быстрее, чем в безветренный день при той же температуре?
Ветер — это движение воздуха над поверхностью жидкости. Он уносит вылетевшие молекулы, и скорость испарения растёт.
Теперь обратный процесс. Вылетевшие молекулы могут вернуться: пар превращается в жидкость. Это конденсация.
Конденсация — процесс превращения пара в жидкость.
Аналогия: испарение — «выход из зала», конденсация — «возвращение в зал». Оговорка: молекулы возвращаются сами, потому что их притягивает жидкость.
Способ запомнить — правило самопроверки: конденсация — обратный испарению процесс, значит направление всегда «пар → жидкость».
Что в физике называют парообразованием?
Насыщенный и ненасыщенный пар
Что будет, если над жидкостью закрыть сосуд? Сначала молекулы только вылетают. Но пара над жидкостью становится больше, и всё больше молекул врезаются в поверхность и остаются в ней. Через некоторое время число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё.
Динамическое равновесие — состояние системы «жидкость — пар», при котором число молекул, покидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё за то же время.
Аналогия: магазин с одной дверью. Сколько человек выходит за минуту, столько же и заходит, поэтому людей внутри не становится ни больше, ни меньше. Но все при этом движутся: «равновесие» не значит «стоят на месте». Отсюда слово «динамическое».
Способ запомнить — правило самопроверки: равновесие не про неподвижность, а про равенство потоков «вверх» и «вниз».
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Ненасыщенный пар — пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Аналогия: насыщенный пар — зал, где поток «на выход» и поток «на вход» сравнялись. Ненасыщенный — зал, где потоки пока разные. Оговорка: в зале с людьми «сытость» вообще не при чём, здесь речь только о равенстве потоков молекул.
Способ запомнить — правило самопроверки: чтобы назвать пар насыщенным, ищи в условии равновесие с жидкостью. Нет равновесия — пар ненасыщенный.
Важное свойство: плотность и давление насыщенного пара зависят от его температуры, но не от объёма.
| Насыщенный пар | Ненасыщенный пар | |
|---|---|---|
Равновесие с жидкостью | есть, динамическое | нет |
Вылетает и возвращается | поровну за то же время | не поровну |
Как получить | закрыть сосуд и подождать | равновесия ещё нет |
Плотность и давление | зависят от температуры, не от объёма | в тексте не уточняется |
Сосуд с жидкостью закрыли. Что должно произойти со временем с числом молекул, покидающих жидкость, и числом возвращающихся?
показать
Сосуд с жидкостью закрыли. Что должно произойти со временем с числом молекул, покидающих жидкость, и числом возвращающихся?
Через некоторое время эти числа станут равными. Это динамическое равновесие, а пар над жидкостью станет насыщенным.
В состоянии равновесия молекулы перестают вылетать из жидкости и возвращаться в неё.
Молекулы продолжают и вылетать, и возвращаться. Равновесие динамическое: потоки равны, но не прекращаются.
Что характеризует состояние динамического равновесия в системе «жидкость — пар»?
Сублимация и итог
Испаряются не только жидкости, но и твёрдые тела. В обычной картине путь вещества идёт «твёрдое → жидкое → газ». Но бывает и так, что жидкое звено просто пропущено.
Сублимация — процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.
Аналогия: лестница, по которой перепрыгнули одну ступеньку. Из «твёрдого» сразу в «газ», ступенька «жидкое» пропущена. Оговорка: вещество при этом никуда не «прыгает» по-настоящему, просто молекулы покидают твёрдое тело напрямую.
Способ запомнить — правило самопроверки: в определении есть слова «минуя жидкое». Нет жидкого этапа — это сублимация.
Твёрдое вещество превратилось в газ, а жидкости по пути не было. Как называется процесс?
показать
Твёрдое вещество превратилось в газ, а жидкости по пути не было. Как называется процесс?
Сублимация.
Чего в этом параграфе нет. Программа блока включает поглощение и выделение энергии при фазовых переходах, но в материале этого параграфа об энергии при испарении и конденсации ничего не сказано, поэтому здесь мы её не разбираем.
Какое определение соответствует понятию «сублимация»?
Лужа исчезает, потому что самые быстрые молекулы с поверхности преодолевают притяжение соседей и улетают в воздух, а ветер и тепло ускоряют этот процесс. В закрытой банке вылетевшим молекулам некуда деться: они возвращаются в жидкость. Через какое-то время число покидающих жидкость молекул становится равным числу возвращающихся. Это динамическое равновесие: молекулы по-прежнему летают в обе стороны, но уровень воды не меняется, а пар над ней насыщенный.
Испарение — парообразование с поверхности жидкости: вылетают самые быстрые молекулы с границы жидкости и воздуха.
Скорость испарения зависит от рода жидкости, площади поверхности, температуры и ветра.
Конденсация — обратный процесс: пар превращается в жидкость.
Динамическое равновесие — число молекул, покидающих жидкость, равно числу возвращающихся; пар в таком равновесии насыщенный, без равновесия — ненасыщенный.
Сублимация — переход из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.
Процесс превращения жидкости в пар.
Процесс парообразования с поверхности жидкости.
Процесс превращения пара в жидкость.
Состояние системы «жидкость — пар», при котором число молекул, покидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё за то же время.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
Процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.
- Парообразование
жидкость превращается в пар
- Испарение
парообразование с поверхности жидкости
- Конденсация
пар превращается в жидкость
- Сублимация
твёрдое сразу в газ, минуя жидкое
- Род жидкости
влияют силы притяжения между молекулами
- Площадь поверхности
больше площадь — быстрее испарение
- Температура
выше температура — быстрее испарение
- Ветер
движение воздуха над поверхностью ускоряет испарение
| Насыщенный | Ненасыщенный | |
|---|---|---|
Равновесие с жидкостью | есть | нет |
Вылетает и возвращается | поровну | не поровну |
Плотность и давление | зависят от температуры | в тексте не уточняется |
- Сосуд закрыли
молекулы вылетают, часть возвращается
- Идёт время
возвращающихся становится больше
- Числа равны
наступило динамическое равновесие, пар насыщенный
Испарение идёт при любой температуре, а не только у горячей жидкости.
Плотность и давление насыщенного пара зависят от температуры, но не от объёма.
Что называют парообразованием?
Парообразование — это процесс превращения жидкости в пар.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИ400 300 200 100 0 100 200 Q, кДж t, ºС
На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отдаваемого им количества теплоты . Масса тела равна 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?
0 D Q, Дж t, ºС 40 20 –20 С В А II I
На рисунке графически изображён процесс теплообмена для случая, когда в нагретую до 40 °С жидкость опускают кусок льда. Потерями энергии при теплообмене можно пренебречь. Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.
В алюминиевом калориметре массой 100 г находилось 200 г воды при комнатной температуре. Затем в воду опустили спираль сопротивлением 2 Ом, подключённую к источнику напряжением 12 В. На сколько градусов нагрелся калориметр с водой за 5 мин., если потери энергии в окружающую среду составили 25 %?
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса.
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса. В каком кувшине температура воды станет повышаться быстрее?
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Какова удельная теплота плавления вещества?
Мокрое бельё, вывешенное на улице в ветреный день, сохнет значительно быстрее, чем в безветренную погоду при той же температуре. Какое физическое объяснение этого явления приводят на основе МКТ?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Учебное пособие: Физика фазовых переходов — Испарение, конденсация и свойства паров
Данное учебное пособие предназначено для глубокого изучения физических процессов парообразования, конденсации, сублимации, а также свойств насыщенного и ненасыщенного пара на основе молекулярно-кинетической теории (МКТ).
1. Теоретический обзор и ключевые концепции
Понятие парообразования и испарения
Превращение жидкости в пар называется парообразованием. Переход жидкости в газообразное состояние осуществляется двумя способами: испарением и кипением.
Испарение — это процесс парообразования, происходящий непосредственно с свободной поверхности жидкости.
Механизм испарения с точки зрения МКТ:
- Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении и обладают различными скоростями (и, следовательно, различной кинетической энергией).
- Отдельные наиболее быстрые молекулы, находящиеся у поверхности жидкости, способны преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул.
- Преодолевая эти силы, быстрые молекулы вылетают за пределы поверхности жидкости и образуют пар.
Факторы, определяющие скорость испарения
Скорость испарения жидкости зависит от четырех основных параметров:
Фактор · Физическое объяснение на основе МКТ · Практический пример / Опыт
- Род жидкости — Между молекулами различных веществ действуют разные по величине силы притяжения. Чем слабее силы межмолекулярного притяжения, тем быстрее испаряется жидкость.; Спирт испаряется быстрее воды, так как силы притяжения между его молекулами меньше. Масло испаряется крайне медленно.
- Площадь поверхности — Чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем большее количество молекул оказывается на границе раздела и может одновременно покинуть жидкость за единицу времени.; Вода из широкого блюдца испаряется быстрее, чем из узкого стакана при одинаковом объёме и температуре.
- Температура — С повышением температуры возрастает средняя кинетическая энергия молекул и увеличивается доля быстрых молекул, способных преодолеть притяжение и покинуть жидкость. Испарение происходит при любой температуре, но с ростом температуры его скорость увеличивается.; Высыхание луж летом происходить значительно быстрее, чем в холодную осеннюю погоду.
- Движение воздуха (ветер) — Вылетая из жидкости, молекулы хаотически движутся над её поверхностью, и часть из них возвращается обратно. Ветер уносит вылетевшие молекулы, не давая им вернуться в жидкость.; Лужи и выстиранное бельё высыхают быстрее при наличии ветра, чем в безветренную погоду.
Конденсация и динамическое равновесие
Процесс, обратный испарению, называется коденсацией — это превращение пара в жидкость.
- Параллельность процессов: Испарение всегда сопровождается конденсацией. Молекулы пара, движущиеся над поверхностью жидкости, в результате хаотического движения возвращаются обратно в жидкость.
- Открытый сосуд: Скорость испарения превышает скорость конденсации, поэтому масса жидкости в открытой емкости со временем уменьшается.
- Закрытый сосуд и динамическое равновесие: В закрытом сосуде молекулы пара не могут покинуть пространство над жидкостью. По мере увеличения плотности пара число молекул, возвращающихся в жидкость, растет. Через некоторое время наступает состояние, при котором число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в неё.
- Такое состояние системы «жидкость — пар» называется динамическим (подвижным) равновесием. При нем массы жидкости и пара остаются неизменными.
Насыщенный и ненасыщенный пар
- Насыщенный пар — это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.
- Ненасыщенный пар — это пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью (когда испарение преобладает над конденсацией).
Особые свойства насыщенного пара:
- Независимость от объёма (при постоянной температуре):
- Если сжимать насыщенный пар при постоянной температуре, его плотность и давление в первый момент незначительно возрастают.
- Это приводит к тому, что процесс конденсации начинает преобладать над испарением до тех пор, пока снова не установится динамическое равновесие.
- В результате плотность и давление насыщенного пара возвращаются к исходному значению. Таким образом, при постоянной температуре плотность и давление насыщенного пара не зависят от занимаемого им объёма.
- Зависимость от температуры:
- При нагревании системы «жидкость — пар» в закрытом сосуде скорость испарения возрастает, и оно начинает преобладать над конденсацией.
- Динамическое равновесие восстанавливается при более высокой плотности и давлении пара.
- Следовательно, плотность и давление насыщенного пара напрямую зависят от температуры и от рода вещества.
Сублимация (возгонка)
Испаряться могут не только жидкости, но и твёрдые тела.
Сублимация — это процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу.
- Пример 1 (Лёд): Сырое бельё, вывешенное на мороз, сначала замерзает (вода превращается в лёд), а затем высыхает, так как лёд испаряется.
- Пример 2 (Кристаллический иод): При нагревании в колбе кристалликов иода они сразу превращаются в пар фиолетового цвета без образования жидкого иода. При прекращении нагревания и охлаждении иод из газообразного состояния переходит обратно в твёрдые кристаллы, минуя жидкую фазу.
2. Вопросы для проверки знаний (краткие ответы)
- Что называют парообразованием и какие два способа перехода жидкости в пар существуют?
- Ответ: Парообразование — это процесс превращения жидкости в пар. Существует два способа: испарение и кипение.
- Что такое испарение?
- Ответ: Это процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости.
- Почему для каждого вещества есть фиксированная температура плавления, но нет фиксированной температуры испарения?
- Ответ: Испарение происходит при любой температуре, так как в жидкости всегда присутствуют наиболее быстрые молекулы, способные преодолеть притяжение соседей и покинуть поверхность.
- От каких четырёх факторов зависит скорость испарения жидкости?
- Ответ: От рода жидкости, площади поверхности жидкости, температуры и наличия движения воздуха (ветра) над поверхностью.
- Как МКТ объясняет увеличение скорости испарения при повышении температуры?
- Ответ: При повышении температуры увеличивается скорость движения молекул и их кинетическая энергия, следовательно, большее число молекул может преодолеть силы притяжения и вылететь из жидкости.
- Какое состояние называют динамическим равновесием системы «жидкость — пар»?
- Ответ: Состояние, при котором число молекул, покидающих жидкость за определенный промежуток времени, равно числу молекул, возвращающихся в неё за это же время.
- Дайте определение насыщенного и ненасыщенного пара.
- Ответ: Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется ненасыщенным.
- Зависят ли плотность и давление насыщенного пара от объёма при постоянной температуре?
- Ответ: Нет, не зависят. При уменьшении объёма часть пара конденсируется в жидкость, сохраняя плотность и давление пара неизменными после восстановления равновесия.
- Почему запотевают очки, когда человек входит с мороза в тёплое помещение?
- Ответ: Холодные стекла очков охлаждают соприкасающийся с ними тёплый воздух. Находящийся в воздухе водяной пар конденсируется на холодной поверхности стекол в виде микрокапель воды.
- Что такое сублимация? Приведите два примера.
- Ответ: Это процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Примеры: высыхание замерзшего белья на морозе (испарение льда) и испарение кристаллического иода при нагревании.
3. Темы для эссе и развернутых ответов
- Молекулярно-кинетическая картина процессов испарения и конденсации: сравнительный анализ факторов окружающей среды.
- Ориентир для ответа: Необходимо подробно описать хаотическое движение молекул, распределение их по скоростям, дать объяснение сил межмолекулярного взаимодействия. Рассмотреть, как изменение площади поверхности, воздухообмена, температуры и химической природы жидкости смещает баланс между процессами испарения и конденсации.
- Динамическое равновесие в закрытых системах и физические аномалии насыщенного пара.
- Ориентир для ответа: Раскрыть понятие подвижного (динамического) равновесия. Объяснить, почему изотермическое сжатие насыщенного пара не приводит к росту его давления и плотности (механизм конденсации избытка пара). Проанализировать, как изменение температуры закрытого сосуда влияет на параметры равновесного состояния.
- Фазовые переходы с участием твёрдой фазы: механизм и условия сублимации.
- Ориентир для ответа: Описать физику прямого перехода «твёрдое тело — газ». Рассмотреть особенности сублимации льда при отрицательных температурах и кристаллического иода при нагревании. Описать обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое при охлаждении паров.
4. Глоссарий терминов
Термин · Определение из источника
- Динамическое равновесие — Состояние системы «жидкость — пар», при котором число молекул, покидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё за то же время.
- Испарение — Процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости.
- Конденсация — Процесс превращения пара в жидкость.
- Насыщенный пар — Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
- Ненасыщенный пар — Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
- Парообразование — Процесс превращения жидкости в пар.
- Сублимация — Процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Испарение | Процесс парообразования с поверхности жидкости. | Высыхание луж, свежескошенного сена или выстиранного белья. |
| Конденсация | Процесс превращения пара в жидкость. | Запотевание очков при входе с мороза в тёплое помещение. |
| Насыщенный пар | Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. | Пар над жидкостью в закрытом сосуде при установившемся динамическом равновесии. |
| Ненасыщенный пар | Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. | Пар над жидкостью в открытом сосуде. |
| Парообразование | Процесс превращения жидкости в пар. | Переход воды в пар при высыхании луж. |
| Динамическое равновесие | Состояние системы «жидкость — пар», при котором число молекул, покидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё за то же время. | Состояние системы «жидкость — пар» в закрытом сосуде спустя некоторое время. |
| Сублимация | Процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. | Испарение льда на морозе или перескок кристаллического иода при нагревании сразу в газообразное состояние. |