# Поглощение энергии при испарении жидкости. Выделение энергии при конденсации пара

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/pogloschenie-energii-pri-isparenii-zhidkosti-vydelenie-energii-pri

Разбираемся, почему испарение жидкость охлаждает, а конденсация пара её нагревает. Всё объясняется тем, какие молекулы уходят из жидкости и с какой энергией они в неё возвращаются.

## Чему научишься

- Объяснить, почему испаряющаяся жидкость охлаждается, если к ней не подводят энергию
- Объяснить, почему при конденсации пара жидкость нагревается, и что нужно делать, чтобы её температура не менялась
- Приводить примеры испарения и конденсации из жизни и в природе: роса, туман, облака

## С чего начать

Ты вышел из тёплой воды на ветерок — и сразу мёрзнешь, хотя вода была тёплой, а воздух не ледяной. Куда делось тепло? А почему на холодном стекле в тёплой кухне оседают капли, и стекло при этом не охлаждается, а чуть-чуть согревается?

## 1. Испарение: уходят самые быстрые

*Почему мокрому холодно*

Вспомни: выходишь из реки, ветерок — и бррр. Вода на коже тёплая, а тебе холодно. Кожа что, отдаёт тепло воде? Отчасти да, но главное в другом: **вода с кожи испаряется, а ****испарение забирает энергию**.

Представь жидкость как большую шумную толпу. Молекулы бегают с разными скоростями: одни медленно, другие быстро. У поверхности стоят «охранники» — молекулы-соседи, которые притягивают тех, кто хочет выскочить. Вырваться из толпы смогут только самые быстрые: у них хватает энергии преодолеть притяжение.

Теперь главное. Самые быстрые убежали, а остались те, что помедленнее. Это как забег, из которого ушли все лидеры: средняя скорость оставшихся стала меньше. Средняя скорость молекул — это температура. Значит, **оставшаяся жидкость стала холоднее**.

**Поглощение энергии при испарении**

Процесс испарения сопровождается поглощением энергии. Поскольку при испарении наиболее быстрые молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия молекул оставшейся части жидкости уменьшается, что означает понижение температуры испаряющейся жидкости (если нет притока энергии извне). Чтобы температура жидкости при испарении оставалась постоянной, ей необходимо передавать некоторое количество теплоты.

**Как это уложить в голове**

**Аналогия:** класс, из которого на перемене выбежали самые шустрые. В классе остались спокойные ученики, и «средняя подвижность» упала. Честная оговорка: молекулы не «решают» уйти — просто быстрым чаще хватает энергии вырваться.

**Правило самопроверки:** испарение — холодит, жидкость теряет самых энергичных. Если температура не должна падать, жидкости надо подводить теплоту: *испарение «просит» энергию*.

*Рисунок: Схематичный рисунок жидкости, где самые быстрые молекулы покидают поверхность*

**Пример: Мокрое полотенце на ветру**

1. Мокрую ткань повесили сушиться. Вода с неё испаряется.
2. С ткани уходят самые быстрые молекулы воды. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается.
3. Значит, температура оставшейся воды понижается — ткань прохладнее воздуха, если энергия извне не поступает.
4. Чтобы температура воды не падала, ей пришлось бы передавать теплоту: например, от нашего тела. Поэтому мокрая одежда «отнимает» тепло.

**Проверь себя:** Жидкость испаряется в закрытой теплоизолированной ёмкости, к ней не подводят энергию. Что будет с температурой жидкости и почему?
**Ответ:** Температура понижается: самые быстрые молекулы уходят, средняя кинетическая энергия оставшихся уменьшается.

**Почему именно «если нет притока энергии извне»**

Если рядом есть тёплое тело или воздух, они передают жидкости теплоту, и она может не остыть. Тогда энергия, которую жидкость «потеряла» на испарение, пополняется за счёт этой теплоты. Именно об этом сказано в определении: чтобы температура оставалась постоянной, жидкости нужно передавать теплоту.

### Проверь себя

**Почему при испарении жидкости в изолированных условиях (без притока тепла снаружи) её температура понижается?**
- Из жидкости вылетают самые медленные молекулы, оставляя внутри быстрые.
- Все молекулы жидкости одновременно замедляют свое движение из-за трения о воздух.
- Жидкость покидают самые быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. — верно
- Силы притяжения между молекулами полностью исчезают в объеме жидкости.
> При испарении поверхность жидкости оставляют молекулы с максимальной кинетической энергией, вследствие чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается.

**Почему температура воды в стакане, стоящем в комнате, при её испарении остается практически постоянной?**
- При испарении вода выделяет точно такое же количество энергии, какое поглощает.
- Скорость испарения воды в стакане равна нулю, поэтому энергетический баланс не нарушается.
- Убыль энергии при вылете быстрых молекул непрерывно восполняется теплопритоком от окружающего воздуха. — верно
- Молекулы воздуха при столкновении передают воде дополнительную массу.
> Температура жидкости поддерживается за счет энергии, поступающей к ней от более теплого окружающего воздуха.

**Какой объем воды ежегодно испаряется с поверхности Земли и возвращается обратно в виде осадков?**
- $100 \text{ тыс. км}^3$
- $511 \text{ тыс. км}^3$ — верно
- $1500 \text{ тыс. км}^3$
- $511 \text{ млн. км}^3$
> Согласно приведенным в учебном материале данным, ежегодный мировой объем испарения и осадков составляет 511 тысяч кубических километров.

**Какие два основных агрегатных превращения вещества происходят при работе дистиллятора для получения чистой воды?**
- Плавление и отвердевание.
- Сублимация и кристаллизация.
- Парообразование (испарение/кипение) и конденсация. — верно
- Диффузия и фильтрация.
> Сначала воду нагревают до образования пара (парообразование), а затем пар охлаждается на стенках холодильника и превращается в жидкость (конденсация).

**Выходя из реки после купания, человек ощущает прохладу, особенно в ветреную погоду. Почему ветер усиливает это ощущение?**
- При ветре капли воды на коже начинаются конденсироваться, отнимая тепло.
- Молекулы ветра имеют меньшую массу и разрушают клетки кожи.
- Ветер уносит испарившиеся молекулы воды, ускоряя процесс испарения и отбор энергии от тела. — верно
- Ветер снижает температуру воздуха до отрицательных значений за несколько секунд.
> Ускорение испарения тонкого слоя воды с кожи под действием ветра увеличивает скорость поглощения энергии от тела человека.

**Один сухой термометр находится на ветру, а второй сухой термометр спрятан за углом дома в тени. Что покажут термометры?**
- Термометр за углом покажет более низкую температуру.
- Термометр на ветру покажет более высокую температуру из-за трения воздуха.
- Оба термометра покажут одинаковую температуру. — верно
- Термометр на ветру покажет значительно более низкую температуру.
> Так как оба термометра сухие, испарения с их поверхности не происходит, и ветер не изменяет их температуру.

**Почему в жаркий летний день при входе в воду она кажется холодной, а при выходе из воды — воздух кажется холоднее воды?**
- При выходе из воды прекращается процесс конденсации пара на поверхности тела.
- Вода в водоеме мгновенно нагревается в момент купания человека.
- Температура воздуха мгновенно падает, когда человек выходит из реки на берег.
- При выходе из воды тонкий слой воды на коже испаряется, поглощая энергию и сильно охлаждая кожу. — верно
> Ощущение холода на воздухе вызвано интенсивным испарением воды с поверхности кожи, требующим поглощения энергии от тела.

**Какие конструктивные части простейшего дистиллятора участвуют в сборе и отводе очищенной воды?**
- Кран для залива исходной воды
- Нагреватель
- Жёлоб
- Отводная трубка — верно
> По отводной трубке очищенная вода из жёлоба спускается в приемную емкость.

## 2. Конденсация: возвращаются с разгоном

*Энергия выделяется — и сравнение с испарением*

Конденсация — обратный процесс: молекулы пара возвращаются в жидкость. И здесь всё работает как зеркало: если при испарении жидкость теряет быстрых, то при конденсации она **получает** молекулы с энергией.

Почему? Молекула пара подлетает к жидкости, и соседние молекулы жидкости притягивают её. Это как шарик, который катится к краю ямы: падая, он разгоняется. Скорость молекулы растёт, а значит, растёт и её кинетическая энергия. Эта энергия достаётся жидкости — молекулы в ней в среднем начинают двигаться быстрее, и жидкость **нагревается**.

**Выделение энергии при конденсации**

Конденсация пара сопровождается выделением энергии. Кинетические энергии молекул, возвращающихся в жидкость, увеличиваются под действием сил притяжения со стороны жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (жидкость нагревается). Чтобы температура жидкости при конденсации пара оставалась постоянной, от системы необходимо отводить энергию.

**Как это уложить в голове**

**Аналогия:** шарик, скатывающийся в яму, набирает скорость и при падении «отдаёт» её дну. Так и молекула пара, падая в притяжение жидкости, прибавляет жидкости энергии. Оговорка: это образ, а не точный расчёт — в учебнике важен сам вывод про рост кинетической энергии.

**Правило самопроверки:** испарение — жидкость холодеет, конденсация — жидкость теплеет. Чтобы температура не менялась: при испарении энергию подводят, при конденсации отводят.

*Рисунок: Схематичный рисунок молекулы пара, движущейся к жидкости и набирающей скорость*

*Рисунок: На стекле видны капли влаги, справа рука протирает стекло*

Запотевшее стекло — как раз то самое. Влага из воздуха оседает на поверхности каплями. В природе то же самое происходит с росой, туманом и облаками: пар превращается в жидкость.

*Рисунок: На зелёной траве видны многочисленные капли воды*

**Испарение и конденсация: две стороны одной медали**

|  | Испарение | Конденсация |
| --- | --- | --- |
| Что происходит | Молекулы покидают жидкость | Молекулы пара возвращаются в жидкость |
| Кто меняется | Уходят самые быстрые молекулы | Возвращающиеся молекулы разгоняются притяжением |
| Средняя кинетическая энергия молекул жидкости | Уменьшается | Увеличивается |
| Температура жидкости | Понижается | Повышается |
| Энергия | Поглощается | Выделяется |
| Чтобы температура не менялась | Передавать теплоту жидкости | Отводить энергию от системы |
| Примеры | Мокрая кожа на ветру | Роса, туман, облака, запотевшее стекло |

**Неправильно:** Конденсация охлаждает жидкость, потому что пар холоднее жидкости.
**Правильно:** Конденсация нагревает жидкость: молекулы, возвращаясь, разгоняются притяжением жидкости и увеличивают её среднюю кинетическую энергию.

**Проверь себя:** Какой процесс требует подвода энергии, чтобы температура жидкости не менялась, а какой — отвода?
**Ответ:** Испарение — подвод (жидкости передают теплоту). Конденсация — отвод (энергию отводят от системы).

**Проверь себя:** Утром на траве выпала роса. Это испарение или конденсация? Что происходит с энергией?
**Ответ:** Конденсация: пар из воздуха превращается в капли воды. Энергия при этом выделяется.

### Проверь себя

**Какие из перечисленных природных явлений прямо объясняются процессом конденсации водяного пара?**
- Формирование слоистых и кучевых облаков. — верно
- Образование тумана при понижении температуры воздуха.
- Охлаждение кожи человека при высыхании капель воды.
- Выпадение росы на листьях растений в прохладную ночь.
> Поднимающийся и охлаждающийся влажный воздух конденсируется в капли воды и кристаллики льда.

**Что происходит со средней кинетической энергией молекул жидкости при конденсации на ней пара, если от системы не отводится тепло?**
- Она уменьшается из-за постоянного вылета быстрейших молекул обратно в пар.
- Она увеличивается, так как возвращающиеся молекулы ускоряются силами притяжения со стороны жидкости. — верно
- Она уменьшается, так как пар передает жидкости свою массу.
- Она остается неизменной, поскольку температура пара и жидкости всегда одинакова.
> Под действием межмолекулярных сил притяжения молекулы пара при вхождении в жидкость увеличивают свою скорость, что ведет к нагреванию жидкости.

**Какое условие необходимо выполнять, чтобы температура жидкости во время конденсации пара оставалась постоянной?**
- Необходимо полностью изолировать систему от любого внешнего обмена теплотой.
- К системе необходимо постоянно подводить теплоту от внешнего источника.
- Необходимо резко уменьшить атмосферное давление над поверхностью.
- От системы необходимо непрерывно отводить выделяющуюся энергию. — верно
> Так как конденсация сопровождается выделением энергии, поддержание постоянной температуры требует отвода этой теплоты.

**Почему выпадение росы на листьях растений вечером уменьшает риск их повреждения при заморозках?**
- Водяной пар превращается в лед прямо на листьях, выделяя холод.
- Капли росы начинают интенсивно испаряться, нагревая при этом стебли растений.
- При конденсации водяного пара выделяется энергия, которая препятствует быстрому охлаждению растений. — верно
- Роса поглощает холод из атмосферного воздуха и уничтожает его.
> Образование росы — это процесс конденсации, при котором выделяется теплота, предохраняющая растения от губительного охлаждения.

**Какие процессы происходят с массой воздуха при её подъеме, приводящие к образованию слоистых облаков?**
- Воздух расширяется, так как в верхних слоях атмосферы давление ниже.
- При охлаждении водяной пар конденсируется в мельчайшие капельки воды. — верно
- Воздух нагревается за счет поглощения энергии при расширении.
- На работу по расширению расходуется внутренняя энергия воздуха, из-за чего он охлаждается.
> Падение температуры снижает способность воздуха удерживать пар, вызывая его конденсацию в капли.

**Какие факторы необходимы для образования тумана в атмосфере?**
- Понижение температуры окружающей среды.
- Повышение температуры воздуха выше $30^\circ\text{C}$.
- Присутствие в воздухе центров конденсации (пылинок, частиц несгоревшего топлива). — верно
- Наличие сильного порывистого ветра.
> Молекулам пара необходимы микроскопические частицы, на поверхности которых они могут конденсироваться в капельки.

**Почему конденсация водяного пара в атмосфере при образовании капель дождя приводит к повышению температуры окружающего воздуха?**
- При переходе пара в жидкое состояние выделяется энергия, которая передается окружающему воздуху. — верно
- Капли дождя отражают тепловые лучи от Земли обратно к облакам.
- При конденсации пар поглощает холод из атмосферы.
- Падающие капли дождя нагреваются от трения о воздух и передают ему тепло.
> Конденсация парa — экзотермический процесс, при котором выделяющаяся теплота нагревает окружающую воздушную среду.

**Какие из приведенных утверждений о процессе конденсации являются верными?**
- Скорость молекул пара при возвращении в жидкость возрастает под действием сил притяжения со стороны жидкости.
- Конденсация пара сопровождается выделением энергии в окружающую среду. — верно
- В результате конденсации средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается.
- При конденсации из пара вылетают только самые медленные молекулы.
> Выделение энергии — фундаментальное свойство перехода вещества из пара в жидкое состояние.

**Что происходит с точкой зрения энергии при соприкосновении теплого водяного пара с холодным оконным стеклом?**
- Происходит испарение пара с поглощением энергии.
- Происходит конденсация пара на стекле с выделением энергии. — верно
- Происходит плавление стекла с поглощением теплоты.
- Происходит расширение пара с выделением внутренней работы.
> Охлаждаясь от стекла, пар конденсируется в капельки воды, выделяя теплоту.

## Ключевые термины

- **Испарение** — Процесс, при котором жидкость покидают наиболее быстрые молекулы; он сопровождается поглощением энергии.
- **Конденсация** — Процесс возвращения молекул пара в жидкость; он сопровождается выделением энергии.
- **Средняя кинетическая энергия молекул** — Величина, от которой зависит температура жидкости: чем она больше, тем жидкость теплее.

## Итог

- Испарение сопровождается поглощением энергии: жидкость покидают самые быстрые молекулы.
- Из-за этого средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, и температура жидкости понижается, если нет притока энергии извне.
- Конденсация сопровождается выделением энергии: возвращающиеся молекулы разгоняются притяжением жидкости, и жидкость нагревается.
- Чтобы температура при испарении не менялась, жидкости передают теплоту, а при конденсации энергию отводят.
- Конденсация в природе: роса, туман, облака.

## Шпаргалка

### Энергия при фазовых переходах

- **Испарение** — энергия поглощается, температура жидкости понижается
- **Конденсация** — энергия выделяется, жидкость нагревается
- **Испарение при постоянной температуре** — жидкости передают теплоту
- **Конденсация при постоянной температуре** — энергию отводят от системы

### Почему так

- **При испарении** — уходят самые быстрые молекулы
- **При конденсации** — притяжение жидкости увеличивает энергию молекул пара

### Испарение и конденсация

|  | Испарение | Конденсация |
| --- | --- | --- |
| Энергия | поглощается | выделяется |
| Температура жидкости | понижается | повышается |
| Средняя энергия молекул | уменьшается | увеличивается |
| Чтобы температура не менялась | передавать теплоту | отводить энергию |
| Пример | мокрая кожа на ветру | роса, туман, облака |

## Любопытное

- Облака, туман и роса — один и тот же процесс: водяной пар превращается в жидкость, то есть конденсируется.
- Из жидкости вылетают именно самые быстрые молекулы — им хватает энергии вырваться из притяжения соседей. Поэтому жидкость, остающаяся после них, холоднее.