Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Парообразование. Конденсация. Испарение.

Процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное, происходящий путем вылета молекул из этого вещества, называют парообразованием. Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называют паром этого вещества. При определенных условиях наблюдают и обратный процесс — переход газообразного вещества в жидкое состояние. Этот процесс называют конденсацией. Парообразование, происходящее с открытой поверхности вещества при любой температуре, называют испарением. Испарение кристаллических веществ называют сублимацией или возгонкой.

Экспериментально установлены следующие закономерности испарения: а) при одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с 1 м² поверхности вещества за 1 с); б) чем больше площадь испаряющей - поверхности, тем быстрее происходит испарение; в) скорость испарения зависит от плотности паров над открытой поверхностью жидкости (или кристалла); испарение усиливается при движении окружающего воздуха; г) чем выше температура тела, тем быстрее происходит испарение; д) при испарении температура тела понижается; е) испарение продолжается до тех пор, пока все вещество не испарится.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет явление испарения так. Молекулы (или атомы), находящиеся на поверхности жидкости (или кристалла), удерживаются силами притяжения со стороны других молекул (или атомов) вещества. Молекула или атом могут вылететь за пределы вещества лишь тогда, когда их кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работу выхода). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы, обладающие необходимой кинетической энергией. Температура тела определяется средней кинетической энергией составляющих его молекул, поэтому, если быстрые молекулы покинут тело, его температура понизится. Разная скорость испарения из разных веществ объясняется тем, что для каждого вещества существует своя работа выхода молекул. При нагревании вещества испарение возрастает, потому что увеличивается кинетическая энергия молекул.

Если некоторое количество жидкости находится при постоянной температуре в закрытом сосуде, то часть жидкости превращается в пар, а в дальнейшем количество жидкости остается неизменным. Объясняется это тем, что одновременно с процессом парообразования происходит и обратный процесс — конденсация. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся в жидкость за это же время, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости в сосуде возрастает. Это приводит к увеличению числа молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Через некоторое время из жидкости начинает вылетать столько же молекул, сколько возвращается в нее. Между паром и жидкостью устанавливается динамическое равновесие, при ко­тором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным. Давление р_н насыщенного пара зависит только от вещества, из которого он состоит, и от температуры, но не зависит от объема свободной от жидкости части сосуда, в котором находится пар. Независимость давления насыщенного пара от объема объясняется тем, что при уменьшении объема усиливается процесс конденсации пара, а при увеличении объема — процесс испарения жидкости, так что динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром все время сохраняется (пока весь пар не конденсируется или вся жидкость не испарится). Для насыщенного пара величиной, не зависящей от объема (при постоянной температуре), является также его плотность.

С увеличением температуры давление насыщенного пара быстро возрастает. На рис. для сравнения изображены графики зависимости от температуры Т давлений р_н и р насыщенного пара и идеального газа (при постоянном объеме). Сравнение показывает, что с ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается гораздо быстрее, чем давление идеального газа. Происходит это потому, что давление насыщенного пара возрастает не только из-за роста температуры, но и вследствие увеличения плотности пара, вызванного повышением его концентрации (т.е. увеличением числа молекул пара в 1 м³). Давление насыщенного пара может быть приближенно определено по формуле р = nkT, где n — концентрация молекул, k — постоянная Больцмана, Т — термодинамическая температура.

Если в большом объеме находится небольшое количество жидкости, то процесс парообразования преобладает над процессом конденсации. Динамическое равновесие между паром и жидкостью не устанавливается и жидкость с течением времени полностью превращается в пар. Пар, не находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют ненасыщенным Давление и плотность ненасыщенного пара зависят от вещества, из которого состоит пар, от температуры, а также от объема, в котором пар находится. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. Следовательно, наибольшее давление при данной температуре пар производит, находясь в состоянии насыщения.