Свойства паров. Насыщенный пар

Молекулярно-кинетическая теория позволяет не только по­нять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях, но и объяснить процесс перехода вещест­ва из одного состояния в другое.

Испарение и конденсация. Количество воды или любой дру­гой жидкости в открытом сосуде постепенно уменьшается. Проис­ходит испарение жидкости, механизм которого был описан в курсе физики VII класса. При хаотическом движении некоторые молекулы приобретают столь большую кинетическую энергию, что покидают жидкость, преодолевая силы притяжения со стороны остальных молекул.

Одновременно с испарением происходит обратный процесс переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называют конденсацией. Если сосуд открытый то покинувшие жидкость молекулы могут и не возвратиться в жидкость. В этих случаях испарение не компенсируется конденсаци­ей и количество жидкости уменьшается. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость.

Насыщенный пар. Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то убыль ее вскоре прекратится. При неизменной температуре систе­ма «жидкость — пар» придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, она будет испаряться и плотность пара над жидкостью — увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре в конце концов установится динамическое (подвиж­ное) равновесие между жидкостью и паром. Число молекул, покидающих поверхность жидкости, будет равно числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Одновременно с процессом испарения происходит конденсация, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жид­костью, называют насыщенным паром. Это название подчерки­вает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

Если воздух из сосуда с жидкостью предварительно откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только насыщен­ный пар.

Давление насыщенного пара. Что будет происходить с насы­щенным паром, если уменьшать занимаемый им объем, например, сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной?

При сжатии пара равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличивается, и из газа в жидкость начинает переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это продолжается до тех пор, пока вновь не установится равновесие и плотность, а значит, и концентрация молекул не примет прежнее значение. Концентрация молекул насыщенного пара, следовательно, не зависит от объема при постоянной температуре.

Так как давление пропорционально концентрации в соответ­ствии с формулой р=nkT, то из независимости концентрации (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема.

Независимое от объема давление пара P, при котором жид­кость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара все большая часть его пере­ходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Мы много раз употребляли слова «газ» и «пар». Никакой принципиальной разницы между газом и паром нет, и эти слова в общем-то равноправны. Но мы привыкли к определенному, относительно небольшому интервалу температуры окружающей среды. Слово «газ» обычно применяют к тем веществам, давление насыщенного пара которых при обычных температурах выше атмосферного (например, углекислый газ). Напротив, о паре говорят тогда, когда при комнатной температуре давление насы­щенного пара меньше атмосферного и вещество более устойчиво в жидком состоянии (например, водяной пар).

Независимость давления насыщенного пара от объема уста­новлена на многочисленных экспериментах по изотермическому сжатию пара, находящегося в равновесии со своей жидкостью. Пусть вещество при больших объемах находится в газообразном состоянии. По мере изотермического сжатия плотность и давление его увеличиваются (участок изотермы АВ на рисунке 51). При достижении давления р₀ начинается конденсация пара. В дальней­шем при сжатии насыщенного пара давление не меняется до тех пор, пока весь пар не обратится в жидкость (прямая ВС на ри­сунке 1). После этого давление при сжатии начинает резко воз­растать (отрезок кривой СD), так как жидкости мало сжимаемы.

Изображенная на рисунке 1 кривая носит название изо­термы реального газа.

ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. КИПЕНИЕ. КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравне­нием состояния идеального газа (3.4), а его давление приближен­но определяется формулой

P=nkT

С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако эта зависимость P₀(Т), найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насы­щенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (рис. 2, участок кривой АВ).

Это происходит по следующей причине. При нагревании жид­кости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле (P=nkT) давление пара растет не только вследствие повышения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Основное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагрева­нии перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (участок ВС на рисунке 2).

Кипение. Зависимость давления насыщенного пара от темпе­ратуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверх­ность. Очевидно, что пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверх­ность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, при давлении в паровом котле, достигающем 1,6·10⁶ Па, вода не кипит и при температуре 200°С. В медицинских учрежде­ниях кипение воды в герметически закрытых сосудах - авто­клавах (рис. 3) — также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100°С. Автокла­вы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

Наоборот, уменьшая давление, мы тем самым понижаем темпе­ратуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из кол­бы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 4). При подъеме в горы атмосферное давление умень­шается. Поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4·10⁴ Па (300 мм рт. ст.). Температура кипения воды там составляет примерно 70°С. Сварить, например, мясо при этих условиях невозможно.

Различие температур кипения жидкостей определяется разли­чием в давлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствую­щей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при 100°С давление насыщенных паров воды равно 101325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Критическая температура При увеличении температуры одно­временно с увеличением давле­ния насыщенного пара растет также его плотность. Плотность жидкости, находящейся в рав­новесии со своим паром, наобо­рот, уменьшается вследствие расширения жидкости при на­гревании. Если на одном рисун­ке начертить кривые зависимо­сти плотности жидкости и ее пара от температуры, то для жидкости кривая пойдет вниз, а для пара — вверх (рис. 5).

При некоторой температуре, называемой критической, обе кривые сливаются, т. е. плотность жидкости становится равной плотности пара. Критической называется температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщен­ным паром.

При критической температуре плотность (и давление) насы­щенного пара становится максимальной, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром,— минимальной. Удельная теп­лота парообразования уменьшается с ростом температуры и при критической температуре становится равной нулю.

Каждое вещество характеризуется своей критической темпе­ратурой. Например, критическая температура воды ≈ 375°С, а жидкого оксида углерода (IV) СО₂≈З1°С.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: