З курсу фізики 8 класу вам добре відомо, що таке агрегатний стан речовини. Крім того, ви добре знаєте, яким чином речовина може переходити з одного стану в інший. Зокрема, ви знаєте, що, якщо рідина перетворюється на пару, такий процес називається паротворенням, зворотний ж процес, перехід з пари в рідину, називається конденсацією. Схема таких перетворень представлена ​​на малюнку 1.

Мал. 1. Схема зміни аргатного стану речовини

Рекомендую подивитися відповідні уроки в розділі фізики 8 класу.

Випаровування - властивість крапельних рідин замінювати свій агрегатний стан і перетворюватися в пар.

З матеріалу 8 класу ми знаємо, що пароутворення ділиться на два види:

1. Випаровування, яке відбувається з поверхні розділу рідини і навколишнього повітря;

2. Кипіння, яке відбувається в усьому об'ємі рідини при певних умовах.

Тепер розглянемо ці процеси більш серйозно, маючи на озброєнні знання, які ми отримали в розділі «Молекулярно-кінетична теорія».

Давайте замислимося над таким питанням. Як ми знаємо, все молекули рідини знаходяться в стані безперервного хаотичного руху. Хаотичність, зокрема, означає, що напрямок руху окремих молекул носить випадковий характер. Чому ж при цьому рідина зберігає свій об'єм, а не розпадається на окремі частки? Між молекулами діють сили тяжіння, які не дозволяють їм покинути рідина. Крім того, очевидно, що значення швидкостей молекул також випадкові, а отже, серед них обов'язково знайдуться дуже швидкі молекули. Якщо така молекула внаслідок хаотичного переміщення виявиться поблизу поверхні розділу рідини і навколишнього повітря, то її кінетичної енергії може вистачити на те, щоб подолати сили тяжіння і вирватися назовні (див. Рис. 2).

Мал. 2. Наочне зображення поведінки молекул в рідині

Це і є згаданий вище процес випаровування. Коли кількість випарувалися молекул стає значним, вони утворюють пар. Звичайно, може статися і зворотне. Вирвалися за межі рідини молекули внаслідок хаотичного руху знову повернуться в обсяг рідини, такий процес, як ми знаємо, називається конденсацією. Якщо посудина з рідиною буде відкритий, то випарувалися молекули можуть безповоротно залишати простір над рідиною, в результаті чого кількість останньої буде поступово зменшуватися. Приклади описаного ми можемо повсюдно спостерігати навколо, всі процеси висихання саме так і відбуваються - рідина випаровується, а пара назад не конденсується внаслідок того, що молекули цього пара віддаляються від рідини.

Виконайте будинку дуже простий експеримент: наповніть стакан водою і простежте за рівнем води протягом декількох днів. Через кілька днів ви побачите, що рівень води став значно нижче, вода випаровувалася.

Різні рідини випаровуються з різними швидкостями. Чим більше сили тяжіння молекул один до одного, тим менше число молекул в одиницю часу виявиться в стані їх подолати і вилетіти назовні і тим менше швидкість випаровування.

Швидко випаровуються такі рідини, як ефір, ацетон, спирт. Через це властивості їх інколи називають летючими рідинами. Повільніше - вода. Набагато повільніше води випаровуються масло і ртуть.

Оскільки випаровування - це відхід з рідини найшвидших молекул, то середня кінетична енергія молекул, які залишилися в рідині, природно зменшується.

А що таке середня кінетична енергія молекул? Це, фактично, температура, т. Е. Рідина при випаровуванні остигає. Вам добре знайоме відчуття прохолоди і часом навіть зябкости, особливо при вітрі, коли виходиш з води. Вода, випаровуючись по всій поверхні тіла, забирає тепло. Вітер же прискорює процес випаровування.

А що буде, якщо ми закриємо посудину з рідиною? Молекули пара вже не зможуть залишати простір над нею, у міру випаровування їх кількість спочатку буде зростати, а значить, буде рости і кількість молекул, які конденсуються в одиницю часу.

Мал. 3. Процеси випаровування і конденсації в закритій системі (посудині)

Т. е. В такій системі будуть йти два конкуруючі процеси (див. Рис. 3).

Перший - це процес випаровування, для якого кількість залишають рідину молекул буде визначатися тільки температурою. Чому? Дивіться відгалуження № 1.

Робота виходу

Спробуємо розібратися, якими параметрами визначається швидкість випаровування рідини, від чого вона залежить. Щоб вирватися з об'єму рідини, молекула повинна подолати тяжіння з боку інших молекул тієї ж рідини. Іншими словами, їй необхідно зробити роботу проти сил міжмолекулярної взаємодії. Величина цієї роботи залежить від роду рідини і носить назву роботи виходу. Таким чином, в пароподібний стан можуть перейти ті молекули, чия кінетична енергія перевершує значення роботи виходу, це відображено у формулі:

Мал. 4. Процес випаровування (процес вильоту молекули з поверхні рідини)

Частку молекул, які відповідають цій умові, можна оцінити, знаючи, так зване, розподіл молекул за швидкостями, т. Е. Частку від загального числа молекул, що володіють даним значенням швидкості, а значить, і кінетичної енергією.

Вивченням таких розподілів займається розділ фізики, який називається статистична фізика, однак з огляду на його математичної складності в курс фізики школи він не включений.

У 8 класі ви називали основні чинники, які вплинуть на швидкість випаровування. Отже, від чого ж буде фактично залежати кількість молекул, які втекли з рідини? Ці чинники:

1. Рід рідини

2. Температура рідини

3. Швидкість відводу випарувалися молекул від рідини (згадайте: для того щоб остудити чай, ми дуємо)

4. Площа поверхні рідини

На прикладі з чаєм: для того щоб він остигав швидше, ми наливаємо його в блюдце.

Отже, ми обговорили, який же параметр характеризує здатність молекул тієї чи іншої рідини випаровуватися - це робота виходу - і які чинники впливають на швидкість випаровування.

А другий процес - це процес конденсації, в якому кількість повертаються в рідину молекул буде, крім іншого, залежати і від концентрації молекул пара: чим більше молекул пара, тим більша ймовірність, що одна з них повернеться в рідину.

Спочатку, поки ця концентрація невелика, кількість конденсуються молекул за одиницю часу буде, природно, менше кількості випаровуються молекул, т. Е. Молекул, що залишають рідину. Однак у міру зростання концентрації пара потік молекул пар - рідина буде рости, а зворотний потік буде залишатися незмінним, адже він визначається тільки температурою.

У якийсь момент обидва кількості молекул стануть рівними. Як кажуть фізики, в системі встановиться динамічна рівновага, а пар досягне стану так званого насичення. Відповідно, пар, який знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, ми будемо називати насиченим.

Уявіть собі будинок з величезною кількістю дверей. Якась кількість людей заходить в цю будівлю, а якась кількість людей виходить з цього будинку. Якщо кількість людей, які входять в будівлю, дорівнює кількості людей, які виходять з будівлі в одиницю часу, то можна сказати, що досягнуто стан насичення. Ось точно так же відбувається і у випадку з парою.

Насичена пара - це в певному сенсі граничний стан пара. Мається на увазі, що значення тиску цього пара і його щільності є максимальними при даному значенні температури. В іншому ж випадку ми будемо називати пар ненасиченим.

До сих пір газоподібний стан ми обговорювали лише на прикладі ідеального газу, тим більше дивним є той факт, що деякі рівняння, які описують ідеальний газ, цілком підходять і для стану насиченої пари.

Виявляється, що стан насиченої пари хоч і приблизно, але цілком задовільно описується рівнянням Менделєєва - Клапейрона:

Тут індекс Н вказує на те, що дані параметри відносяться до насиченого пару, μ - це молярна маса пара.

Тепер обговоримо, якими основними властивостями володіє насичений пар і як ці властивості відрізняються від властивостей ідеального газу або збігаються з ними. Все те, про що ми будемо говорити нижче, отримано експериментально, однак ми постараємося дати і якісне пояснення цих властивостей.

Отже, властивість перша: при постійній температурі щільність насиченого пара не залежить від його обсягу. Зрозуміти це властивість легко. Уявімо собі, що ми, не змінюючи температури, зменшимо об'єм посудини, в якому знаходиться насичений пар (див. Рис. 5).

Мал. 5. Процес стиснення пари в циліндрі (зменшення об'єму)

Кількість молекул, які переходять від пара до рідини в одиницю часу, природно, перевищить кількість випаровуються молекул, але при цьому частина пара просто сконденсіруется, а залишився пар знову прийде в стан динамічної рівноваги. В результаті щільність цього пара буде дорівнює початковій щільності:

Друге властивість: тиск насиченої пари не залежить від його обсягу. Цей факт очевидний через простий зв'язку тиску і щільності, вираженої рівнянням Менделєєва - Клапейрона. Як наслідок, закон Бойля-Маріотта для насиченої пари виконуватися не буде. Закон Бойля-Маріотта має вигляд:

Третя властивість: при незмінному обсязі щільність насиченого пара зростає з підвищенням температури і зменшується зі зниженням температури. Дійсно, при збільшенні температури зростає швидкість випаровування рідини. Динамічна рівновага в перший момент буде порушено, т. Е. Відбудеться додаткове випаровування деякої частини рідини. Щільність пара буде зростати до тих пір, поки динамічна рівновага знову не відновиться.

А при охолодженні відбудеться зворотній процес: частина пара сконденсіруется, зменшуючи його щільність.

Четверте властивість: тиск насиченої пари зростає з температурою швидше, ніж за лінійним законом, як це було у випадку ідеального газу. Справді, із зростанням температури зростає щільність насиченого пара, а відповідно до рівняння Менделєєва - Клапейрона тиск пропорційно добутку щільності на температуру.

Т. е. У разі ідеального газу зростання тиску обумовлювався тільки зростанням температури, тепер працюють два фактори: залежність тиску насиченої пари від температури, що представлено ділянкою 1-2 графіка (див. Рис. 6).

Мал. 6. Графік залежності тиску насиченої пари від температури

Цю залежність можна вивести із законів ідеального газу. При Ізохоричний нагріванні або охолодженні насиченого пара його маса змінюється. Тому закон Шарля в даному випадку працювати не буде.

Зверніть увагу: в точці 2 вся рідина випаровується. При подальшому підвищенні температури пар стає ненасиченим і його тиск тут зростає якраз відповідно до закону Шарля. Це ділянка 2-3 (див. Рис. 6). Закон Шарля має вигляд:

Згадаймо, що лінійне зростання тиску ідеального газу викликаний зростанням інтенсивності ударів молекул об стінки судин. У разі нагрівання насиченої пари молекули починають бити не тільки сильніше, але і частіше, адже пара стає більше. Саме одночасним дією цих двох чинників і викликаний нелінійний зростання тиску насиченої пари на ділянці 1-2.

Якщо підсумувати наведені вище властивості, то можна сказати, що корінним відзнакою насиченої пари від ідеального газу є той факт, що він не є замкнутою системою, т. Е. Знаходиться в постійному контакті з рідиною.

Обговоримо ще один вид пароутворення - кипіння, добре знайоме кожному.

Кипіння виявляється можливим тому, що в рідині завжди розчинено якусь кількість повітря, що потрапив туди в результаті дифузії. А при нагріванні всередину цих мікропухирців починають проникати випаровуються молекули рідини. В результаті бульбашки поступово збільшуються в розмірах і стають видимі неозброєним газом. У каструлі з водою вони осідають на дні і стінках. Протягом короткого часу пар всередині бульбашок стає насиченим, тиск якого, як ви пам'ятаєте, швидко зростає з підвищенням температури. Чим більшими стають бульбашки в міру зростання температури, тим більше діє на них архимедова сила, і з певного часу почнеться відрив і спливання бульбашок, так як архимедова сила стане більше, ніж сила тяжіння, що діє на бульбашку. Піднімаючись вгору, бульбашки потрапляють в менш нагріті шари рідини, пар в них конденсується і бульбашки стискаються. Схлопування бульбашок викликає знайомий нам шум, що передує закипання чайника. Нарешті, з плином часу, вся рідина рівномірно прогрівається, бульбашки досягають поверхні і лопаються, викидаючи назовні повітря і пар. Шум змінюється бурлінням. Ми говоримо, що рідина закипіла.

На відміну від випаровування, яке відбувається при будь-якій температурі, кипіння, як ми знаємо, відбувається тільки при фіксованій температурі - тій температурі, якої досить, щоб бульбашка зміг вирости, піднятися на поверхню і лопнути.

При температурі кипіння тиск насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску на рідину, найчастіше це атмосферний тиск.

Виходить, чим більше зовнішній тиск, тим при більш високій температурі почнеться кипіння (рис. 7).

Мал. 7. Графік залежності температури кіпенмя води від тиску середовища

При нормальному атмосферному тиску, яке становить приблизно 100 000 Па, температура кипіння води, як ми знаємо, дорівнює . Тому можна відразу сказати, що тиск насиченої водяної пари при температурі одно 105 або 100 000 Па. Цей факт необхідно знати при вирішенні завдань. Дуже часто він вважається відомим за замовчуванням.

Природно, чим вище ми піднімаємося в атмосфері, тим менше стає це атмосферний тиск. Так, наприклад, на вершині найвищої гори Кавказу - Ельбрус - атмосферний тиск становить , Т. Е. В 2 рази менше, ніж нормальний атмосферний тиск (див. Рис. 8).

Мал. 8. Наочне уявлення залежності температури кипіння води від зміни тиску з висотою

Природно, що температура кипіння там буде нижче, ніж на рівні моря. Вода там закипить при температурі .

Температура кипіння при нормальному атмосферному тиску є строго визначеною для даної рідини величиною (див. Рис. 9).

Мал. 9. Температура кипіння деяких речовин (при нормальному атмсоферном тиску)

Так, спирт кипить при , Ефір - при , Ртуть - при . Зверніть увагу, чим більш летючої є рідина, тим нижче її температура кипіння. Наприклад, кисень кипить при , Тому при звичайних температурах кисень - це газ.

Природно, якщо збільшувати тиск над рідиною, то і температура кипіння буде рости, саме цей принцип покладено в основу роботи так званих скороварок. Штучним чином над рідиною створюється підвищений тиск, і вода починає кипіти при температурах значно більше, ніж . У цьому випадку продукти, які ми хочемо приготувати, наприклад картопля, будуть приготовлені значно швидше, ніж в разі нормального атмосферного тиску, звідси і назва скороварка.

Ми знаємо, що якщо чайник зняти з вогню, то кипіння тут же припиниться. Процес кипіння вимагає безперервного підведення тепла. Разом з тим температура води в чайнику після закипання перестає змінюватися, залишаючись рівною .

Куди ж при цьому дівається підводиться тепло, чи не суперечить це закону збереження енергії? У 8 класі ми вже відповідали на це питання - тепло йде на збільшення потенційної енергії молекул, в даному випадку на здійснення роботи по видаленню молекул на такі відстані, що сили тяжіння виявляться нездатними утримувати молекули неподалік один від одного, і рідина буде переходити в газоподібний стан . Слід зробити одне важливе зауваження: кипіння буде неможливим, якщо в ній відсутній розчинені газові бульбашки. Детальніше про це ми поговоримо в другому відгалуженні.

перегріта рідина

Розчинені в рідині бульбашки, а також будь-які інші мікроскопічні домішки грають роль так званих центрів випаровування, і якщо якимось чином добитися очищення рідини, то її можна нагріти до температур, які значно перевищують температуру кипіння при даному зовнішньому тиску. Такі рідини називаються перегрітими.

Аналогічне твердження стосується і конденсації: за відсутності відповідних центрів, пар ненасичений можна охолодити нижче температури конденсації. Перегріта рідина і переохолоджену пар є прикладами так званих метастабільних станів.

Внесення найменшої неоднорідності в такі середовища призводить до моментального переходу в інший агрегатний стан, наприклад, якщо в посудину з перегрітої рідиною кинути дрібку солі, то рідина моментально закипить, т. К. Частинки солі стануть центрами випаровування.

А третє відгалуження буде присвячено розбору однієї типової задачі з теми «Насичений пар, кипіння рідини».

Розбір завдання

Умова

Тиск насиченої пари ефіру при одно 24,7 кПа, а при - 123 кПа. Порівняти значення щільності пара при цих температурах.

Рішення

Скористаємося рівнянням Менделєєва - Клапейрона в тій формі, яку ми приводили на основному уроці:

Застосуємо це рівняння до обох станів насиченої пари для и :

Тепер почленно розділимо перше рівняння на друге і отримаємо:

Нам необхідно знайти відношення щільності, висловлюємо його з попереднього співвідношення:

Розрахуємо:

Т. е. Щільність насиченого пара ефіру при приблизно в 5 разів менше, ніж його ж щільність при .

На цьому уроці ми розглянули таке важливе стан речовини, як насичений пар, і обговорили відміну насиченої пари від ідеального газу, який ми вивчали в рамках молекулярно-кінетичної теорії. Крім цього, ми поговорили про такий важливий понятті, як кипіння, і обговорили залежність температури кипіння від зовнішнього тиску.

Які ще властивості насиченої пари зустрічаємо ми повсякденно? Про це ми поговоримо на наступному уроці, тема якого: «Вологість повітря».

список літератури

1. Касьянов В.А. Фізика 10 клас. - М .: Дрофа, 2010 року.

2. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика 10 клас (базовий і профільний рівні). - М .: 2012.

Додаткові рекомендовані посилання на агентство ресурси мережі Інтернет

1. Інтернет-сайт tutoronline.ru ( джерело )

2. Інтернет-сайт ibrain.kz ( джерело )

Домашнє завдання

1. Від яких основних факторів залежить температура кипіння рідини?

2. Якими способами можна отримати з ненасиченого пара насичена пара?

3. На електричній плиті стоїть каструля з водою, в яку поклали варитися картоплю. Звариться чи картопля швидше, якщо, після того як вода закипить, підвищувати температуру спіралі печі? Відповідь аргументуйте.