Физика § 6

        1. Испарение. Существует три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.
        Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а обратный переход – конденсацией.
        Виды парообразования: испарение и кипение.
        Испарение обусловлено хаотическим движением молекул и и происходит только со свободной поверхности, граничичащей с газообразной средой. Вылетая из жидкости, молекулы должны преодолеть силы притяжения, действующие со стороны других молекул, т.е. совершить работу выхода. Сделать это могут только быстрые молекулы. Таким образом, в жидкости остаются молекулы с малой кинетической энергией, поэтому жидкость при испарении охлаждается.
        Испарение и конденсация всегда происходят одновременно, но один из этих процессов может преобладать. Скорость испарения зависит от:
        – природы жидкости;
        – температуры;
        – площади свободной поверхности;
        – плотности паров жидкости над поверхностью;
        – внешнего давления.
        Поскольку среднее расстояние между молекулами в жидком состоянии меньше, чем в газообразном, объем вещества при парообразовании увеличивается.
        Парообразование сопровождается поглощением теплоты из окружающей среды. Теплота парообразования прямо пропорциональна массе вещества:

        Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости.
        [L] = Дж/кг.
        С ростом температуры удельная теплота парообразования уменьшается.

        2. Насыщенный пар. Если плотность пара над поверхностью жидкости велика, то конденсация может происходить с той же скоростью, что и испарение, т.е. число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в нее. В таком случае говорят, что пар находится в состоянии подвижного равновесия со своей жидкостью.
        Пар, находящийся в подвижном равновесии со свей жидкостью, называется насыщенным.
        Покажем, что насыщенный пар газовым законам не подчиняется. Пусть в цилиндре с поршнем находится ненасыщенный пар (рис. 6.1.A). При изотермическом сжатии давление и плотность увеличиваются до тех пор пока пар не приходит в состояние насыщения (рис. 6.1.B). При дальнейшем сжатии в цилиндре появляется жидкость, а давление пара остается постоянным (рис. 6.1.C). После того как весь пар превращается в жидкость, дальнейшее сжатие ведет к резкому скачку давления (рис. 6.1.D).

Рис. 6.1.

На рис. 6.2 показана зависимость давления от объема в данном опыте, и отмечены точки A, B, C и D, отражающие состояния пара, изображенные на рис. 6.1. Пока в цилиндре ненасыщенный пар, сжатие происходит по изотерме в соответствии законом Бойля–Мариотта (участок AB). При дальнейшем сжатии объем жидкости увеличивается, а давление остается постоянным (участок BD). Таким образом, давление насыщенного пара не зависит от объема.

Рис. 6.2.

Давление и плотность насыщенного пара увеличиваются с ростом температуры. Плотность насыщенного пара показывает какое максимальное количество пара может содержаться в единице объема при данной температуре.

        Закон Дальтона:
        Давление смеси паров и газов равно сумме давлений, создаваемых каждым из них в отдельности, если между ними нет химического взаимодействия.
        Следствием закона Дальтона является утверждение: присутствие над поверхностью насыщенного пара одной жидкости не мешает испаряться другой.

        3. Влажность воздуха.
        Количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, называется абсолютной влажностью.
        [_а ] = г/м³.
        Относительная влажность воздуха это число, показывающее сколько процентов от плотности насыщенного пара при данной температуре составляет абсолютная влажность.

        Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы.
        [t_р ] = °C

4. Критическое состояние вещества. С повышением температуры плотность насыщенного пара увеличивается, а плотность жидкости в результате теплового расширения уменьшается (рис. 6.3).

Рис. 6.3.

Температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми, называется критической.
При критической температуре различия между жидкостью и паром стираются. Вещество при этом находится в критическом состоянии, и параметры этого состояния называются критическими. Для воды, например, t_кр = 374 °C, p_кр = 219 атм, _кр = 329 кг/м³.

5. Реальный газ.
График изотермического процесса для идеального газа в координатах p,V представляет гиперболу. Для реального же газа экспериментальная изотерма имеет горизонтальный участок (рис. 6.4).

Рис. 6.4.

        Если состояние идеального газа описывается уравнением Клапейрона-Менделеева:
        pV = RT,
то для описания состояния реального газа следует использовать экспериментально полученное уравнение Ван-дер-Ваальса:

Параметры a и b в этом уравнении индивидуальны для каждого газа. Для воды, например, они равны:

Параметры a и b могут быть выражены через критические параметры газа:

здесь V_кр – объем 1 моля газа в критическом состоянии.

        6. Кипение.
        Парообразование, происходящее в объеме всей жидкости при постоянной температуре, называется кипением.
        Условие кипения:
        Жидкость закипает при такой температуре, при которой давление ее насыщенного пара сравнивается с внешним давлением.
        Таким образом, температура кипения жидкости не является фиксированной величиной. При понижении внешнего давления температура кипения уменьшается, а при повышении – увеличивается.
        Вода, например, закипает при 100 °C только, если давление равно 1-й атмосфере. При давлении 0,5 атмосфер вода закипит при 80 °C, а при давлении 2 атмосферы – при 120 °C.