Конспект урока: Изменение агрегатных состояний вещества. Испарение и конденсация. Скорость процесса испарения. Насыщенный пар. Влажность воздуха

Способы увеличения скорости испарения

Прежде всего, скорость испарения зависит от степени нагретости вещества: чем больше температура, тем больше кинетическая энергия молекул, тем больше скорость их хаотического движения. Соответственно, чем выше температура жидкости, тем больше молекул будут иметь скорость, достаточную для преодоления сил притяжения со стороны молекул вещества и сил сопротивления со стороны молекул воздуха. Чем больше температура вещества, тем быстрее происходит испарение.

Рис. 1. Силы межмолекулярного притяжения на поверхности и внутри жидкости

Во-вторых, следует понимать, что силы межмолекулярного притяжения наиболее сильны в глубине вещества.

 

Молекулу, находящуюся на поверхности вещества, притягивает к себе меньшее количество молекул вещества, чем если бы она находилась в глубине жидкости (рис. 1).
 

Очевидно, что скорость испарения зависит от площади открытой части вещества: чем больше площадь открытой поверхности жидкости, тем больше молекул будут иметь возможность вылететь из вещества. Для увеличения скорости испарения следует увеличит площадь открытой поверхности.

Действительно, из повседневной жизни мы знаем, что вода, забытая в стакане, полностью испарится лишь по прошествии нескольких дней, однако если её вылить на пол, вода полностью высохнет за несколько часов.

Наконец, из предыдущего параграфа мы узнали, что процессы конденсации и испарения всегда происходят одновременно. Следовательно, чем меньше молекул вещества возвращается в вещество, тем быстрее происходит испарение.

Так, в ветреную погоду лужи на улице высыхают значительно быстрее, так как молекулы водяного пара, образованные при испарении воды, уносятся ветром и не успевают вернуться обратно в жидкость.

Насыщенный пар

Рис. 2. Испарение преобладает над конденсацией

Рассмотрим процессы, происходящие в закрытом сосуде, в котором находится некоторое количество воды. Температуру сосуда с веществом будем поддерживать неизменной.
 

В начале наблюдаемая жидкость будет активно испаряться: количество молекул N, вылетающих из жидкости, будет превышать количество молекул M, возвращающихся в жидкость (рис. 2). Так как количество молекул воды над жидкостью постоянно растёт, увеличивается плотность водяного пара. В этом случае пар, находящийся над жидкостью, называется ненасыщенным.

Рис. 3. Термодинамическое равновесие

 

С течением времени процесс испарения будет замедляться, так как количество сконденсировавшихся молекул будет постепенно расти. В определённый момент количество вернувшихся молекул M станет равно количеству испарившихся молекул N (рис. 3), плотность пара над жидкостью примет постоянное значение.  

 

Описанное состояние термодинамической системы «пар – жидкость» получило название динамическое равновесие, пар в этом случае называется насыщенным.

Рис. 4. Конденсация преобладает над испарением

Также возможна ситуация, когда количество молекул, покидающих жидкость N, меньше количества молекул, вернувшихся в жидкость M (рис. 4). В этом случае пар называется пересыщенным.
 

Получить пересыщенный пар можно путём сжатия насыщенного пара при постоянной температуре: так как пар уже был насыщен, его плотность не может увеличиться, поэтому часть молекул сконденсируется. Процесс конденсации остановится в тот момент, когда снова будет достигнуто состояние термодинамического равновесия.

Что же произойдёт с системой, где уже установилось динамическое равновесие, при изменении её температуры?
 

Представим тот же закрытый сосуд с жидкостью и её паром, в котором уже достигнуто равновесие. При увеличении температуры испарение вновь будет преобладать над конденсацией — пар станет перенасыщенным. Плотность водяного пара будет увеличиваться до тех пор, пока система не придёт в состояние термодинамического равновесия и пар не станет насыщенным. Очевидно, что плотность получившегося пара будет больше, чем до увеличения температуры. Таким образом, чем больше температура системы, тем больше плотность насыщенного пара.

Представим обратную ситуацию. При уменьшении температуры количество молекул, вернувшихся в жидкость, будет больше количества молекул, покинувших её. Конденсация будет преобладать над испарением до тех пор, пока пар снова не придёт в равновесие с жидкостью. Плотность водяного пара в конечном состоянии будет меньше, чем до уменьшения температуры. Чем меньше температура системы, тем меньше плотность насыщенного пара.

Итоги

• Скорость испарения можно увеличить тремя способами: увеличить температуру системы, увеличить площадь открытой поверхности, удалять испарившиеся молекулы пара над жидкостью.
• Динамическое равновесие — это такое состояние термодинамической системы, при котором количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, равно количеству молекул, возвращающихся обратно в жидкость.
• Насыщенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью. Плотность насыщенного пара тем больше, чем выше его температура.