канспет по физике тема испарение конденсация насыщенный и насыщенный пар
Конспект: испарение, конденсация, насыщенный и ненасыщенный пар
Кратко. Испарение — это парообразование с поверхности жидкости при любой температуре. Конденсация — обратный переход пара в жидкость. В закрытом сосуде оба процесса идут одновременно, и со временем устанавливается динамическое равновесие. Пар в равновесии с жидкостью называют насыщенным: при данной температуре его давление и плотность максимальны и не зависят от объёма. Если давление пара меньше максимального, пар ненасыщенный; он приближённо подчиняется газовым законам. При испарении теплота поглощается, при конденсации выделяется: \(Q=Lm\).
1. Испарение
Определение. Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре.
Механизм:
- молекулы жидкости движутся с разными скоростями;
- самые быстрые молекулы у поверхности преодолевают силы притяжения и вылетают в пар;
- обратно в жидкость могут возвращаться молекулы пара — идёт конденсация.
Почему жидкость охлаждается. Улетают наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Если теплота не подводится, температура жидкости понижается.
От чего зависит скорость испарения:
- от температуры: чем выше температура, тем больше быстрых молекул;
- от площади свободной поверхности жидкости;
- от рода жидкости: чем сильнее притяжение между молекулами, тем медленнее испарение;
- от движения воздуха: ветер уносит пар, поэтому обратная конденсация мешает меньше.
Кипение — не то же самое, что испарение. При кипении парообразование идёт по всему объёму жидкости при температуре кипения, которая зависит от внешнего давления.
Примеры: высыхание лужи, сушка белья, испарение спирта с кожи.
2. Конденсация
Определение. Конденсация — переход пара в жидкость.
Когда происходит. При охлаждении пара или при его сжатии, когда пар становится насыщенным. В закрытом сосуде конденсация и испарение идут одновременно.
Энергия. При конденсации выделяется количество теплоты \[ Q=Lm, \] где \(L\) — удельная теплота парообразования, \(m\) — масса сконденсировавшегося пара. Для воды при \(100^\circ\text{C}\) \(L\approx 2{,}3\cdot 10^6\) Дж/кг.
Примеры: роса утром, туман, запотевание очков, капли на холодной крышке.
3. Насыщенный и ненасыщенный пар
Динамическое равновесие. В закрытом сосуде над жидкостью одновременно идут испарение и конденсация. Когда число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, равно числу возвращающихся, наступает динамическое равновесие. Концентрация пара и его давление перестают меняться.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. При данной температуре он имеет максимально возможные давление \(p_{\text{нас}}\) и плотность \(\rho_{\text{нас}}\).
Ненасыщенный пар — пар, давление которого меньше давления насыщенного пара при той же температуре. Он не находится в равновесии со своей жидкостью и может продолжать конденсироваться.
Главная идея. При данной температуре пар не может иметь давление больше \(p_{\text{нас}}\). Если пар сжимать, «лишний» пар конденсируется. Ненасыщенный пар — как бы «недогруженный»: его можно сжимать, и давление будет расти, пока не достигнет предела.
| Свойство | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Связь с жидкостью | в динамическом равновесии | равновесия нет |
| Давление при данной \(T\) | максимальное, \(p_{\text{нас}}\) | меньше \(p_{\text{нас}}\) |
| Зависимость от объёма | не зависит, если есть жидкость | зависит: при сжатии растёт |
| Газовые законы | не выполняются | приближённо выполняются |
| При изотермическом сжатии | конденсируется, \(p\) не растёт | \(p\) растёт до \(p_{\text{нас}}\), затем начинается конденсация |
Важные следствия:
- давление насыщенного пара зависит только от температуры и рода жидкости;
- при нагревании \(p_{\text{нас}}\) увеличивается;
- насыщенный пар не подчиняется закону Бойля — Мариотта: при изотермическом сжатии его давление остаётся постоянным, потому что пар конденсируется;
- ненасыщенный пар можно перевести в насыщенный охлаждением или изотермическим сжатием.
Влажность и точка росы. Относительная влажность показывает, насколько пар близок к насыщению: \[ \varphi=\frac{p}{p_{\text{нас}}}\cdot 100\%. \] Если \(\varphi=100\%\), пар насыщенный. Точка росы — температура, при которой пар становится насыщенным и начинает конденсироваться.
4. Как рассуждать в задачах
- Посмотри, есть ли в сосуде жидкость, находящаяся в равновесии с паром.
- Если есть и температура постоянна, пар насыщенный: \(p=p_{\text{нас}}(T)\), давление не зависит от объёма.
- Если \(p<p_{\text{нас}}\), пар ненасыщенный: применяй газовые законы, например \(pV=\text{const}\) при постоянной температуре.
- При охлаждении сравнивай давление пара с \(p_{\text{нас}}\) при новой температуре. Как только они сравняются, начинается конденсация.
- Теплоту считай по формуле \(Q=Lm\): при испарении она поглощается, при конденсации выделяется.
5. Проверь себя
Почему в закрытой бутылке вода не исчезает?
Устанавливается динамическое равновесие: сколько молекул испаряется, столько же конденсируется. Пар становится насыщенным.Почему бельё сохнет быстрее на ветру?
Ветер уносит образующийся пар, поэтому над тканью пар остаётся ненасыщенным и испарение идёт быстрее.Почему при изотермическом сжатии насыщенного пара давление не растёт?
Пар конденсируется, его масса и концентрация уменьшаются, а давление остаётся равным \(p_{\text{нас}}(T)\).Почему при испарении жидкость охлаждается?
Жидкость покидают самые быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся уменьшается, поэтому температура понижается.
