ИЗДАТЕЛЬСТВО "ЗЛАТОУСТ"
НАСЫЩЕННЫЙ ПАР
Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, происходящее при любой температуре с поверхности жидкости, называется испарением. Почему происходит испарение? Испарение происходит, потому что при хаотическом движении некоторые молекулы жидкости в открытом сосуде получают такую большую кинетическую энергию, что преодолевают притяжение других молекул и покидают поверхность жидкости. Совокупность молекул, вылетевших из жидкости при парообразовании (испарении), называется паром данной жидкости.
Известно, что параллельно с испарением жидкости идёт обратный процесс — конденсация пара, который образуется в результате испарения. Это происходит потому, что молекулы пара в процессе своего движения могут приблизиться к поверхности жидкости и под действием сил притяжения молекул жидкости могут опять вернуться в жидкость.
Если испарение происходит в открытом сосуде, то в жидкость возвращается лишь небольшая часть молекул пара, а основная их часть рассеивается в воздухе. В данном случае скорость испарения жидкости больше скорости конденсации её пара, поэтому количество жидкости в открытом сосуде постоянно уменьшается. Через некоторое время жидкость полностью превратится в пар.
Если же процесс испарения идёт в закрытом сосуде, то количество жидкости уменьшается только до определённого предела. Затем её количество остаётся неизменным. Почему это происходит?
В закрытом сосуде количество молекул пара быстро возрастает, так как пар не может выйти из сосуда, поэтому давление пара увеличивается. С увеличением давления пара скорость испарения жидкости уменьшается, а скорость конденсации пара, напротив, увеличивается. При определённом (для данной температуры) давлении наступает момент, когда скорость конденсации становится равной скорости испарения, то есть в среднем за единицу времени в жидкость возвращается столько же молекул, сколько молекул вылетает из жидкости. С этого момента между паром и жидкостью устанавливается динамическое равновесие.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Насыщенный пар содержит наибольшее количество молекул, которые могут находиться над поверхностью данной жидкости при данной температуре.
Насыщенный пар имеет следующие свойства:
1. Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости. При одной и той же температуре давление насыщенного пара разных жидкостей различно. Например, давление насыщенного пара воды при 45 °С равно 10 000 Па, а давление насыщенного пара ртути — всего 1,3 Па.
2. Давление насыщенного пара зависит от его температуры. Чем выше температура, тем больше давление насыщенного пара. Как это можно объяснить?
С повышением температуры тепловое движение молекул увеличивается. Чем выше температура, тем больше скорость теплового движения молекул пара. Следовательно, удары молекул о стенки сосуда становятся сильнее и происходят чаще. Таким образом, с повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается.
С повышением температуры всё большее число молекул жидкости имеет скорость и энергию, достаточные для вылета из жидкости. При этом скорость испарения увеличивается, и в динамическом равновесии участвует всё большее число молекул. Следовательно, с повышением температуры увеличивается плотность насыщенного пара, а значит, увеличивается и число ударов молекул о стенки сосуда, и, таким образом, увеличивается давление насыщенного пара. Давление насыщенного пара возрастает значительно быстрее, чем давление газа.
3. При постоянной температуре давление насыщенного пара не зависит от объёма, занимаемого паром. Так, если уменьшить объём, занимаемый паром, то плотность этого пара возрастает, динамическое равновесие нарушается и число молекул, которые переходят в жидкость, становится больше, чем число молекул, которые вылетают из жидкости (покидают жидкость). Таким образом, происходит конденсация части пара. Конденсация будет происходить до тех пор, пока плотность пара будет равна плотности насыщенного пара. При этом давление станет равным давлению насыщенного пара при данной температуре. Аналогично при увеличении объёма снова начинается процесс испарения, который будет продолжаться до момента, когда давление пара станет максимальным для данной температуры.