Лекция №

ТЕМА : Парообразование и конденсация. Кипение. Зависимость

Температуры кипения жидкости от давления. Точка росы.

План

1. Парообразование и конденсация.

2. Испарение.

3. Насыщенный пар и его свойства.

4. Кипение. Зависимость t кип от давления .

5. Перегретый пар и его применение.

6. Влажность воздуха.

1. XIX в. называют «веком пара», так как в это время широкое распространение получили тепловые машины, рабочим веществом которых был пар. В наше время паровые турбины находят применение на теплоэлектростанциях. Для того, чтобы построить такие машины и повысить их ККД необходимо знать свойства рабочего вещества – пара.

Свойства пара используются в разных приборах. Изучение свойств пара привело к возможности получить сжиженные газы и их широкому применению.

Знания о свойствах паров необходимы и в метеорологии.

Таким образом, изучение данного материала имеет большое практическое значение.

Парообразование и конденсация.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется – конденсацией.

Парообразование сопровождается U; конденсация сопровождается U↓

Испарения

Парообразование

происходит в виде кипения

2. Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, которая является границей с газообразной средой или с вакуумом, называется испарением.

Испарение происходит при любой температуре; со свободной поверхности жидкости отлетают молекулы, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии взаимодействия.

Е к < Е к2 > Е к1

Чтобы выйти из жидкости, молекула должна выполнить работу за счет уменьшения своей Е к . Покинуть жидкость могут лишь молекулы, у которых Е к > А выхода (работа, которая выполняется из преодоления сил притяжения между молекулами). Так как жидкость покидают лишь молекулы с большой Е к , а остаются с малой Е к ↓, то среднее значение энергии Е для молекул, которые остаются уменьшается, то есть жидкость охлаждается . Например : этим объясняется холод при выходе из воды; если дуть на ладонь.

Наряду с этим существуют молекулы, которые возвращаются в жидкость, передавая ей часть своей кинетической энергии – Е к, при этом внутренняя энергия жидкости увеличивается (жидкость нагревается).

ИСПАРЕНИЕ КОНДЕНСАЦИЯ ПРОИСХОДЯТ ОДНОВРЕМЕННО.

Если преобладает испарение – жидкость охлаждается.

Если преобладает конденсация – жидкость нагревается.

Скорость испарения зависит:

1. От рода жидкости (эфир, вода).

2. От площади свободной поверхности.

3. С Т скорость испарения возрастает.

4. Чем меньше плотность пара жидкости над ее поверхностью, тем больше скорость испарения.

3. Пары, которые насыщают и не насыщают пространство.

А). В открытом сосуде преобладает процесс испарения,

Так как пар относится движением воздуха.

Б). В герметично закрытом сосуде количество

Молекул, которые покидают жидкость за единицу

Времени = количеству молекул, которые

Возвращаются в жидкость за то же самое время

(конденсация), то есть наступает динамическое

Равновесие. при Т = const

Пар, который находится в состоянии подвижного (динамического) равновесия со своей жидкостью, называется паром, насыщающим пространство, или насыщенным паром.

Именно такой пар содержится над поверхностью жидкости в закрытом сосуде. Давление насыщенного пара зависит только от температуры.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда процесс испарения преобладает над процессом конденсации, и пар при отсутствии жидкости называется ненасыщенным паром.

Свойства паров, насыщающих пространство : Е ПОС , р пара

1. Давление и плотность насыщенного пара зависит от его Т.

2. Не подчиняется закону Шарля (так как m≠const, V = const) и масса насыщенного пара при изохоричном процессе изменяются.

3. Не выполняется закон Бойля - Мариотта (Т = const), при Т = cons р нас пара не зависит от объема, плотность насыщенного пара не изменяется (так как масса газа насыщенного пара изменяется).

Свойства паров, ненасыщающих пространство .

К ненасыщенному пару можно применить законы идеального газа лишь в тех случаях, когда пар далек от насыщенности.

Насыщенный пар возможно превратить в ненасыщенный – изохоричным нагревом (изотермическое расшрение).

Ненасыщенный → насыщенный – путем изохоричного охлаждения (изотермическое сжатие).

Опыты показывают, если пар не сталкивается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщенным, а жидкость при этом так и не образуется. Такой пар называется перенасыщенным. Объясняется это тем, что для образования пара в жидкости необходимы центры конденсации. Обычно, то пылинки или «+» ионы, которые притягивают к себе молекулы пара, что ведет к образованию маленьких капелек.

4. ПРОЦЕСС КИПЕНИЯ.

Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре, называется кипением.

При кипении во всем объеме жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура остается неизменной (Т=const).

Условие кипения – кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

В жидкости всегда существует растворимый газ, который выделяется на дне и стенках сосуда.

С повышением температуры, давление насыщенного пара возрастает, пузырек растет в объеме и под действием F арх всплывает, если t поверхностного слоя жидкости ниже, в пузырьке газ конденсируется, давление падает, пузырек захлопывается (микровзрыв). Этим поясняется шум воды, перед тем как она начинает закипать.

Когда температура жидкости сравнивается, пузырек всплывает на поверхность.

ЗАВИСИМОСТЬ Т кип ОТ ДАВЛЕНИЯ:

1. Чем выше внешнее давление, тем выше Т кипения.

Например. Паровой котел: р = 1,6 · 10 6 Па, а вода не кипит даже при 200°С (автоклав).

2. Уменьшение внешнего давления ведет к снижению Т кип .

Например. Горы: h = 7134 м; р = 4·10 4 Па; t воды = 70°С

3. У каждой жидкости своя Т кип , которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже Т кип соответствующей жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении наз. точкой кипения (норм условия : t = 0°С, р = 760 мм рт ст. = 101300 Па, М возд = 0,029 кг/моль).

Q жид = сm (t кип – t 1 ); Q пар = m·r ; Q = Q жид + Q п = сm (t кип – t 1 ) + m·r

R - Количество теплоты, которая необходима для превращения 1кг жидкости в пар (или пара в жидкость), при постоянной температуре, которая равна температуре кипения называется удельной теплотой парообразования. (Q пар = m·r)

r – Зависит : 1. От рода вещества.

2. От внешних условий.

∑ отдан = ∑ получ уравнение теплового баланса

Перегретый пар и его применение.

Пар, который получают „в чане”, потом нагревают до высокой температуры, а потом уже направляют в паровую турбину, называют сухим или перегретым. Так как вместе с температурой увеличивается давление пара, то сильно перегретый пар называют паром высокого давления.

После того, как пар выполнит работу в турбине, он еще имеет высокую температуру и большой запас энергии. Поэтому с (ТЭЦ) отработанный пар передается на предприятия и жилые дома для отопления.

Критическое состояние вещества.

Чтобы перевести пар в жидкость, необходимо повысить давление и снизить его температуру.

грани не видно

Так как ρ 1 > ρ 2

При увеличении температуры плотность уменьшается для жидкости, а плотность пара возрастает, и различие между ними становится менее заметным. Если температура будет очень высокой, грань исчезнет.

Критической температурой (t кр ) вещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность насыщенного пара становятся одинаковыми.

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его t кр наз. критическим давлением.

При критической температуре свойства жидкости и насыщенного пара становятся неразличимыми, это означает, что при t кр вещество может существовать только в одном состоянии, которое называют газообразным и в этом случае никаким увеличением давления превратить его в жидкость невозможно. Если вещество находится при t кр и р кр , то ее состояние называют критическим состоянием.

СЖАТИЕ ГАЗОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ.

Газ возможно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической (Остан 1908- гелий).

В машинах для сжатия газов используются охлажденные газы в процессе их адиабатического расширения. Предварительно газ сильно сжимают компрессором, теплота отводится. В процессе адиабатического расширения сам газ выполняет работу и еще больше охлаждается. Превращается в жидкость. Сжатые газы сохраняют в сосудах Дьюара. Это сосуд с двойными стенками, между которыми – вакуум, для уменьшения теплопроводности стенки покрыты ртутной амальгамой. Жидкие газы широко применяют в промышленности и научных опытах.

Свойства вещества изменяются при низких температурах:

Свинец становится упругим;

Резина – хрупкой.

Изучение свойств вещества при низких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

В воздухе всегда содержится определенное количество водяного пара. Если водяного пара много, мы говорим, что воздух влажный, если мало – сухой.

Величина, характеризующая содержание водяных паров в разных частях атмосферы Земли называется влажностью воздуха .

Давление, которое оказывал бы водяной пар, если бы остальные газы отсутствовали, наз. парциальным давлением водяного пара.

Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется плотность водяного пара или давление пара, который находится в воздухе /1м/при данной температуре.

Относительной влажностью воздуха называется отношение парциального давления водяного пара, который содержится в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре.

φ - Относительная влажность воздуха показывает, сколько % составляет абсолютная влажность ρ а от плотности водяного пара ρ н , насыщенного воздуха при данной температуре.

ρ а - плотность водяного пара

ρ н - плотность насыщенного пара

Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения, становится насыщенным водяным паром, называют точкой росы .

Приборы для определения влажности воздуха: гигрометр и психрометр .

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение процессов парообразования и конденсации?

2. Какими путями происходит процесс парообразования?

3. Поясните принцип охлаждения и нагрева жидкости.

4. От чего зависит скорость испарения жидкости?

5. Что такое динамическое равновесие?

6. Кипение – это ….?

7. При каком условии какая-либо жидкость начинает кипеть?

8. Как зависит температура кипения вещества от давления?

10. Влажность воздуха - это …

12. Дайте определение точки росы.

Литература

1. Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навч. посіб..- К.: Техніка, 2008.-648 с.: іл..(§63 -§67, §69-70)

2. Владкова Р.А., Добронравов В.Є., Збірник задач і питань з фізики: Навч. посіб.- М.: Наука, 1988.-384 с.

Вопросы для закрепления темы.(ответить усно)

1. Почему мокрое белье, скошенная трава высыхают быстрее в ветреную погоду

2. Почему температура воды в открытых водоемах летом всегда ниже

Температуры окружающей среды?

3. Почему человек, который вышел из воды, ощущает холод, и в ветреную погоду

Это ощущение сильнее?

4. Чем объяснить, что в резиновой одежде тяжело переносить жару?

Такая одежда не дает влаге, которая образовалась под ней, испаряться в

Окружающий воздух, организм человека перегревается.

5. Может ли испаряться твердое тело?

6. Почему вода тушит огонь? Что быстрее потушит пламя – кипяток или

Холодная вода?

7. Почему барометр «падает» перед дождем

8. Как изменяется абсолютная и относительная влажность воздуха при его

Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты.

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар.

Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры.

Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него теплоты и являющийся процессом, обратным парообразованию, наз. конденсацией . Этот процесс, также как и парообразование, происходит при постоянной температуре.

Возгонкой или сублимацией наз. процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар.

Процесс, обратный процессу сублимации, т.е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние, наз. десублимацией .

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченный объем одновременно происходит и обратный процесс, т.е. явление сжижения. По мере испарения и заполнения паром пространства над жидкостью, уменьшается интенсивность испарения и увеличивается интенсивность обратного ему процесса. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости испарения, в системе наступает динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, будет равно числу молекул, возвращающихся в нее обратно. Следовательно, в паровом пространстве при этом равновесном состоянии будет находиться максимальное число молекул. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и наз. насыщенным . Под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре – переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Вследствие этого состояние сухого пара определяется одним параметром, например, давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар , получающийся при неполном испарении жидкости, явл. смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно по всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре наз. степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре наз. степенью влажности и обозначается y. Очевидно, что y=1-x. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах.

Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы.

При сообщении сухому пару теплоты при постоянном давлении, температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, наз. перегретым .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (т.к. р=const, tпер>tн), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар явл. ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к идеальным газам.

10.3. р,v – диаграммa водяного пара

Рассмотрим особенности процесса парообразования. Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается давление р. Объем воды, находящейся под поршнем равный удельному объему при 0 С, обозначим через ( =0,001м /кг) Будем считать для упрощения, что вода явл. практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 С, а не при 4 С (точнее 3,98 С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t=t н, соответствующей р=р 1 , вода закипит и начнется парообразование.

Все изменения состояния жидкости и пара будем отмечать в р,v координатах (рис. 10.1).

Процесс образования перегретого пара при р=const состоит из трех последовательно осуществляемых физических процессов:

1. Подогрев жидкости до температуры t н;

2. Парообразование при t н =const;

3. Перегрев пара, сопровождающийся повышением температуры.

При р=р 1 этим процессам в р,v – диаграмме соответствуют отрезки а-а , а -а , а -д. В интервале между точками а и а температура будет постоянной и равной tн1 и пар будет влажный, причем ближе к т.а степень сухости его будет меньше (х =0), а в т.а , соответствующей состоянию сухого пара, х=1. Если процесс парообразования будет идти при более высоком давлении (р 2 >р 1), то объем воды практически останется прежним. Объем v , соответствующей кипящей воде, несколько увеличится (), т.к. t н2 >t н1 , а объем , поскольку процесс парообразования при более высоком давлении и высокой температуре протекает более интенсивно. Следовательно, при возрастании давления разность объемов (отрезок ) увеличивается, а разность объемов (отрезок ) уменьшается. Аналогичная картина будет и тогда, когда процесс парообразования идет при большем давлении (р 3 >p 2 ; ; , т.к. t н3 >t н2).

Если на рис.10.1 соединить точки с одним и двумя штрихами, лежащие на изобарах

различных давлений, получим линии ; ,

каждая из которых имеет вполне определенное значение. Например, линия а-b-c выражает зависимость удельного объема воды при 0 С, от давления. Она почти параллельна оси ординат, т.к. вода – практически несжимаемая жидкость. линия дает зависимость удельного объема кипящей воды от давления. Эта линия наз. нижней пограничной кривой . В р,v – диаграмме, эта кривая отделяет область воды от области насыщенных паров. Линия показывает зависимость удельного объема сухого пара от давления и наз. верхней пограничной кривой . Она отделяет область насыщенного пара от области перегретого (ненасыщенного) пара.

Точка встречи пограничных кривых наз. критической точкой К . Эта точка соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, когда отсутствует различие между жидкостью и паром. В этой точке отсутствует участок процесса парообразования. Параметры вещества при этом состоянии наз. критическими. Например, для воды: рк=22,1145 МПа; Тк=647,266 К; Vк=0,003147 м /кг.

Критическая температура явл. максимальной температурой насыщенного пара. При температуре выше критической могут находиться лишь перегретые пары и газы. Впервые понятие о критической температуре было дано в 1860 г. Д.И. Менделеевым. Он определил ее как такую температуру, выше которой газ не может быть переведен в жидкость, какое бы высокое давление к нему не было приложено.

Не всегда, однако, процесс парообразования совершается так, как это показано на рис.10.1. если вода очищена от механических примесей и растворенных в ней газов, парообразование может начаться при температуре выше Т н (иногда на 15-20 К) из-за отсутствия центров парообразования. Такая вода носит название перегретой . С другой стороны при быстром изобарном охлаждении перегретого пара конденсация его может начаться не при Т н. а при несколько более низкой температуре. Такой пар наз. переохлажденным или пересыщенным . При решении вопроса, в каком агрегатном состоянии могут быть вещества (пар или вода) при заданных р и Т р и v или Т и V нужно всегда иметь ввиду следующее. При р=const для перегретого пара и Т д >T н (см. рис. 10.1); для воды, наоборот и Т<Т н; при Т=const для перегретого пара и р е <р н; для воды и р n >р н. Зная эти соотношения и пользуясь таблицами для насыщенного пара, можно всегда определить, в какой из трех областей 1, 2 или 3 (см. рис. 10.2) находится рабочее тело с заданными параметрами, т.е. является ли жидкостью (область 1), насыщенным (область 2) или перегретым (область 3) паром.

Для сверхкритической области за вероятную границу «вода – пар» условно принимают критическую изотерму (штрихпунктирная кривая). При этом слева и справа от этой изотермы вещество находится в однофазном гомогенном состоянии, обладая, например, в т.y свойствами жидкости, а в т.z – свойствами пара.

На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования - удельную теплоту парообразования и конденсации.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования - испарение - и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования - удельная теплота парообразования и конденсации.

Определение. Кипение (рис. 1) - это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения - строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение - сразу со всего объема.

Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, - это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.

В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.

Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.

Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.

В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.

Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.

Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.

На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.

Рис. 2. Скороварка ()

Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000-5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.

На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).

Рис. 3 Разделение нефти на фракции ()

Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.

Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) - эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.

Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.

Обозначение : удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).

Единица измерения : .

Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.

Вещество

При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования:

Испарение

Кипение

Испарение – это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т.д. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Идет процесс испарения.

Скорость испарения зависит от рода жидкости . Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.

Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости . Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул способны преодолеть силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности . Чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул участвует в процессе парообразования.

Одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс – конденсация . Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова в нее возвращается вследствие притяжения молекулами жидкости поверхностного слоя.

Т.к. при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этого температура испаряющейся жидкости понижается: жидкость охлаждается.

Явление превращения пара в жидкость называют конденсацией . Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся в воздухе, при охлаждении конденсируется, и маленькие капельки воды оседают на траве и листьях.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начинает поглощать её энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и её температура несколько повышается.

Кипение – интенсивное парообразование, при котором внутри жидкости растут и поднимаются вверх пузырьки пара. Оно начинается после того, как давление внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

По мере нагревания воды пузырьки воздуха, растворенные в воде, становятся крупнее и многочисленнее. С ростом размеров пузырьков, возрастает и архимедова сила, выталкивающая их из воды, и они всплывают. При определенной температуре с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает. На поверхности они лопаются, и находившийся в них водяной пар выходит в атмосферу - вода кипит.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит.

Температура, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения .

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. При увеличении этого давления рост и подъем пузырьков внутри жидкости начинается при большей температуре, при уменьшении давления – при меньшей температуре.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования. (r – измеряется Дж/кг).

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для превращения в пар жидкости произвольной массы m, взятой при температуре кипения, надо удельную теплоту парообразования этой жидкости умножить на её массу:

Количество теплоты, которое выделяет пар массой m, конденсируясь при температуре кипения, определяется той же формулой, но со знаком минус.

В окружающем нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров. Влажность воздуха зависит от количества водяного пара, содержащегося в нем. Чем больше водяных паров находится в объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения, но чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров необходимо для его насыщения.

Относительная влажность - это отношение плотности водяного пара, содержащегося в воздухе (ρ), к плотности насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах.

φ=ρ *100%

ρ нас.

Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщению. Признаком того, что пар насытился является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости - росы.

Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе.

Влажность воздуха определяется психрометром.

В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров.

В данной статье мы раскроем смысл таких понятий, как «испарение» и «конденсация».

Парообразование характеризируется переходом вещества из жидкого в газообразное состояние. Это может осуществляться двумя видами: посредством кипения, либо способом испарения.

Испарением именуется процесс парообразования, которое происходит с поверхности жидкого вещества. Далее расскажем подробнее, как происходит испарение и конденсация, то есть обратный процесс - возвращение молекул в жидкость. Процесс испарения осуществляется так: ввиду того, что молекулы любого вещества в жидком состоянии беспорядочно непрерывно движутся, причем с разной скоростью. Между ними существует взаимное притяжение, благодаря которому они не могут вылететь наружу, но если на поверхности вещества окажется молекула с высоким показателем кинетической энергии, то она преодолеет между молекулами и вылетит из вещества. Тот же процесс повторится и с другими молекулами. Вылетев наружу, молекулы образуют пар над жидкостью. Это и есть испарение.

Ввиду того, что из жидкости при испарении вылетают молекулы, имеющие наибольшую показатель кинетической энергии молекул, который остались в веществе, идет на убывание. В результате понижается температура испаряющейся жидкости, и она охлаждается. В то же время известно, что вода длительное время находящаяся в стакане также испаряется, но ведь она не охлаждается непрерывно пока не замерзнет. Почему? Все дело в теплообмене воды с теплым воздухом, который окружает стакан.

Скорость испарения зависит от вида жидкости, ее температуры, площади поверхности от наличия над поверхностью жидкого вещества ветра.

Охлаждение вещества в жидком состоянии при испарении более существенно при быстром процессе испарения. Вещества, которые быстро испаряются, применяются в технике. Охлаждение жидкости во время испарения также используется в аппаратах, которыми измеряют

При помощи несложных опытов можно определить, что скорость испарения будет расти вместе с увеличением температуры жидкого вещества, а также пропорционально увеличению площади свободной поверхности.

Испарение и конденсация процессы противоположные. Выше мы узнали, а теперь рассмотрим, как происходит конденсация. Жидкость испаряется быстрее при наличии ветра, но почему? Это происходит из-за того, что во время испарения осуществляется также и обратный процесс, который называется «конденсация». Она возникает по причине того, что некоторые молекулы пара, перемещаясь над жидким веществом, возвращаются в него обратно. А ветер относит вылетевшие молекулы на большое расстояние, не давая возможности им вернуться обратно.

Жидкость, охлаждаемая во время испарения, становясь холоднее окружающей среды, начинает осуществлять поглощение ее энергии. Количество поглощаемой энергии называется «скрытая теплота испарения».

А при конденсации происходит обратное: энергия выделяется в окружающую среду, тем самым повышая ее температурный показатель. Существует два вида конденсации: пленочный и капельный. Пленочный образуется на смачиваемой поверхности и сопровождается возникновением пленки. На поверхности, которая не смачивается, образуется капельный конденсат.

Испарение и конденсация на практике применяются в процессе работы холодильного оборудования.