Почему после купания нам холодно? Как заставить работать пар?

Сегодняшний урок мы с вами начнём с небольшого опыта. Нальём в широкий и неглубокий сосуд воду и оставим его на столе. Через некоторое время мы обнаружим, что вода из сосуда «исчезла».

Почему так происходит? А почему сохнет мокрая одежда? И почему в ветреную погоду она высыхает значительно быстрее, чем в безветренную?

Для ответа на эти вопросы давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в непрерывном движении и взаимодействии. При этом, конечно же, энергия отдельных молекул (а, значит, и их скорость) может быть и больше, и меньше среднего значения энергии теплового движения всех молекул жидкости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения «соседей»-молекул и вылететь из жидкости. А так как молекулы с большими скоростями есть всегда, то с течением времени количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар — газообразное состояние вещества.

Явление превращения жидкости в пар называют парообразованием.

Заметим, что водяной пар невидим. А то, что мы свами часто ошибочно называем паром — например, еле заметную белёсую струйку над чашкой чая — это туман. Он состоит из крошечных капелек воды, образовавшихся при конденсации пара. Но об этом явлении немного позже.

Различают два вида парообразования — это испарение и кипение.

Кипение — это процесс парообразования, идущий при постоянной температуре по всему объёму жидкости.

А испарение — это процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Итак, мы уже выяснили, что при испарении жидкость покидают наиболее «энергичные» молекулы. А это значит, что энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается. Значит, должна уменьшаться и её температура. Проверим это.

Возьмём лабораторный термометр и обмотаем шарик резервуара термометра марлей, смоченной в воде комнатной температуры. Не трудно увидеть, как при испарении воды показания термометра начнут уменьшаться. Это происходит потому, что при испарении жидкость отбирает теплоту у тела (поглощает энергию).

Каждый из вас, наверное, вспомнит то ощущение прохлады, которое возникает после дождя, когда вода испаряется. Этим же объясняется и то, что, выйдя из воды после купания в жаркий летний день нам становится холодно. Хотя температура воздуха гораздо выше температуры воды.

— А от чего зависит скорость испарения жидкостей?

Для ответа на этот вопрос проведём небольшую серию экспериментов.

Для начала возьмём стекло, на которое нанесено три капельки различных жидкостей — масла, воды и спирта, и пронаблюдаем за жидкостями.

Спустя некоторое время мы увидим, как сначала исчезнет капля спирта, затем воды. А вот масляное пятно сохраняется очень долго.

Значит, скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Оно и понятно, ведь у разных жидкостей силы взаимодействия молекул неодинаковые.

Теперь возьмём две стеклянные пластины с одинаковыми каплями воды Одну пластинку оставим, как есть. А вторую будем подогревать снизу. Через некоторое время увидим, что с нагретого стекла капля воды исчезла, тогда как на холодном стекле она всё ещё испаряется.

Следовательно, скорость испарения жидкости зависит от её температуры: чем она выше, тем скорость испарения жидкости больше.

Кстати, испарение жидкостей происходит при любой температуре (кроме абсолютного нуля). Но чем выше температура жидкости, тем интенсивнее происходит испарение.

Продолжим опыты. Возьмём стекло, на которое нанесены две одинаковые капельки спирта. Но давайте одну капельку немного размажем по стеклу и понаблюдаем за испарением. Нетрудно увидеть, что пятно спирта испарилось гораздо быстрее, чем капля.

Значит, скорость испарения жидкости зависит от её площади свободной поверхности: чем больше площадь, тем больше скорость испарения. Просто в этом случае большее число молекул оказывается на поверхности жидкости. А значит и большее число молекул способны преодолеть взаимное притяжение и вылететь из жидкости.

Наконец, на два стекла нанесём по капле спирта. Но одно стекло будем обдувать. Видим, что капля с этого стекла испарилась быстрее. Почему? При испарении молекулы не только покидают поверхность жидкости, но и возвращаются обратно. Ветер же уносит вылетевшие молекулы, освобождая место другим. На этом основана, например, сушка волос феном.

Таким образом, скорость испарения зависит от движения воздуха над свободной поверхностью жидкости.

Этим, кстати, и объясняется то, что на пляже в жаркий, но ветреный день усиливает ощущение холода, когда человек выходит из воды.

— А испаряются ли твёрдые вещества?

Для ответа на этот вопрос, поместим в пробирку кристаллики йода и будем нагревать их над пламенем спиртовки. Через некоторое время мы заметим, как кристаллики йода начнут испаряться. Значит, твёрдые тела тоже испаряются.

Этим и объясняется исчезание инея с деревьев в ясный морозный день, и высыхание мокрого белья в очень сильные морозы.

В начале урока мы говорили о том, что очень часто люди ошибочно называют паром туман, который состоит из крошечных капелек воды. Так же все вы не раз наблюдали, как вечером, после жаркого летнего дня, выпадает роса. Это водяной пар, который содержится в воздухе, при охлаждении превращается в жидкость, и капельки воды оседают на листьях и траве.

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

В отличие от испарения, процесс конденсации протекает с выделением тепла, то есть энергии. Почему? Дело в том, что когда молекула пара приближается к поверхности жидкости, то под действием сил притяжения со стороны молекул жидкости она разгоняется и «бомбардирует» жидкость. В итоге энергия движения молекул жидкости, а значит, и её температура увеличиваются. Вспомните, например, состояние погоды летом перед дождём: становится жарко, душно, «парит». В этот момент как раз и происходит конденсация водяного пара, образуются капельки жидкости.

Процессы испарения и конденсации широко распространены в природе и технике. Так, например, вследствие испарения воды с поверхности водной оболочки Земли — гидросферы, с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака и выпадать в виде осадков.

Очевидно, что если в открытом сосуде процесс испарения идёт быстрее, чем процесс конденсации, то масса жидкости в сосуде уменьшается. Но что, если поместить жидкость в плотно закрытый сосуд?

Сколько бы времени ни прошло, уровень жидкости в нём остаётся неизменным. Но это не означает, что в закрытом сосуде жидкость не испаряется. Испаряется, ещё как. Просто из закрытого сосуда молекулы вылететь не могут.

Поэтому, немного полетав над жидкостью, многие из них возвращаются обратно в жидкость. То есть одновременно с испарением жидкости происходит и конденсация пара. А так как уровень жидкости в закрытом сосуде не изменяется, то можно утверждать, что процессы испарения и конденсации идут с одинаковой скоростью. Говорят, что в этом случае наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным паром. При этом, как было установлено, давление насыщенного пара зависит только от его температуры.

Как видно из таблицы, давление насыщенного водяного пара увеличивается при возрастании температуры. Например, при изменении температуры от 50 °C до 100 °C давление водяного пара увеличивается более чем в 8 раз.

А может ли пар быть ненасыщенным? Конечно, да. Например, жидкости в сосуде может быть так мало, что она может полностью испариться.

Если насыщенный пар продолжать нагревать в отдельном объёме, не имеющем воды, то можно получить перегретый пар.

Основное отличие насыщенного пара от перегретого заключается в том, что первый может существовать во влажном и сухом состояниях, последний — только в сухом.

Для генерации насыщенного или перегретого пара используется паровой котёл. Первым котлом для производства пара можно считать геронов шар, созданный в I веке нашей эры Героном Александрийским.

Описан он был в трактате «Пневматика» под названием эолипил, что в переводе с греческого означает «шар бога ветров Эола».

А теперь давайте проведём такой опыт. Нальём в пробирку немного воды, плотно закроем её пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка вылетит из пробирки.

Что произошло? Всё просто, энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, выполнил работу — вытолкнул пробку. То есть внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Так вот, устройство, преобразующее энергию водяного пара в механическую работу, называется паровой машиной или паровым двигателем.

Первая паровая машина, вероятнее всего, была создана и использована Фердинандом Вербистом около 1672 года. Это была игрушечная машинка на паровом двигателе, сделанная для китайского императора. Первая же достоверно известная паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году на Барнаульском заводе по проекту Ивана Ползунова. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически.

В 1782 году Джеймс Уатт продемонстрировал паровую машину, которая приводила в непрерывное вращательное движение вал. Двигатель Уатта, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным установить и использовать в любом месте и для любых целей. Поэтому он на протяжении долгого времени применялся в качестве универсального двигателя, приводящего в движение паровозы, пароходы и даже первые автомобили.

А в 1883 году шведский инженер Густаф де Лаваль создал первую в мире паровую турбину. Работает турбина следующим образом. Пар, полученный в паровом котле, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара, обладающая большой кинетической энергией, поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей энергии, приводя турбину во вращение.

Современные паротурбины являются многоступенчатыми, благодаря чем, при меньшей скорости вращения энергия пара используется максимально. Они широко используются на тепловых и атомных электростанциях для привода электрического генератора, а также на кораблях в качестве привода гребного винта. И, по разным оценкам, до 70 % всей вырабатываемой электроэнергии в мире приходится именно на паровые турбины. Пар встал на службу человечеству.