Испарение и конденсация. Кипение жидкости

Всем вам известно, что если на долгое время жидкость, например воду, оставить в открытом сосуде, то со временем её количество уменьшится. 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 тепловом движении. При этом модули и направления скорости молекул меняются самым случайным образом. И, несмотря на то, что среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение, скорость отдельной молекулы может быть, как больше, так и меньше средней. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.

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 струю над чашечкой кофе или чая — это не пар, а туман. Он состоит из крошечных капелек воды, образовавшихся при конденсации пара. Но об этом явлении мы поговорим с вами чуть позже.

Принято различать два вида парообразования — испарение и кипение.

Под испарением мы с вами будем понимать процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Итак, мы уже выяснили, что при испарении жидкость покидают молекулы с большой энергией. А это значит, энергия оставшейся жидкости уменьшается. Следовательно, уменьшается и её температура. Это легко проверить. Капните на ладонь каплю спирта или ацетона. Вы ощутите холод. Это происходит потому, что при испарении жидкость охлаждается и забирает у ладони теплоту (поглощает энергию). Именно этим и объясняется то, что выйдя из воды после купания в жаркий летний день вам становится холодно. Хотя температура воздуха гораздо выше температуры воды.

Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов. Например, она зависит от рода жидкости. Это и понятно, ведь у разных жидкостей силы взаимодействия молекул неодинаковые.

Скорость испарения жидкости зависит от её температуры: чем она выше, тем скорость испарения жидкости больше. И это неудивительно, поскольку чем выше температура, тем больше скорость движения молекул, и, соответственно, их кинетическая энергия.

Значит, большее число молекул способно преодолеть силы притяжения и выйти за пределы поверхности жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от её площади свободной поверхности: чем больше площадь, тем больше скорость испарения. Дело в том, что в этом случае большее число молекул оказывается на поверхности жидкости.

Значит и большее число молекул способны преодолеть взаимное притяжение и вылететь из жидкости.

Наконец, скорость испарения зависит от движения воздуха над свободной поверхностью жидкости. Объясняется это тем, что при испарении молекулы не только покидают поверхность жидкости, но и возвращаются обратно. А поток воздуха уносит вылетевшие из жидкости молекулы, освобождая место другим.

Этим, кстати, и объясняется то, что в ветреный день мокрое бельё на улице сохнет быстрее, чем в безветренную погоду.

А теперь проверим, испаряются ли твёрдые тела. Для этого поместим в пробирку кристаллики йода и будем нагревать её над пламенем спиртовки. Через некоторое время мы заметим, как кристаллики йода начнут испаряться

Значит, твёрдые тела тоже испаряются. Этим и объясняется то, что в ясный морозный день исчезает иней на деревьях, а бельё способно высохнуть даже в очень сильный мороз.

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.

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.

А теперь давайте возьмём сосуд с водой и поставим его на электроплитку. А с помощью термометра будем следить за показаниями температуры в сосуде. Как видим, по мере роста температуры на дне сосуда появляется множество пузырьков.

Это растворённый в жидкости газ, который всегда присутствует в жидкости, и степень растворения которого понижается с ростом температуры. При нагревании жидкости снизу газ начинает выделяться в виде пузырьков у дна и стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится ещё и пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается. Пузырьки растут в объёме, а, следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать.

Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объём пузырька уменьшается. Давление стремительно падает и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (схлопываются). Этот процесс происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва, а мы слышим характерный шум перед закипанием воды.

Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром уже смогут подняться до поверхности. Там он лопается, и пар выходит наружу. Посмотрим на термометр. Он показывает температуру около ста градусов, которая практически не меняется. А пузырьков всё больше и больше поднимается и лопается у поверхности, выбрасывая пар в атмосферу. Вода кипит.

Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Конечно же температура кипения у разных жидкостей различна, так как различна энергия взаимодействия их молекул.

В таблице приведены температуры кипения жидкостей при нормальном атмосферном давлении. И это не случайно, дело в том, что пузырьки кипящей жидкости лопаются только при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. И наоборот.

Но вернёмся к парообразованию. Очевидно, что для превращения, например, одного килограмма жидкости при температуре кипения в пар ей необходимо передать определённое количество теплоты. А если масса жидкости будет 2 кг? Значит, и теплоты понадобится в два раза больше. Проще говоря, количество теплоты, необходимое для парообразования, прямо пропорционально массе жидкости:

В этой формуле коэффициент L называется удельной теплотой парообразования. Она равна количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой один килограмм для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения:

Как следует из формулы, единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм: [L] = [Дж/кг].

Как показывают многочисленные опыты, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты. Причём его значение равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре.