Тема 2. Властивості газів, рідин та твердих тіл.

Взаємні перетворення

Заняття 5

Взаємні перетворення рідин і газів

Ціль: показати можливості перетворення рідини в пару і пари в рідину; роз’яснити умови, при яких рідина кипить; навчити складати рівняння теплового балансу з урахуванням пароутворення та конденсації; дати поняття про вологість повітря і засобах її вимірювання; привити учням навички рішення задач з урахуванням змін агрегатного стану речовин та визначення вологості повітря

1. Процес кипіння. Термодинамічна рівновага.

2. Насичена та ненасичена пара.

3. Залежність температури кипіння від тиску.

4. Вологість повітря і засоби її вимірювання.

5. Точка роси.

Ключові слова: випаровування, конденсація, кипіння, насичена та ненасичена пара, вологість, психрометр, гігрометр, точка роси.

Теоретичні відомості

Насичена пара.

Пароутворення – це процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний. Випаровування – процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні рідини.

Молекули рідини рухаються хаотично. Чим вища температура рідини, тим більша кінетична енергія молекул. Середнє ж значення кінетичної енергії молекул при заданій температурі має певну величину. У кожної молекули величина кінетичної енергії в даний момент часу може бути як менше, так і більше середньої. В якийсь момент кінетична енергія окремих молекул може стати настільки великою, що вони стануть здатними вилетіти з рідини, подолавши сили притягання інших молекул. В цьому й полягає процес випаровування.

Молекула, що вилетіла, бере участь в тепловому русі газу, рухаючись хаотично. Вона може назавжди віддалитися від поверхні рідини, що знаходиться в відкритому посуді, але й може повернутися знову в рідину. Такий процес називається конденсацією.

Швидкість випаровування залежить: а) від площі відкритої поверхні; б) від температури; в) від концентрації молекул пари біля поверхні рідини.

В закритому посуді при постійній температурі встановлюється динамічна (рухома) рівновага між рідиною та парою, тобто число молекул, що залишають поверхню рідини, дорівнює в середньому числу молекул пари, що повертаються за той же час в рідину. Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою парою.

При стисканні пари рівновага починає порушуватись. Густина пари в перший момент трохи збільшується й з газу в рідину починає переходити більша кількість молекул, ніж з рідини в газ. Число молекул, що покидає рідину в одиницю часу, залежить від температури рідини, а стискання пари це число не змінює. Процес продовжується до тих пір, поки знову не встановиться динамічна рівновага та густина пари, а тому, і концентрація її молекул не приймуть попереднє значення. Відповідно, концентрація молекул насиченої пари при постійній температурі не залежить від її об’єму.

Так як тиск пропорційний концентрації молекул (р = nkT), то з цього визначення витікає, що тиск насиченої пари не залежить від об’єму, який вона займає.

Тиск пари р_о, при якому рідина знаходиться в рівновазі зі своєю парою, називається тиском насиченої пари.

Ніякої принципової різниці між газом і парою немає, й ці слова, загалом, рівноправні. Але якщо при незмінній температурі газ простим стисканням можна перетворити в рідину, то ми називаємо його парою, точніше ненасиченою парою. Як тільки починається перетворення пари в рідину, пара, що знаходилася в рівновазі з рідиною, стає насиченою.

Залежність тиску насиченої пари від температури.

Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск газу, тому що тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але й внаслідок збільшення концентрації молекул (густини) пари.

Головна відміна в поведінці ідеального газу й насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритому посуді (або при зміні об’єму при постійній температурі) змінюється маса пари.

Коли вся рідина випаровується, пара при подальшому нагріванні перестає бути насиченою й її тиск при незмінному обємі буде зрастати прямо пропорційно абсолютній температурі.

Кипіння.

При кипінні у всьому об’ємі рідини утворюються швидко зростаючі бульбашки пари, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається незмінною.

В рідині завжди присутні розчинені гази, які виділяються на дні та стінках сосуду, а також на завислих в рідині часток пилу. Пара рідини, яка знаходиться всередині бульбашок, є насиченою. З підвищенням температури тиск насичених парів підвищується, й бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони випливають на поверхню рідини. Якщо поверхневі прошарки рідини мають більш низку температуру, то в цих прошарках відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки захлопуються настільки швидко, що стінки бульбашки, зіштовхуючись, призводять дещо на кшталт вибуху. Множина таких мікро вибухів утворюють шум. Крім цього, шум утворюється при відриванні бульбашок пари від дна та стінок посуду. Коли рідина достатньо прогріється, бульбашки припиняють захлопуватися й випливають на поверхню. Рідина закипає. Перед закипанням шум майже припиняється.

Залежність тиску насиченої пари від температури роз’яснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску на її поверхні. Бульбашка пари може рости, коли тиск насиченої пари всередині неї набагато перевершує тиск в рідини, який складається з тиску повітря на поверхні рідини (зовнішній тиск) та гідростатичного тиску стовпчика рідини.

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках зрівнюється з тиском рідини.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Наприклад, в паровому котлі тиск 1,610⁶ Па, вода кипить при 200 ^оС.

Угерметично закритих посудинах — автоклавах, що застосовуються в медичних закладах, вода кипить при підвищеному тиску. Тому температура кипіння значно перевищує 100 °С. В автоклавах стерилізують хірургічні інструменти та ін.

Навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Якщо відкачати насосом повітря і пару води з колби, воду можна змусити кипіти при кімнатній температурі (мал. 32). Під час піднімання в гори атмосферний тиск зменшується, тому знижується температура кипіння. Наприклад, пік Леніна на Памірі має висоту 7324 м, тиск високо в горах 410⁴ Па (300 мм рт.ст), вода кипить при 70 ^оС. При розрідженому вакуумі вода кипить при кімнатній температурі.

Критична температура.

При підвищенні температури рідини підвищується тиск насиченої пари й одночасно підвищується густина пари. Густина рідини знижується внаслідок її розширення. При деякій критичній температурі густина рідини стає рівною густині пари.

Критична температура – температура, при якій щезає різниця в фізичних властивостях між рідиною та її насиченою парою. При температурах вище критичної ні при яких тисках газ неможна перевести в рідину.

Вологість повітря.

Вода займає  70,8% поверхні земної кулі. Живі організми містять від 50 – 99,7 % води…

Вологість, тобто вміст водяної пари в повітрі, можна характеризувати декількома величинами.

Атмосферне повітря являє собою суміш різних газів та водяної пари. Кожний з газів вносить свій вклад в сумарний тиск, що призводить повітря на тіла, що в ньому знаходяться.

Від вологості залежить інтенсивність випаровування вологи з поверхні шкіри людини. А випаровування вологи має велике значення для підтримання температури тіла сталою. У космічних кораблях підтримується найсприятливіша для людини відносна вологість повітря (40-60%).

Велике значення мають відомості про вологість у метеорології для завбачення погоди. Хоча кількість водяної пари в атмосфері порівняно невелика (близько 1%), роль її в атмосферних явищах значна. Конденсація водяної пари спричиняє утворення хмар і опадів. При цьому виділяється велика кількість теплоти. Випаровування води супроводжується, навпаки, вбиранням теплоти.

На ткацьких, кондитерських та інших підприємствах для нормального перебігу процесів потрібна певна вологість.

Зберігання творів мистецтва і книжок потребує підтримання вологості повітря на необхідному рівні. Тому у музеях на стінах можна побачити психрометри.

Важливо знати не абсолютну кількість водяної пари в атмосфері, а відносну. Відносну вологість вимірюють психрометром.

Тиск, який призводила би водяна пара, якщо б всі інші гази були відсутні, називається парціальним тиском водяної пари.

Відносною вологістю повітря  називають відношення парціального тиску р водяної пари, що міститься в повітрі при даній температурі, до тиску р_о насиченої пари при тій самій температурі, виражене в % .

Стан повітря можна описати рівнянням Менделєєва-Клапейрона . Парціальний тиск водяної пари з цієї формули, де - густина водяної пари, що міститься в повітрі при даній температурі. Аналогічно отримаємо вираз для тиску насиченої пари , де_о - густина насиченої пари при тій же температурі. Тоді відносна вологість повітря .

Точка роси. Так як тиск насиченої пари тим нижче, чим нижче температура, то при охолодженні повітря водяна пара, що знаходиться в ньому, при деякій температурі стає насиченою. Температура, при які водяна пара, що знаходиться в повітрі, стає насиченою, називається точкою роси.

Гігрометр. Точку роси можна визначити за допомогою гігрометра. Він представляє собою металевий сосуд, в який наливається рідина, що легко випаровується, наприклад ефір. При випаровування ефіру відбувається охолодження стінок гігрометра, та при досягненні точки роси на полірованій поверхні з’являються краплі роси. Точку роси вимірюють термометром. По точці роси можна визначити тиск водяної пари в повітрі. Він дорівнює тиску насиченої пари при температурі, яка дорівнює точці роси. Знайшовши потім в відповідній таблиці значення тиску насиченої водяної пара при температурі повітря, можна розрахувати відносну вологість повітря по формулі.

Дія волосяного гігрометра засновано на властивості знежиреного чоловічого волосся подовжуватися при підвищеній вологості. В цьому приборі натягнутий волос з’єднаний зі стрілкою прибору, яка показує по шкалі відносну вологість повітря.

Психрометр (від грецького слова «психрос» — холодний)– прибор для вимірювання вологості, що складається з двох термометрів. Один сухий показує температуру повітря. Другий – знаходиться в вологій тканині. Чим більша відносна вологість, тим менш інтенсивно проходить випаровування, й тим більш високу температуру показує термометр, в вологій тканині. Визначаючи показники сухого й вологого термометрів, за спеціальним таблицями визначають вологість повітря.