На каком участке пар насыщенный. Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного

Если открытый стакан с водой оставить на долгое время, то в конце концов вода полностью улетучится. Точнее испарится. Что такое испарение и почему оно происходит?

2.7.1 Испарение и конденсация

При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости большинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой температуры). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней как в меньшую, так и б´ольшую сторону.

На рис. 2.16 изображён примерный график распределения молекул жидкости по скоростям. Голубым фоном показано то самое большинство молекул, скорости которых группируются около среднего значения. Красный ¾хвост¿ графика это небольшое число ¾быстрых¿ молекул, скорости которых существенно превышают среднюю скорость основной массы молекул жидкости.

Число молекул

Быстрые молекулы

Скорость молекул

Рис. 2.16. Распределение молекул по скоростям

Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т. е. на границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.

Итак, испарение это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости7 .

Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость.

Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара процесс, обратный испарению жидкости.

2.7.2 Динамическое равновесие

А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт

7 При особых условиях превращение жидкости в пар может происходить по всему объёму жидкости. Данный процесс вам хорошо известен это кипение.

p н = н RT:

увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.

Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. Наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром: за единицу времени из жидкости будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого момента количество жидкости перестанет убывать, а количество пара увеличиваться; пар достигнет ¾насыщения¿.

Насыщенный пар это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.

Давление и плотность насыщенного пара обозначаются pн ин . Очевидно, pн ин это максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Иными словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность ненасыщенного пара.

2.7.3 Свойства насыщенного пара

Оказывается, что состояние насыщенного пара (а ненасыщенного тем более) можно приближённо описывать уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева Клапейрона). В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и его плотностью:

Это весьма удивительный факт, подтверждаемый экспериментом. Ведь по своим свойствам насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Перечислим важнейшие из этих отличий.

1. При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.

Если, например, насыщенный пар изотермически сжимать, то его плотность в первый момент возрастёт, скорость конденсации превысит скорость испарения, и часть пара конденсируется в жидкость до тех пор, пока вновь не наступит динамическое равновесие, в котором плотность пара вернётся к своему прежнему значению.

Аналогично, при изотермическом расширении насыщенного пара его плотность в первый момент уменьшится (пар станет ненасыщенным), скорость испарения превысит скорость конденсации, и жидкость будет дополнительно испаряться до тех пор, пока опять не установится динамическое равновесие т. е. пока пар снова не станет насыщенным с прежним значением плотности.

2. Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.

Это следует из того, что плотность насыщенного пара не зависит от объёма, а давление однозначно связано с плотностью уравнением (2.6 ).

Как видим, закон Бойля Мариотта, справедливый для идеальных газов, для насыщенного пара не выполняется. Это и не удивительно ведь он получен из уравнения Менделеева Клапейрона в предположении, что масса газа остаётся постоянной.

3. При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.

Действительно, при увеличении температуры возрастает скорость испарения жидкости. Динамическое равновесие в первый момент нарушается, и происходит дополнительное

испарение некоторой части жидкости. Пара будет прибавляться до тех пор, пока динамическое равновесие вновь не восстановится.

Точно так же при понижении температуры скорость испарения жидкости становится меньше, и часть пара конденсируется до тех пор, пока не восстановится динамическое равновесие но уже с меньшим количеством пара.

Таким образом, при изохорном нагревании или охлаждении насыщенного пара его масса меняется, поэтому закон Шарля в данном случае не работает. Зависимость давления насыщенного пара от температуры уже не будет линейной функцией.

4. Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.

В самом деле, с увеличением температуры возрастает плотность насыщенного пара, а согласно уравнению (2.6 ) давление пропорционально произведению плотности на температуру.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры является экспоненциальной (рис. 2.17 ). Она представлена участком 1–2 графика. Эту зависимость нельзя вывести из законов идеального газа.

изохора пара

Рис. 2.17. Зависимость давления пара от температуры

В точке 2 вся жидкость испаряется; при дальнейшем повышении температуры пар становится ненасыщенным, и его давление растёт линейно по закону Шарля (участок 2–3).

Вспомним, что линейный рост давления идеального газа вызван увеличением интенсивности ударов молекул о стенки сосуда. В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают бить не только сильнее, но и чаще ведь пара становится больше. Одновременным действием этих двух факторов и вызван экспоненциальный рост давления насыщенного пара.

2.7.4 Влажность воздуха

Абсолютная влажность это парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе (т. е. давление, которое водяной пар оказывал бы сам по себе, в отсутствие других газов). Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность воздуха " это отношение парциального давления водяного пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило, это

отношение выражают в процентах:

" = p 100%: pн

Из уравнения Менделеева-Клапейрона (2.6 ) следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей. Так как само уравнение (2.6 ), напомним, описывает насыщенный пар лишь приближённо, мы имеем приближённое соотношение:

" = 100%:н

Одним из приборов, измеряющих влажность воздуха, является психрометр. Он включает в себя два термометра, резервуар одного из которых завёрнут в мокрую ткань. Чем ниже влажность, тем интенсивнее идёт испарение воды из ткани, тем сильнее охлаждается резервуар ¾мокрого¿ термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра. По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность воздуха.

При естественных условиях пар считают газом. Он может быть насыщенным и нена-сыщенным , что зависит от его плотности, температуры и давления.

Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью, является насыщенным .

Динами-ческое равновесие между жидкостью и па-ром возникает тогда, когда количество мо-лекул, вылетающих из свободной повер-хности жидкости, равно количеству моле-кул, возвращающихся в нее.

В открытом сосуде нарушается динами-ческое равновесие, и пар становится нена-сыщенным , поскольку определенное коли-чество молекул испаряется в атмосферу и не возвращается в жидкость.

Насыщенный пар образуется в закрытом сосуде над свобод-ной поверхностью жидкости.

Насыщенный и ненасыщенный пар име-ют разные свойства. Исследуем их.

Концентрация молекул насы-щенного пара не зависит от его объема.

Пусть ненасыщенный пар при темпе-ратуре T находится в цилиндре с поршнем (рис. 3.2). Начнем медленно его сжимать, чтобы обеспечить изотермический процесс (участок AB). Сначала, если пар значитель-но разреженный, зависимость давления от объема будет соответствовать закону Бой-ля-Мариотта для идеального газа: pV = const. Тем не менее с уменьшением объема ненасыщенного пара (увеличением его плотности) начинает наблюдаться откло-нение от него. Дальнейшее изотермическое сжатие пара ведет к тому, что он начинает конденсироваться (точка В), в цилиндре образуются капельки жидкости и пар ста-новится насыщенным. Его плотность, а следовательно и концентрация молекул, при-обретает максимальное значение для данной температуры. Они не зависят от объема, который занимает насыщенный пар, и оп-ределяются его давлением и температурой.

При сжатии насыщенного пара (участок BC) его давление не будет изменяться (p = const). Это объясняется тем, что с умень-шением объема насыщенный пар конден-сируется, образовывая жидкость. Ее доля в объеме цилиндра все время увеличивается, а объем, который занимает насыщенный пар, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока весь насыщенный пар не пере-йдет в жидкое состояние (точка C).

Дальнейшее уменьшение объема вызы-вает стремительное возрастание давления (участок DC), поскольку жидкости почти не сжимаются. Материал с сайта

Итак, при изотермическом сжатии не-насыщенного пара сначала (при незначи-тельной плотности) он проявляет свойства идеального газа. Когда же пар становится насыщенным , его свойства подчиняются дру-гим закономерностям. В частности, при не-высоких температурах его состояние при-близительно описывается уравнением p = nkT, когда концентрация молекул не зависит от объема, занимаемого газом. График зави-симости давления p от объема V, изобра-женный на рис. 3.2, называется изотермой реальных газов .

Изотермы реального газа ха-рактеризуют его равновесное состояние с жидкостью. Их совместимость позволяет оп-ределить зависимость давле-ния насыщенного пара от тем-пературы.

На этой странице материал по темам:

• Изо­тер­ми­че­ском уве­ли­че­нии дав­ле­ния ненасыщенного пара

• Что характерно для насыщенного пара с молекулярной точки зрения

• Насыщенный пар и его свойства кратко

• Что характерно для насыщенного пара с молекулярной точки зрения?

• Что характерно для насыщенного газа с молекулярной точки зрения

Вопросы по этому материалу:

Наверняка многим приходилось наблюдать картину, как стоящая открытой емкость с водой через некоторое время оказывается пустой. Если же ее прикрыть крышкой, то вода никуда не девается. Причина всем известна - вода испаряется. Объяснение такому явлению простое: часть молекул воды имеет достаточно большую скорость движения для того, чтобы покинуть жидкость. Вот этот процесс перехода жидкости в газообразное состояние и называется испарением.

Другой процесс, а именно превращение пара в жидкость, называется конденсацией. Эти два процесса, испарение и конденсация, идут постоянно: часть воды испаряется, часть - конденсируется. Если объем над поверхностью воды неограничен, то преобладает процесс испарения. Испарившаяся вода удаляется, как, например, происходит над поверхностью открытой воды, и жидкость постепенно переходит в газообразное состояние - пар.

А вот если объем свободного пространства над жидкостью ограничен, то возникает несколько другая ситуация. Испарившаяся вода не может покинуть этот объем, и над поверхностью воды образуется насыщенный пар. Так называется пар, находящийся в состоянии равновесия, когда количество испарившейся воды и конденсировавшегося пара равны. Вода не убывает и не прибывает, наступает состояние равновесия между испарением и конденсацией.

Теперь мы знаем, что такое насыщенный пар, и его свойства, возможно, окажутся для нас достаточно любопытными. Мы с самого начала определили, что объем свободного пространства над поверхностью жидкости ограничен. Над ней образовался насыщенный пар. А если теперь этот свободный объем уменьшить? Что будет? В этом случае установившееся равновесие между конденсацией и испарением нарушится. Начнет преобладать процесс конденсации, объем влаги увеличится, а пара - уменьшится.

Давление пара, при котором он находится в равновесии с жидкостью, называется Если мы уменьшаем объем свободного пространства над водой, то давление пара увеличивается. Следствием этого и будет переход пара в воду. При увеличенном занимает меньше места, чем насыщенный пар. Из этого следует еще один вывод: если температура постоянна, то давление насыщенного пара при любом объеме одинаково.

Существует еще один вариант поведения пара - объем над поверхностью воды уменьшают, а переход пара в жидкость не происходит. Значит, над поверхностью находится ненасыщенный пар. В дальнейшем, при уменьшении объема при постоянной температуре, пар начинает превращаться в воду - значит, образовался насыщенный пар. Но не зря было оговорено условие, что все происходит при постоянной температуре. Существует определенное ее значение, при котором пар может превратиться в жидкость.

Это значение называется критической температурой. Вещество остается газом при температуре выше критической, если же она ниже критической, то газ превращается в жидкость. Каждое вещество имеет свое значение Стоит отметить еще две особенности пара: он может быть как влажный, так и сухой насыщенный пар. Во влажном присутствуют капли воды, а сухой пар не содержит влаги.

Существует еще так называемый перегретый пар - это сухой пар с температурой выше критической. В этом случае считается, что в замкнутом объеме уже нет жидкости, а присутствует исключительно пар. Перегретый пар в основном используется в технике и энергетике. перегретого пара позволяет транспортировать его с помощью паропроводов и использовать в Благодаря отсутствию воды в перегретом паре срок службы турбины увеличивается.

В статье рассмотрено, что собой представляет насыщенный пар, его виды и свойства, а также процесс его образования и превращения в жидкость.

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Давление насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара, температура которого под-держивается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восста-новится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление р 0 , при котором жидкость находит-ся в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара .

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением р 0 эта зависимость выражается равенством:

p 0 =nkT.

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следова-тельно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость p 0 (T) отличается от зави-симости (p 0 =nkT ) для идеального газа.

С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального га-за (участок кривой АВ на рисунке). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку A (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет. Поэтому, согласно формуле (p 0 =nkT ), давление насы-щенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в из-менении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (молекулярно-кинетическая теория идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок ВС кривой на рисунке выше).

Ненасыщенный пар.

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Испарение - это процесс превращения жидкости в пар.

В жидкости (или твердом теле) при любой температуре существует некоторое количество «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с остальными частицами вещества. Если такие молекулы оказываются вблизи поверхности, то они могут преодолеть притяжение остальных молекул и вылететь за пределы жидкости, образуя над ней пар. Испарение твердых тел также часто называют возгонкой или сублимацией .

Испарение происходит при любой температуре, при которых данное вещество может находиться в жидком или твердом состояниях. Однако интенсивность испарения зависит от температуры. При повышении температуры количество «быстрых» молекул увеличивается, и, следовательно, интенсивность испарения возрастает. Скорость испарения также зависит от площади свободной поверхности жидкости от вида вещества. Так, например, вода, налитая в блюдце, испарится быстрее воды, налитой в стакан. Спирт испаряется быстрее воды и т.д.

Конденсация

Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но в плотно закрытом сосуде этого не происходит. Объясняется это тем, что одновременно с испарением в жидкости (или твердом теле) происходит обратный процесс. Молекулы пара движутся над жидкостью хаотически, поэтому часть из них под действием притяжения молекул свободной поверхности попадает обратно в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения пара в твердое тело обычно называют кристаллизацией из пара.

После того, как мы нальем жидкость в сосуд и плотно его закроем, жидкость начнет испаряться, и плотность пара над свободной поверхностью жидкости будет увеличиваться. Однако, одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В открытом сосуде ситуация иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость. В закрытом сосуде с течением времени устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется состоянием динамического равновесия (рис.1). В состоянии динамического равновесия между жидкостью и паром одновременно происходит и испарение и конденсация, и оба процесса компенсируют друг друга.

Рис.1. Жидкость в состоянии динамического равновесия

Насыщенный и ненасыщенный пар

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Насыщенный пар - это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.

Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Насыщенный пар имеет максимальную плотность при данной температуре, а, следовательно, оказывает максимальное давление на стенки сосуда.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ненасыщенный пар - пар, не достигший состояния динамического равновесия.

У разных жидкостей насыщение пара происходит при различных плотностях, что обусловлено различием в молекулярной структуре, т.е. различием сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы взаимодействия молекул велики (например, в ртути), состояние динамического равновесия достигается при небольших плотностях пара, так как количество молекул, способных покинуть поверхность жидкости, невелико. Наоборот, у летучих жидкостей с малыми силами притяжения молекул, при тех же температурах из жидкости вылетает значительное количество молекул и насыщение пара достигается при большой плотности. Примерами таких жидкостей являются этанол, эфир и др.

Так как интенсивность процесса конденсации пара пропорциональна концентрации молекул пара, а интенсивность процесса испарения зависит только от температуры и резко возрастает с ее ростом, то концентрация молекул в насыщенном паре зависит только от температуры жидкости. Поэтому давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объема. Причем с ростом температуры величина концентрации молекул насыщенного пара и, следовательно, плотность и давление насыщенного пара быстро растут. Конкретные зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры различны для разных веществ и могут быть найдены из справочных таблиц. При этом оказывается, что насыщенный пар, как правило, хорошо описывается уравнением Клайперона-Менделеева. Однако, при сжатии или нагревании масса насыщенного пара изменяется.

Ненасыщенный пар с достаточной степенью точности подчиняется законам идеального газа.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2