Какой пар не является насыщенным. Основные отличия насыщенного пара от ненасыщенного

Видеоурок 2: Температурная зависимость давления пара. Точка росы

Лекция: Насыщенные и ненасыщенные пары

Твердые тела отличаются от жидких более устойчивым положением молекул. В жидкостях имеются силы притяжения, однако их не всегда достаточно. Если молекуле некоторого жидкого вещества придать кинетическую энергию, которая позволит структурным единицам стать свободными, то они способны покинуть поверхность жидкости и улететь в газ, который находится сверху. Некоторым молекулам энергии становится недостаточно, и они возвращаются обратно в жидкость.

Процесс, в результате которого молекулы покидают жидкость, называется парообразованием. Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией .

Существует два вида образования парообразного состояния: испарение и кипение.

Испарение

Процесс испарения характеризуется способностью молекул жидкости покидать верхние слои при любой температуре. В тот момент, когда молекула покидает поверхность, температура жидкости снижается. Это происходит в результате того, что для отрывания структурной единицы необходима энергия, а когда энергия расходуется, температура падает.

Именно поэтому организм человека выделяет пот. В результате его испарения температура тела падает. Каждый из нас, выходя из реки, моря или другого водоема, ощущал холодок - это происходит в результате испарения.

Скорость процесса испарения зависит :

1. От размера свободной поверхности жидкости . Если взять одинакового объема кружку и тарелку, то с тарелки испарения будет происходить быстрее за счет большей площади.

2. От рода жидкости . Вода быстрее испаряется, чем спирт, например. Чем легче структурная единица вещества, тем быстрее происходит испарение.

3. От температуры жидкости . Чем выше температура, тем быстрее протекает процесс.

4. От давления окружающей среды . Если давление большое, то оно не дает жидкости покинуть поверхность, поэтому испарение протекает медленнее.

5. Если жидкость находится в закрытом пространстве, то ей тяжелее испарятся . Поэтому скорость зависит от количества водяного пара над поверхностью жидкости.

Пары: насыщенный и ненасыщенный

Представьте, что вы взяли два сосуда. Один из которых закрыли крышкой. В обоих сосудах происходит и испарение и конденсация.

В сосуде, который не закрыт, количество молекул, что испарились, больше тех, что вернулись обратно. Такой пар называется ненасыщенным. В закрытом сосуде количество молекул, покинувших жидкость, равна тем, что вернулись обратно. Такой пар называется насыщенным.

Кипение

Данный процесс перехода жидкости в газообразное состояние происходит со всего объема и при определенной температуре. Для каждой жидкости соответствует своя температура кипения. Для воды, например, при нормальном давлении температура кипения 100 градусов. Чем меньше давление, тем меньше температура кипения. Таким образом, на высокой горе закипетить воду можно при более низкой температуре.

Только обратите внимание, приготовить на такой воде мясо практически невозможно - для него нужна температура выше.

Во время кипения пузырьки газа, содержащиеся в жидкости, выходят с её объема. Закипетить повторно воду тяжелее, поскольку данных пузырьков нет. Кипение начинается тогда, когда давление в пузырьках меньше, чем в жидкости - они начинают лопаться.

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

Изменяя объём ненасыщенного пара, мы заметим, что давление его также изменяется: при уменьшении объёма давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается.

Пусть трубка В поднята так высоко, что в ней находится ненасыщенный пар. Давление этого пара равно Н – h, где Н – атмосферное давление. Если после этого опускать трубку, то уровень ртути в ней будет понижаться: h 1 < h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h 1 > H - H). Давление пара будет возрастать до тех пор, пока пар не станет насыщающим. Над ртутью при этом появится жидкость. С момента насыщения пара его давление станет постоянным и равным Н – h 2 . Это будет наибольшее давление пара при данной температуре.?

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения.

Графически переход ненасыщенного пара в жидкость путём уменьшения его объёма без изменения температуры представляется кривой ABCD. Часть АВ этой кривой соответствует ненасыщенному пару, точка В – состоянию насыщения, линия ВС – конденсации пара и CD – жидкости. Кривая ABCD называется изотермой пара и жидкости.

Ненасыщенный пар можно привести в состояние насыщения не только путём уменьшения объёма, но и путём понижения его температуры. Так, если полить эфиром наружную часть трубки В, то эфир, испаряясь, охладит её, вследствие чего ненасыщенный пар перейдёт в состояние насыщения, частично обратившись при этом в жидкость.

Этим свойством пара объясняется запотевание холодных предметов, внесённых в тёплую комнату, образование тумана, росы и т. д. Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное достигается двумя путями: 1) понижением температуры и 2) повышением давления (уменьшением объёма).

Обратно переход из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается: 1) без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) и 2) повышением температуры пара.

Если осторожно нагревать трубку, содержащую насыщающий пар, то жидкость, находящаяся над ртутью, постепенно испарится, и при дальнейшем нагревании над ртутью будет уже ненасыщенный пар.

В технике ненасыщенный пар, получаемый путём перегрева насыщенного пара, называется перегретым паром. Для работы паровых двигателей в настоящее время применяют исключительно перегретый пар, имеющий температуру от 150 до 600° С.

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

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

У разных жидкостей динамическое равновесие с паром наступает при различной плотности пара. Причина этого заключается в различии сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы межмолекулярного притяжения велики, например у ртути, только наиболее «быстрые» молекулы, число которых незначительно, могут вылетать из жидкости. Поэтому для таких жидкостей уже при небольшой плотности пара наступает состояние равновесия. У летучих жидкостей с малой силой притяжения молекул, например у эфира, при той же температуре может вылететь за пределы жидкости множество молекул. Поэтому и равновесное состояние наступает только при значительной плотности пара.

Насыщенный пар имеет максимальные плотность и давление при заданной температуре.

§ 6.3. Изотермы реального газа

Для более детального выяснения условий, при которых возможны взаимные превращения газа и жидкости, недостаточно простых наблюдений за испарением жидкости. Нужно внимательно проследить за изменением давления реального газа в зависимости от его объема при различных температурах.

Пусть в цилиндре под поршнем (рис. 6.3) находится углекислый газ. Будем его медленно сжимать, при этом мы совершаем над газом работу, вследствие чего внутренняя энергия газа должна увеличиваться. Если мы хотим провести процесс при постоянной температуре Т, то нужно обеспечить хороший теплообмен между цилиндром и окружающей средой. Для этого можно поместить цилиндр в большой сосуд с жидкостью постоянной температуры (термостат) и сжимать газ настолько медленно, чтобы теплота успевала передаваться от газа к окружающим телам.

Проводя данный опыт, можно заметить, что вначале, когда объем достаточно велик (V > V 2 , см. рис. 6.3), давление углекислого газа с уменьшением объема растет в соответствии с законом Бойля-Мариотта, а затем при дальнейшем увеличении давления наблюдаются небольшие отклонения от этого закона. Данная зависимость между давлением и объемом газа изображена графически на рисунке 6.3 кривой АВ.

При дальнейшем уменьшении объема, начиная со значения V 2 , давление в цилиндре под поршнем перестает меняться. Если заглянуть при этом в цилиндр через специальное смотровое окно, то можно увидеть, что часть объема цилиндра занимает прозрачная жидкость. Это значит, что газ (пар) превратился в насыщенный пар, а часть его превратилась в жидкость, т. е. сконденсировалась.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы заметим, что количество жидкости в цилиндре увеличивается, а пространство, занятое насыщенным паром, уменьшается. Давление, которое показывает манометр, остается постоянным до тех пор, пока все пространство под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Этот процесс изображен на рисунке 6.3 участком ВС графика.

В дальнейшем при незначительном уменьшении объема, начиная со значения V 3, давление очень резко нарастает (участок CD графика; см. рис. 6.3). Это объясняется тем, что жидкости малосжимаемы.

Так как рассмотренный процесс происходил при постоянной температуре Г, график ABCD (см. рис. 6.3), изображающий зависимость давления газа р от объема V , называют изотермой реального газа. Участок АВ (V > V 2 ) соответствует ненасыщенному пару, участок ВС (V 3 < V < V 2 ) - равновесному состоянию жидкости и ее насыщенного пара, а участок CD (V < V 3 ) - жидкому состоянию вещества.

Опыты показывают, что такой же вид имеют изотермы и других веществ, если их температура не слишком велика.