Как вы думаете, что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объём: например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндрапостоянной?
Если уменьшить объём, занимаемый насыщенным паром, находящимся в равновесии с жидкостью, но при этом поддерживать постоянную температуру, произойдёт частичная конденсация пара. Это связано с тем, что при уменьшении объёма возрастает давление пара, а его насыщенное значение при данной температуре остаётся постоянным. В результате часть молекул пара возвращается в жидкость, и устанавливается новое равновесие между испарением и конденсацией.
Предположите, как ведут себя молекулы пара и жидкости на разных участках кривой (см. рис. 11.1).
Молекулы пара и жидкости ведут себя по-разному на разных участках кривой зависимости давления насыщенного пара от температуры:
В области ниже кривой испарение преобладает над конденсацией, и жидкость активно испаряется. На самой кривой испарение и конденсация сбалансированы, что соответствует равновесию насыщенного пара. Выше кривой преобладает конденсация, так как давление пара превышает равновесное, и избыточный пар превращается в жидкость.
Почему составляются таблицы зависимости давления насыщенного пара от температуры и нет таблиц зависимости давления газа от температуры?
Таблицы зависимости давления насыщенного пара от температуры составляются, потому что насыщенный пар подчиняется законам фазового равновесия, а его давление зависит только от температуры, но не от объёма. Давление же обычного газа зависит не только от температуры, но и от объёма (по уравнению состояния pV=NkT), поэтому для него невозможно составить аналогичные таблицы без учёта дополнительных параметров.
Понаблюдайте внимательно за процессом нагрева, закипания и кипения воды в чайнике. Вы обнаружите, что перед закипанием чайник почти перестаёт шуметь.
Перед закипанием чайник почти перестаёт шуметь, потому что при нагреве воды её растворённые газы выделяются в виде пузырьков, которые лопаются в воде, создавая шум. Когда температура приближается к точке кипения, большая часть газов уже вышла, и остаются только пузырьки пара, которые поднимаются на поверхность.
При каких условиях начинается кипение? На что расходуется при кипении подводимое к жидкости тепло с точки зрения молекулярно-кинетической теории?
Кипение начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным атмосферному давлению. В этот момент пузырьки пара не схлопываются, а поднимаются к поверхности и выходят в воздух.
Подводимое тепло при кипении расходуется не на повышение температуры, а на разрыв связей между молекулами жидкости и их перевод в газообразное состояние. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, энергия тепла идёт на увеличение средней кинетической энергии молекул, достаточной для их выхода из жидкости.
1. Почему давление насыщенного пара не зависит от его объёма?
Давление насыщенного пара не зависит от его объёма, потому что в равновесном состоянии скорость испарения равна скорости конденсации. При постоянной температуре концентрация молекул в газовой фазе остаётся неизменной, поскольку определяется только энергией молекул и силами межмолекулярного взаимодействия. Поэтому при изменении объёма изменяется лишь количество пара, но не его давление.
2. Почему температура кипения возрастает с увеличением давления?
Температура кипения возрастает с увеличением давления, потому что кипение происходит, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. При повышенном давлении молекулам требуется больше энергии, чтобы преодолеть силы притяжения и перейти в газообразное состояние, что увеличивает температуру кипения.
3. Почему для кипения существенно повышение давления насыщенного пара в пузырьках, а не повышение давления имеющегося в них воздуха?
Для кипения важно повышение давления насыщенного пара в пузырьках, а не давления воздуха в них, потому что воздух практически не взаимодействует с жидкостью и не влияет на процессы испарения и конденсации. Только насыщенный пар участвует в фазовом равновесии, и его давление должно достичь внешнего давления, чтобы пузырьки могли существовать и не схлопываться.
4. Как заставить закипеть жидкость, охлаждая сосуд? (Вопрос этот непростой.)
Жидкость можно заставить закипеть, охлаждая сосуд, если создать условия для быстрого снижения давления. Например, если вскипячённую воду налить в герметичный сосуд и затем резко охладить его стенки, пар внутри начнёт конденсироваться, давление снизится, и жидкость снова закипит при пониженной температуре. Этот эффект можно наблюдать, если налить горячую воду в колбу, плотно закрыть её и охладить верхнюю часть, создавая разрежение внутри.