Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы с вами закончили изучение темы основы термодинамики, но молекулярная физика на этом далеко не заканчивается и следующая большая тема к изучению, которой мы приступаем называется "свойства паров".
И так что такое пар? И какая разница между газом и паром? Разница оказывается есть, но о ней мы будем говорить немного позже. Пока что для нас пар - это разновидность газообразного вещества. А газ, как вы знаете, не имеет объема, он занимает весь предоставленный ему сосуд. У него нет формы, но пар образуется из жидкости понятие пара тесно связано с понятием жидкости, пи насколько это связь тесная мы сегодня с вами выясним. Давайте попробуем разобраться,почему, если у нас есть жидкость, то она будет испаряться. Что можно сказать о молекулах жидкости? Они друг с другом заметно взаимодействуют. Если бы молекулы жидкости не взаимодействовали бы друг с другом, жидкость была бы не жидкостью, а была бы газом. Из-за того, что между молекулами существуют силы притяжения и, причем, довольно заметные, поэтому жидкость имеет определенный объем, при этом не имеет формы, но имеет объем. Если жидкость имеет объем, но не имеет формы, мы еще можем сказать, что у жидкости есть свободная поверхность. Если мы наливаем жидкость в сосуд, то жидкость имеет определенный объем, этот объем меньше, чем объем сосуда, то образуется свободная поверхность жидкости. И как раз вот об этой поверхности отчасти и будет идти речь. Молекулы жидкости взаимодействую друг с другом при попытки вытащить молекулу из жидкости включаются силы притяжения, которые будут втягивать молекулу обратно в жидкость, но почему же все-таки некоторые молекулы покидают жидкость, если они находятся на поверхности жидкости. В чем же дело, ведь они же притягиваются к жидкости? Значит, они не должны улетать, но некоторые все-таки улетают. И давайте рассуждать так...когда мы "вытаскиваем" молекулу из жидкости в вакуум с поверхности, то на эту молекулу действует сила притяжения со стороны других молекул. Значит для того, что бы вытащить эту молекулу нужно совершить работу. Можно говорить и по-другому. Если молекула покидает жидкость, то силы притяжения, которые втягивают эту молекулу обратно совершают работу. Какой знак у работы сил притяжения? Отрицательный, потому что молекула движется от поверхности жидкости в вакуум, а силы притяжения направлены к жидкости, вот это отрицательная работа. Такую же, но уже положительную работу нужно совершить, если мы хотим насильственно вытащить молекулу из жидкости. И вот эта работа называется работой выхода молекулы из жидкости.
Следующее положение: молекулы жидкости движутся. Это второе положение молекулярно-кинетической теории - все молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения. Если молекулы движутся, значит, они обладают кинетической энергией. Когда молекула вылетает с поверхности жидкости, то тут можно вспомнить теорему о кинетической энергии:
работа всех сил, действующих на тело равняется изменению кинетической энергии этого тела.
Работа выхода - это отрицательная величина. Работа сил втягивающих молекулу обратно - это отрицательная величина. Значит, когда молекула вылетает из жидкости, то эта отрицательная работа приводит к уменьшению кинетической энергии. Изменение кинетической энергии будет отрицательным. Следующий вопрос: если все молекулы имеют кинетическую энергию больше работа выхода, что в этом случае будет с этими молекулами? Они все улетят. Потому что работа выхода не сможет уменьшит их кинетическую энергию до нуля. А почему же они не улетают? Почему только некоторые молекулы жидкости улетают, превращаясь при этом в молекулы пара? Потому что у них разные скорости. Хаотичность движения означает, что у молекул скорости самые разные. Если у данной молекулы, находящейся на поверхности жидкости кинетическая энергия меньше, чем работа выхода, это означает, то что она не сможет вылететь из жидкости. Она может немного удалиться на расстояние размеров нескольких молекул от поверхности жидкости, но потом ее обратно втянет. Но если у какой-то молекулы вдруг, ну ей так повезло, а может быть и наоборот, оказалось, что кинетическая энергия больше, чем модуль работы выхода, то тогда такая молекула улетит. Но таких молекул не много. Поэтому жидкость не вся сразу превращается в газ, а лишь небольшая часть молекул жидкости покидает, а именно те молекулы, у которых кинетическая энергия случайно оказалась больше, чем модуль работы выхода и они, конечно, при этом еще и должны оказаться у поверхности жидкости и в результате происходит процесс парообразования с поверхности жидкости. Как называется процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости? Такой процесс называется испарением. Давайте сформулируем строгое определение.
Испарение - это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.
Когда-то очень давно ближе к началу наших лекций мы говорили о том от чего зависит испарение жидкости. У нас было целых четыре фактора. Скорость испарения зависела от:
- температуры
- от площади свободной поверхности жидкости
- от того какая это жидкость
- и от того существуют ли потоки воздуха над жидкостью
Если, например, помахать над школьной стеклянной мокрой доской книжкой, то доска в этом месте быстрее высыхает. Но давайте теперь попытаемся отмести лишнее и оставить самое главное. Во-первых мы будем рассматривать скорость испарения не со всей жидкости, а только с единицы ее площади, тогда получается, что скорость испарения от площади зависеть не будет, она будет зависит от скорости испарения с единицы поверхности. Далее каково влияние ветра, который над поверхностью жидкости существует? Почему он ускоряет испарение? Потому что ветер, т.е поток газа над поверхностью жидкости, т.е молекулы которые стали молекулами пара он уже удаляет. А если нет ветра, то у этих молекул есть шанс вернуться обратно, но нас этот вопрос пока интересовать не будет - это противоположный процесс и мы его уже не будем относить к скорости испарения, поговорим о нем отдельно. Тогда что у нас получается? Скорость испарения зависит у нас только от рода жидкости и от температуры. Почему скорость испарения, т.е число молекул улетающих с единицы свободной поверхности в единицу времени? Почему скорость испарения зависит от рода жидкости? Потому что разный характер взаимодействия между молекул. Разная работа выхода. Работа выхода молекулы из жидкости зависит от жидкости. От того, что это эфир, вода, керосин или какая-то другая жидкость. А почему скорость испарения зависит от температуры? Потому что больше кинетическая энергия. Подождите, ведь, у у всех молекул разная кинетическая энергия. Они же движутся хаотически. Давайте уточним...Уже ближе - это средняя кинетическая энергия. Почему с ростом температуры увеличивается поток испаряющихся молекул? С ростом температуры увеличивается доля части тех молекул у которых кинетическая энергия больше, чем работа выхода. Если мы возьмем какую-то данную жидкость, например, воду, то скорость испарения, т.е число молекул с единицы поверхности, улетающих в единицу времени будет зависеть только от температуры для данной жидкости и это важный факт. Давайте его зафиксируем.
Число молекул вылетающих в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости зависит только от температуры (для данной жидкости).
И величину - число молекул, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности мы будем кратко называть скорость испарения.
А теперь давайте рассмотрим противоположный процесс. Те молекулы, которые вылетели из жидкости могут находится над поверхностью жидкости и может так случится, ведь они движутся хаотично, что их скорость окажется направлена внутрь жидкости. Они подлетят к поверхности жидкости и что с ними будет дальше? И их тут же втянет, потому что включаться силы притяжения соседних молекул и молекула пара станет молекулой жидкости. Как называется этот процесс? Этот процесс называется конденсацией. Процесс образования жидкости из пара называется конденсацией. Это процесс обратный или противоположный процессу испарения.
А теперь давайте поговорим вот о чем. Для того, чтобы молекула покинула жидкость при том, что сила притяжения совершает над ней какую-то работу и ее энергия при этом будет уменьшаться и при этом вылетают все-таки самые быстрые молекулы. Предположим, если в каком-то школьном классе, все отличники перейдут в следующий, например химический класс, то что произойдет со средней успеваемостью, т.е со средним баллом всего класса? Он резко упадет. Тоже самое будет если самые быстрые молекулы покинут жидкость, то в жидкости останутся более медленные молекулы. А как это будет заметно? Как мы сможем это заметить, что остались более медленные молекулы? Мы сможем это заметить по изменению температуры. Жидкость из которой происходит испарение охлаждается, потому что энергия, которую получают молекулы, они получают ее за счет внутренней энергии жидкости. А как сделать так, чтобы температура не менялась в результате испарения? Нужно подводить тепло из вне. Не за счет внутренней энергии, а за счет подводимого количества теплоты, чтобы внутреннюю энергию жидкости оставить прежней. И так мы приходим к выводу, что для того, чтобы происходило испарение при неизменной температуре, нам необходимо подводить какое-то количество теплоты. Это количество теплоты называется теплотой парообразования.
Удельная теплота парообразования - это физическая величина равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить одному килограмму жидкости для превращения ее в пар при неизменной температуре.
И, кстати, в пар могут даже превращаться вещества из твердого состояния. Как называется переход сразу из твердого состояния в газообразное? Такой процесс называется сублимацией. Например, таяние сухого льда. Т.е сублимация сухого льда, т.е углекислота (углекислый газ) при атмосферном давлении, если его температура ниже - 60 градусов по Цельсию - он твердый. И вот такой, так называемый, сухой лед он сразу превращается в газообразный углекислый газ. Точно так же себя ведет нафталин при комнатной температуре. Точно так же сохнет белье на морозе. Когда мы выносим белье на мороз оно заленедевает, т.е вода в нем превращается в лед, но постепенно оно сохнет, но такой процесс называется сублимацией. Так, а теперь давайте вернемся обратно. Давайте рассмотрим противоположный процесс - конденсацию.
И так смотрите, что получается...когда молекула пара приближается к поверхности жидкости ее втягивает,значит, работа, совершаемая силами притяжения уже будет положительна и равна работе выхода, только с противоположным знаком. А что при этом будет с кинетической энергией молекулы, которую втянули в жидкость? Она увеличивается. Значит, если мы пар будем вводить в воду. Например, водяной пар будем вводить в воду, что в этом случае будет происходить с водой? Она будет нагреваться. А чтобы поддерживать температуру воды постоянной, что нам необходимо делать с ней. Охлаждать. Т.е при конденсации, то количество теплоты, которое было израсходовано на парообразование вернется обратно.
Еще одна важная особенность конденсации...от чего зависит скорость конденсации? Т.е количество молекул ежесекундно конденсирующихся на поверхности жидкости в единицу времени на единицу поверхности. От чего? От температуры? От площади поверхности? Площадь поверхности мы уже отмели. Остался 1 кв. метр. Время взяли одну секунду. Давайте представим себе, что у нас есть газ в сосуде. Молекулы газа бьются о стенки сосуда, но потом они отскакивают. Происходит, так сказать, упругий удар. А если это не стенка сосуда, а поверхность жидкости. Что произойдет с такой молекулой? Она втянется в жидкость и произойдет конденсация. Давление и скорость конденсации тесно связаны друг с другом, потому что и та и другая и давление скорость конденсации обусловлены количеством ударов молекул газа или пара о поверхность, либо твердого тела, либо жидкости. Поэтому скорость конденсации и давление тесно связаны друг с другом. Давайте посмотрим...
Число молекул конденсирующихся за единицу времени на единице поверхности жидкости прямо пропорционально давлению пара над поверхностью.
И так, а теперь начнется самое интересное...до сих пор мы предполагали, что над поверхностью жидкости ничего нет, просто, пустота, а теперь давайте заключит жидкость в цилиндр, накрытый поршнем и посмотрим, что будет происходить, если этот поршень поднять.
Насыщенный пар - это пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью.
И стоит отметить, что давление насыщенного пара данной жидкости не зависит от его объема, а определяется только температурой.
А теперь давайте подумаем, что это значит. Это значит, что мы можем, например, взять воду, тщательно измерить давление насыщенного пара воды при разных температурах, составить таблицу и пользоваться в дальнейшем этой таблицей. То же самое можно сделать для любой жидкости: для эфира, для ртути или для чего хотите. И давайте для воды, сейчас приведем характерные численные значения.
На этом мы эту лекцию закончим
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.