Пароутворення (випаровування та кипіння). Конденсація

Отже, молекули рідини знаходяться в неперервному хаотичному русі. Якщо молекула випадково з'являється біля поверхні внаслідок підштовхування знизу іншою, то вона може набути швидкості, достатньої для подолання притягання з боку інших молекул і вийти в простір над рідиною. Сукупність молекул, що знаходяться в цьому просторі, називають парою, а процес переходу рідини в стан пари - пароутворенням.

Пароутворення з вільної поверхні рідини називають випаровуванням. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, в бік рідини, і до неї повернутись. Процес переходу молекул пари в рідину називають конденсацією. Оскільки з рідини під час випаровування вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість тих молекул, що залишились, зменшується, тому під час випаровування рідина охолоджується. Для підтримання температури такої рідини сталою необхідно підводити тепло. Унаслідок конденсації затрачене для випаровування тепло повертається.

Накриємо посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою наступить стан теплової рівноваги. При цьому кількість молекул, що випаровуються за час ∆t, стане дорівнювати кількості молекул, які утворюють конденсат за такий самий час.

Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Зрідка вдається одержати насичену пару і у відчинених посудинах.

Тиск насиченої пари наближено можна розрахувати за виразом основного рівняння МКТ: p = nkT. Оскільки концентрація молекул насиченої пари не залежить від об'єму за сталої температури, то і тиск насиченої пари не залежить від об'єму, а залежить від температури. Ці закономірності встановлено експериментально. З підвищенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (рис.3.3.3, ділянка АВ), бо під час нагрівання тиск насиченої пари збільшується не тільки через підвищення температури, а й унаслідок збільшення концентрації молекул (густини) пари.

Коли вся рідина випарується, пара за подальшого нагрівання стане вже ненасиченою і її тиск за сталого об'єму зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (рис.3.3.3, ділянка ВС).

Описати стан ненасиченої пари можна використовуючи закони ідеального газу, а стан насиченої пари - за рівнянням Клапейрона-Менделеєва за низьких температур і малих концентрацій: де p₀ і ρ₀ - відповідно тиск і густина насиченої пари.

У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Випаровування відбувається за будь-якої температури. Особливим видом випаровування є процес кипіння.

Кипіння - процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а і в її об'ємі. У рідині завжди містяться бульбашки розчиненого в ній газу, вони заповнені насиченою парою. За звичайної температури тиск насиченої пари бульбашок набагато менший від зовнішнього тиску, тому ці бульбашки сплюснуті і мають мікроскопічні розміри: p_атм + ρgh + p _кр > p_нас, де p_атм - атмосферний тиск; ρgh - гідростатичний тиск рідини; p_кр - тиск, зумовлений кривизною поверхні бульбашки (тиск Лапласа).

З підвищенням температури тиск насиченої пари в бульбашці зростає (p = nkT). За деякої граничної температури для кожної рідини, яку називають температурою кипіння, тиск пари всередині бульбашок переважає зовнішній, внаслідок чого бульбашки збільшуються в об'ємі і під дією сили Архімеда спливають на поверхню та лопаються (рис.3.3.4). На місці цих бульбашок утворюються інші, і вся рідина закипає. Кипіння починається вже при температурі, що відповідає рівності p_нас = p_зовн. Чим більший зовнішній тиск, тим вищою буде температура кипіння і навпаки. Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску насиченої пари. Чим більший тиск насиченої пари, тим менша температура кипіння. Чим менший тиск насиченої пари, тим більша температура кипіння.

Завдяки якісній обробці поверхонь посудини та очищенню самої рідини можна досягти практичної відсутності в ній центрів пароутворення, що призводить до того, що кипіння не відбувається навіть за температур вищих від температури кипіння. Таку рідину називають перегрітою.

Поиск по сайту: