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 большую сторону.
На рис. 1 изображён примерный график распределения молекул жидкости по скоростям. Голубым фоном показано то самое большинство молекул, скорости которых группируются около среднего значения. Красный «хвост» графика — это небольшое число «быстрых» молекул, скорости которых существенно превышают среднюю скорость основной массы молекул жидкости.
Рис. 1. 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 жидкости (при особых условиях превращение жидкости в пар может происходить по всему объёму жидкости. Данный процесс вам хорошо известен — это кипение).
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.
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 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 «насыщения».
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 и . Очевидно, и — 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.
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:
(1)
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 (1).
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 (1) давление пропорционально произведению плотности на температуру.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры является экспоненциальной (рис. 2). Она представлена участком 1–2 графика. Эту зависимость нельзя вывести из законов идеального газа.
Рис. 2. 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.
Насыщенный и ненасыщенный пар
При естественных условиях пар считают газом. Он может быть насыщенным и ненасыщенным, что зависит от его плотности, температуры и давления.
Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью, является насыщенным.
Динамическое равновесие между жидкостью и паром возникает тогда, когда количество молекул, вылетающих из свободной поверхности жидкости, равно количеству молекул, возвращающихся в нее.
В открытом сосуде нарушается динамическое равновесие, и пар становится ненасыщенным, поскольку определенное количество молекул испаряется в атмосферу и не возвращается в жидкость.
Насыщенный пар образуется в закрытом сосуде над свободной поверхностью жидкости.
Насыщенный и ненасыщенный пар имеют разные свойства. Исследуем их.
| Рис. 3.2. Изотермическое сжатие пара |
Концентрация молекул насыщенного пара не зависит от его объема.
Пусть ненасыщенный пар при температуре T находится в цилиндре с поршнем (рис. 3.2). Начнем медленно его сжимать, чтобы обеспечить изотермический процесс (участок AB). Сначала, если пар значительно разреженный, зависимость давления от объема будет соответствовать закону Бойля-Мариотта для идеального газа: pV = const. Тем не менее с уменьшением объема ненасыщенного пара (увеличением его плотности) начинает наблюдаться отклонение от него. Дальнейшее изотермическое сжатие пара ведет к тому, что он начинает конденсироваться (точка В), в цилиндре образуются капельки жидкости и пар становится насыщенным. Его плотность, а следовательно и концентрация молекул, приобретает максимальное значение для данной температуры. Они не зависят от объема, который занимает насыщенный пар, и определяются его давлением и температурой.
При сжатии насыщенного пара (участок BC) его давление не будет изменяться (p = const). Это объясняется тем, что с уменьшением объема насыщенный пар конденсируется, 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 перейдет в жидкое состояние (точка C).
Дальнейшее уменьшение объема вызывает стремительное возрастание давления (участок DC), поскольку жидкости почти не сжимаются. Материал с сайта https://worldofschool.ru
Итак, при изотермическом сжатии ненасыщенного пара сначала (при незначительной плотности) он проявляет свойства идеального газа. Когда же пар становится насыщенным, его свойства подчиняются другим закономерностям. В частности, при невысоких температурах его состояние приблизительно описывается уравнением p = nkT, когда концентрация молекул не зависит от объема, занимаемого газом. График зависимости давления p от объема V, изображенный на рис. 3.2, называется изотермой реальных газов.
Изотермы реального газа характеризуют его равновесное состояние с жидкостью. Их совместимость позволяет определить зависимость давления насыщенного пара от температуры.
На этой странице материал по темам:
Насыщенный пар и его свойства кратко
Насыщенный пар физика кратко
Изотермическом увеличении давления ненасыщенного пара
Научное познание краткий конспект
Насыщенный пар краткий конспект
Вопросы по этому материалу:
Какой пар называется насыщенным?
Что характерно с молекулярной точки зрения для насыщенного пара?
Чем отличаются свойства насыщенного и ненасыщенного пара?
Почему пар можно считать газом?
Влажность воздуха
Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным.Чем больше пара находится в воздухе, тем выше 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:
Из уравнения Менделеева-Клапейрона (1) следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей. Так как само уравнение (1), напомним, описывает насыщенный пар лишь приближённо, мы имеем приближённое соотношение:
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 «мокрого» термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра. По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность воздуха.
Урок по теме «Влажность воздуха» 10 класс план-конспект урока по физике (10 класс) по теме
Урок по теме «Влажность воздуха» 10 класс
Цели урока:
- Образовательные: сформировать понятие относительной влажности воздуха, познакомить учащихся со способами измерения относительной влажности, показать практическую зависимость относительной влажности в жизнедеятельности человека.
- Развивающие: формировать умения анализировать, сравнивать, излагать свои мысли, делать выводы, устанавливать связь между физическими величинами.
- Воспитательные: вызвать желание связать знания и умения, получаемые на уроках физики, вырабатывать наблюдательность, навыки и культуру проведения физического эксперимента; воспитывать внимательное отношение к окружающему миру; способствовать умению работать в группе.
Оборудование: приборы и материалы для проведения эксперимента по определению влажности, показатели влажности, компьютер.
Формы работы: фронтальная, индивидуальная, групповая.
- Организационный момент (1 мин.).
- Актуализация знаний: взаимоопрос (5 мин.).
Презентация «Найди ошибку»
- Изучение нового материала (10 мин.).
Проблемные вопросы:
1. Как влияет влажность воздуха на человека?
2. Как учитывать влажность воздуха?
Если есть какой-нибудь предмет, который представляет интерес для всех, то это, вероятно, погода. Погода не только является темой многих праздных разговоров, но она также часто определяет наше поведение. В зависимости от погоды мы решаем, поехать ли на пикник, пойти ли на каток, покататься ли на парусной лодке, пойти ли поплавать или пройтись на лыжах. По климату можно судить, какую одежду носят люди, что они едят и в каких жилищах живут. В зависимости от погоды каникулы могут быть очень приятными или неудачными. Погода действует на здоровье, самочувствие и благополучие всего населения.
Содержание влаги в атмосфере это важный фактор, определяющий погоду. Фактическое количество влаги, содержащееся в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью. Количество влаги зависит от температуры. Воздух, содержащий максимальное количество влаги, которое он может удержать, называется насыщенным. Относительная влажность характеризуется величинами:
р о – давление насыщенного пара (Па)
р. – парциальное давление (Па) – давление, которое производил бы водяной пар, если все остальные газы отсутствовали.
U – влажность воздуха.
Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р0 насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах (Слайд 4).
Чем пользуются для измерения влажности воздуха? Основной прибор для измерения влажности воздуха это гигрометр (от “гигро” и “метр”), гигро – это зависящий от влаги. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: (Слайд 5)
1. Волосной гигрометр. 3. Психрометрический гигрометр .
2. Практическая работа «Определение влажности воздуха» (4 мин)
| Температура, ° С | Относительная влажность, % |
| 18 | 40 |
| 22 | 35 |
Давайте посмотрим таблицу “Оптимальные нормы микроклимата”:
По результатам работы всех групп получилось, что микроклимат нашего помещения благоприятен для нормальной жизнедеятельности: относительная влажность в пределах нормы 40–60 %.
3. Доклад с презентацией «Значение влажности воздуха» (5 мин)
Хорошее самочувствие человека зависит от многих факторов, один из которых – необходимый уровень влажности и чистоты воздуха. Влажность и чистота воздуха в обычной квартире далеки от идеальных , и происходит это потому, что мы живем в больших городах, где воздух далек от природной чистоты, кроме того, отопление, бетонные стены поглощают последнюю влагу. Зимой влажность в квартире падает до 20–30 %, в то время, как естественная влажность воздуха составляет 55–60 %. Это приводит к дискомфорту, усталости, болезни.
Сухой воздух препятствует попаданию кислорода в систему кровообращения. Симптомы недостаточного потребления кислорода – истощение, усталость, увеличивается восприимчивость к инфекции. Пересыхает слизистая оболочка органов дыхания, в результате чего увеличивается восприимчивость к инфекции и различным респираторным заболеваниям. Особенно страдают дети, если воздух в комнате слишком сухой, у ребенка пересыхает слизистая, закладывает нос, и он часто просыпается ночью. Сухой воздух и детские дыхательные пути – плохие соседи. Так же из-за недостаточной влажности воздуха могут возникнуть проблемы при грудном вскармливании – у ребенка пересыхает слизистая оболочка полости рта и, как следствие, боль при сосании. При температуре 25 градусов и влажности воздуха 20 % (а именно такая влажность зимой в комнате с центральным отоплением) ребенок только с дыханием на увлажнение вдыхаемого воздуха тратит около 30–50 мл жидкости в час (посчитайте, сколько за сутки). А ведь у малыша на счету каждый грамм (Слайд 13).
Сухость кожи. Недостаток влаги в воздухе ускоряет испарение воды с кожи. Она становится сухой, грубой и начинает шелушиться. Становится старой и некрасивой. Кожа на 70 % состоит из воды. Процентов 12 из них помещается в роговом слое, толщиной лишь в сотую долю миллиметра. Он защищает нижележащие слои, в которых сохраняются основные резервы влаги. Поэтому поддержание влажности в помещении на уровне 50–60 % и регулярный уход увлажняющими препаратами поможет Вам продлить его долголетие и сохранить молодость Вашей кожи (Слайд 15).
Сухой воздух противопоказан аллергетикам и астматикам. Для сухой кожи необходимы маски с увлажняющим эффектом. Пригодятся любые молочные продукты, фрукты, овощи. Необходимо пользоваться увлажняющим кремом и кислородосодержащими масками.
Сухой воздух действует на мебель и паркет. Они постепенно теряют изначальный внешний вид. Начинают ссыхаться и со временем появляются трещины. При сухом воздухе происходит отслаивание краски от картины. Особенно опасен сухой воздух для музыкальных инструментов, которые рассыхаются, трескаются и выходят из строя (Слайд 16).
От сухого воздуха портятся растения. У них начинают сохнуть кончики листьев, растения теряют декоративность или даже постепенно погибают. Бесполезно усиленно поливать такие растения, это даже вредно. В природе корни не являются основным источником влаги для этих растений, корни просто неспособны напитать влагой растение. И растение будет постепенно умирать даже при правильном и своевременном поливе.-
Тело насекомых покрыто пушком, различными волосками, которые чрезвычайно чувствительны к изменению влажности в атмосфере и способны конденсировать влагу на своей поверхности. Все погодные изменения обычно начинаются в верхних слоях атмосферы, а накопления влаги на поверхности тела мелких насекомых затрудняет их полет, заставляет опускаться все ниже, где воздух еще сухой. Другая версия: у насекомых от влаги тяжелеют крылья. Вслед за ними опускаются насекомоядные птицы – ласточки, стрижи. Если ласточки и стрижи летают высоко, то будет сухая солнечная погода, низко – будет дождь, – такова народная примета. Лягушки и рыбы также непрочь полакомиться насекомыми , которые появляются над водой, лягушки прыгают на берегу и днем квакают, а рыбы выскакивают из воды, хватая зазевавшихся мошек, – быть дождю! Пчелы строго следят за влажностью воздуха в ульях, поддерживая ее в пределах 65–88 %. В сухую летнюю погоду они помещают вокруг ячеек с расплодом свежепринесенный жидкий нектар (50 % воды), из которого легко испаряется вода, причем ячейки с нектаром заполняются лишь на 25–30 %, что увеличивает площадь испарений. В сильную жару пчелы приносят в улей воду.
Показатели влажности воздуха:
а) библиотека 50–60%. б) музей 50–60%. в) аптека 50%. г) компьютерный класс 45–60%. д) музыкальная школа 50%. е) столовая лицея 60%.
Влажность воздуха имеет первостепенное значение для хранения пищевых продуктов. Слишком влажный воздух способствует порче товара – плесневению, загниванию, слишком сухой-высыханию продукта. Величина относительной влажности воздуха при хранении продуктов (стенд):
- Свежие плоды 75–85 % П.Свежие овощи 85–90% III. Рыба 95–98 % IV. Мясо, мясные продукты 75–95 % V. Молоко, молочные продукты 80–87 % VI. Яйца, яйцепродукты 60–88 % VII. Крахмал, сахар, кондитерские изделия 70–75 % VIII. Вкусовые продукты 70–75%
- Закрепление, отработка умений (12 мин.).
Упражнение 14 (2,3,4,5)
5. Домашнее задание:
6. Релаксация.
Подводя итог урока, мы с Вами убедились, что учет влажности воздуха необходим в любой сфере человеческой деятельности. Избыток и недостаток влаги пагубно влияет на здоровье человека, предметы быта, материальные и культурные ценности. Для регулирования оптимальной влажности необходимо использовать специальные приборы – психрометры, гигрометры, увлажнители различных типов.
