Испарение и конденсация. Кипение. Влажность воздуха

Парообразованием называют переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Существует два вида парообразования: медленное испарение с поверхности и бурное кипение во всем объеме.

Испарение — это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

Молекулярный механизм: молекулы жидкости движутся с различными скоростями. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся у поверхности, обладают кинетической энергией, достаточной для преодоления сил притяжения соседних молекул, и вылетают в воздух. Поскольку жидкость покидают самые быстрые частицы, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается — при испарении жидкость охлаждается (именно поэтому человеку холодно выходить из воды на ветру).

Если сосуд с жидкостью плотно закрыть крышкой, наряду с испарением начинается обратный процесс — конденсация (возвращение молекул пара обратно в жидкость под действием ударов и сил притяжения).

Через некоторое время наступает динамическое равновесие: число молекул, вылетающих из жидкости в единицу времени, становится в точности равным числу молекул, возвращающихся обратно из пара.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Пар, не достигший динамического равновесия, называют ненасыщенным.

Свойства насыщенного пара:

• Давление и плотность насыщенного пара зависят только от температуры и не зависят от объема сосуда при постоянной температуре!

• При изотермическом сжатии насыщенного пара его давление не растет (в отличие от идеального газа), а излишек пара просто конденсируется в жидкость.

Кипение — это интенсивный процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости с образованием растущих пузырьков пара, которые всплывают и лопаются на поверхности.

Условие кипения: жидкость закипает тогда, когда давление её насыщенного пара внутри пузырьков становится равным или чуть превышает внешнее атмосферное давление на поверхность жидкости:

p_нп(T_кип) = p_{внешнее}.

Зависимость кипения от давления:

1. При понижении внешнего давления температура кипения падает: на вершине горы Эверест (давление ~260 мм рт. ст.) вода закипает уже при 70 °C (сварить мясо там невозможно!).

2. При повышении внешнего давления температура кипения растет: в скороварках и автоклавах при давлении 2 атм вода кипит при 120 °C, ускоряя приготовление пищи втрое.

Для превращения кипящей жидкости в пар требуется непрерывный приток теплоты на преодоление сил молекулярного сцепления и совершение работы расширения.

Удельная теплота парообразования (L или r) — физическая величина, равная количеству теплоты, необходимому для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре кипения:

В СИ измеряется в Дж/кг. Для воды при 100 °C удельная теплота парообразования колоссальна:

L_воды = 2.3 · 10⁶ Дж/кг = 2.3 МДж/кг (в 7 раз больше, чем требуется для расплавления 1 кг льда!).

При конденсации пара выделяется точно такое же количество теплоты: Q_конд = -L · m.

Воздух земной атмосферы всегда содержит определенное количество водяного пара.

1. Абсолютная влажность (ρ_а) — плотность водяного пара в воздухе в г/м³ (или его парциальное давление в Па).

2. Относительная влажность (φ) — отношение парциального давления водяного пара p к давлению насыщенного водяного пара p_нп при той же температуре, выраженное в процентах:

φ = (p / p_нп) · 100% = (ρ / ρ_нп) · 100%.

3. Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух данной влажности, чтобы содержащийся в нем водяной пар стал насыщенным и выпал в виде росы или тумана (φ = 100%).

Комфортная относительная влажность для человека составляет 40–60%. Для измерения влажности используют волосной гигрометр и психрометр Августа (состоящий из сухого и влажного термометров).