Zanim odpowiemy na pytanie postawione w tytule artykułu, zastanówmy się, czym jest para. Obrazy, które większość ludzi ma na myśli, słysząc to słowo, to: wrzący czajnik lub patelnia, łaźnia parowa, gorący napój i wiele innych podobnych obrazów. Tak czy inaczej, w naszych ideach nad powierzchnią unosi się substancja ciekła i gazowa. Jeśli zostaniesz poproszony o podanie przykładu pary, od razu przypomnisz sobie parę wodną, ​​alkohol, eter, benzynę, aceton.

Jest inne określenie stanów gazowych - gaz. Tutaj zwykle pamiętamy tlen, wodór, azot i inne gazy, nie kojarząc ich z odpowiednimi cieczami. Ponadto powszechnie wiadomo, że występują one w stanie ciekłym. Na pierwszy rzut oka różnice są takie, że para odpowiada naturalnym cieczom, a gazy muszą być specjalnie skroplone. Jednak nie jest to do końca prawdą. Co więcej, obrazy powstałe ze słowa para nie są parą. Aby udzielić dokładniejszej odpowiedzi, przyjrzyjmy się, jak powstaje para.

Czym para różni się od gazu?

Stan skupienia substancji zależy od temperatury, a dokładniej od zależności pomiędzy energią, z jaką oddziałują jej cząsteczki, a energią ich termicznego ruchu chaotycznego. W przybliżeniu możemy założyć, że jeśli energia oddziaływania jest znacznie większa, to jest to stan stały, jeśli energia ruchu termicznego jest znacznie większa, to jest to stan gazowy, jeśli energie są porównywalne, to jest to stan ciekły.

Okazuje się, że aby cząsteczka oderwała się od cieczy i wzięła udział w tworzeniu pary, ilość energii cieplnej musi być większa od energii oddziaływania. Jak to się może stać? Średnia prędkość ruchu termicznego cząsteczek jest równa pewnej wartości zależnej od temperatury. Poszczególne prędkości cząsteczek są jednak różne: większość z nich ma prędkości zbliżone do wartości średniej, ale niektóre mają prędkości większe od średniej, inne mniejsze.

Szybsze cząsteczki mogą mieć energię cieplną większą niż energia interakcji, co oznacza, że ​​gdy znajdą się na powierzchni cieczy, są w stanie od niej oderwać się, tworząc parę. Ta metoda waporyzacji nazywa się odparowanie. Ze względu na ten sam rozkład prędkości istnieje również proces odwrotny - kondensacja: cząsteczki pary przechodzą do cieczy. Nawiasem mówiąc, obrazy, które zwykle pojawiają się, gdy słyszy się słowo para, nie są parą, ale wynikiem odwrotnego procesu - kondensacji. Pary nie widać.

W pewnych warunkach para może przejść w stan ciekły, jednak aby tak się stało, jej temperatura nie może przekroczyć określonej wartości. Wartość tę nazywa się temperaturą krytyczną. Para i gaz to stany gazowe różniące się temperaturą, w której występują. Jeśli temperatura nie przekracza temperatury krytycznej, jest to para, jeśli ją przekracza, jest to gaz. Jeśli utrzymasz stałą temperaturę i zmniejszysz objętość, para skrapla się, ale gaz nie ulega skropleniu.

Co to jest para nasycona i nienasycona

Samo słowo „nasycony” niesie ze sobą pewną informację, trudno jest nasycić duży obszar przestrzeni. Oznacza to, że aby uzyskać parę nasyconą, potrzebujesz ograniczyć przestrzeń, w której znajduje się ciecz. Temperatura musi być niższa od temperatury krytycznej dla danej substancji. Teraz odparowane cząsteczki pozostają w przestrzeni, w której znajduje się ciecz. Na początku większość przejść molekularnych nastąpi z cieczy, a gęstość pary wzrośnie. To z kolei spowoduje większą liczbę odwrotnych przejść cząsteczek do cieczy, co zwiększy prędkość procesu kondensacji.

Wreszcie ustala się stan, dla którego średnia liczba cząsteczek przechodzących z jednej fazy do drugiej będzie równa. Ten stan nazywa się równowaga dynamiczna. Stan ten charakteryzuje się tą samą zmianą wielkości i kierunku szybkości parowania i kondensacji. Stan ten odpowiada parze nasyconej. Jeśli nie zostanie osiągnięty stan równowagi dynamicznej, odpowiada to parze nienasyconej.

Rozpoczynają badanie obiektu, zawsze od jego najprostszego modelu. W teorii kinetyki molekularnej jest to gaz doskonały. Głównymi uproszczeniami są tu pominięcie własnej objętości cząsteczek i energii ich oddziaływania. Okazuje się, że taki model całkiem zadowalająco opisuje parę nienasyconą. Co więcej, im mniej jest on nasycony, tym bardziej uzasadnione jest jego użycie. Gaz doskonały jest gazem i nie może stać się ani parą, ani cieczą. W konsekwencji dla pary nasyconej taki model nie jest odpowiedni.

Główne różnice między parą nasyconą i nienasyconą

1. Nasycony oznacza, że ​​obiekt ten ma największą możliwą wartość niektórych parametrów. Dla pary tak jest gęstość i ciśnienie. Parametry te dla pary nienasyconej mają niższe wartości. Im dalej para znajduje się od nasycenia, tym mniejsze są te wartości. Jedno wyjaśnienie: temperatura odniesienia musi być stała.
2. Dla pary nienasyconej: Prawo Boyle’a-Mariotte’a: jeśli temperatura i masa gazu są stałe, to wzrost lub spadek objętości powoduje spadek lub wzrost ciśnienia o tę samą wartość, ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne. Z maksymalnej gęstości i ciśnienia w stałej temperaturze wynika, że ​​są one niezależne od objętości pary nasyconej, okazuje się, że dla pary nasyconej ciśnienie i objętość są od siebie niezależne.
3. Do pary nienasyconej gęstość nie zależy od temperatury, a jeśli objętość zostanie utrzymana, wartość gęstości nie ulegnie zmianie. W przypadku pary nasyconej, przy zachowaniu objętości, gęstość zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Zależność w tym przypadku jest bezpośrednia. Jeśli temperatura wzrasta, gęstość również wzrasta, jeśli temperatura spada, gęstość również się zmienia.
4. Jeśli objętość jest stała, para nienasycona zachowuje się zgodnie z prawem Charlesa: wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie wzrasta również o ten sam współczynnik. Zależność tę nazywa się liniową. W przypadku pary nasyconej wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie rośnie szybciej niż w przypadku pary nienasyconej. Zależność jest wykładnicza.

Podsumowując, można zauważyć istotne różnice we właściwościach porównywanych obiektów. Główna różnica polega na tym, że pary w stanie nasycenia nie można rozpatrywać w oderwaniu od cieczy. Jest to system dwuczęściowy, do którego nie można zastosować większości przepisów gazowych.

Para nasycona.

Jeśli statek z szczelnie zamknij płyn, ilość płynu najpierw się zmniejszy, a następnie pozostanie stała. Kiedy nie Menn W tej temperaturze układ ciecz-para osiągnie stan równowagi termicznej i pozostanie w nim tak długo, jak będzie to pożądane. Równolegle z procesem parowania następuje również kondensacja, oba procesy średnio kompzachęcajcie się nawzajem. W pierwszej chwili, po wlaniu płynu do naczynia i zamknięciu, płyn będzieodparuje, a gęstość pary nad nim wzrośnie. Jednak jednocześnie wzrośnie liczba cząsteczek powracających do cieczy. Im większa gęstość pary, tym większa liczba jej cząsteczek powracających do cieczy. W efekcie w zamkniętym naczyniu o stałej temperaturze ustali się równowaga dynamiczna (ruchoma) pomiędzy cieczą a parą, czyli liczba cząsteczek opuszczających powierzchnię cieczy po pewnym czasie R okres czasu będzie średnio równy liczbie cząsteczek pary powracających do cieczy w tym samym czasie B. Steam, nie unoszący się w równowadze dynamicznej z cieczą nazywa się parą nasyconą. To jest definicja podkreśleniaOznacza to, że w danej objętości w danej temperaturze nie może znajdować się większa ilość pary.

Ciśnienie pary nasyconej .

Co stanie się z parą nasyconą, jeśli zmniejszy się jej objętość? Na przykład, jeśli sprężasz parę znajdującą się w równowadze z cieczą w cylindrze pod tłokiem, utrzymując stałą temperaturę zawartości cylindra. Gdy para zostanie sprężona, równowaga zacznie być zakłócana. Na początku gęstość pary nieznacznie wzrośnie i większa liczba cząsteczek zacznie przemieszczać się z gazu do cieczy niż z cieczy do gazu. Przecież liczba cząsteczek opuszczających ciecz w jednostce czasu zależy tylko od temperatury, a kompresja pary nie zmienia tej liczby. Proces trwa do momentu ponownego ustalenia się równowagi dynamicznej i gęstości pary, dzięki czemu stężenie jej cząsteczek odzyskuje poprzednie wartości. W konsekwencji stężenie cząsteczek pary nasyconej w stałej temperaturze nie zależy od jej objętości. Ponieważ ciśnienie jest proporcjonalne do stężenia cząsteczek (p=nkT), z tej definicji wynika, że ​​ciśnienie pary nasyconej nie zależy od zajmowanej przez nią objętości. Ciśnienie p n.p. ciśnienie pary, przy którym ciecz znajduje się w równowadze z parą, nazywa się ciśnieniem pary nasyconej.

Zależność prężności pary nasyconej od temperatury.

Jak pokazuje doświadczenie, stan pary nasyconej opisuje się w przybliżeniu równaniem stanu gazu doskonałego, a jego ciśnienie określa się wzorem P = nkT. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ciśnienie. Ponieważ prężność pary nasyconej nie zależy od objętości, zależy zatem tylko od temperatury. Jednakże zależność p.n. od T, stwierdzona eksperymentalnie, nie jest wprost proporcjonalna, jak w przypadku gazu doskonałego przy stałej objętości. Wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie rzeczywistej pary nasyconej rośnie szybciej niż ciśnienie gazu doskonałego (rys.krzywa spustu 12). Dlaczego to się dzieje? Kiedy ciecz jest podgrzewana w zamkniętym pojemniku, część cieczy zamienia się w parę. W rezultacie, zgodnie ze wzorem P = nkT, prężność pary nasyconej wzrasta nie tylko na skutek wzrostu temperatury cieczy, ale także na skutek wzrostu stężenia cząsteczek (gęstości) pary. Zasadniczo wzrost ciśnienia wraz ze wzrostem temperatury jest dokładnie określony przez wzrost stężenia centralny II. (Główna różnica w zachowaniu igaz doskonały i para nasycona polega na tym, że gdy zmienia się temperatura pary w zamkniętym naczyniu (lub gdy zmienia się objętość przy stałej temperaturze), zmienia się masa pary. Ciecz częściowo zamienia się w parę lub odwrotnie, para częściowo się skraplatak. Nic takiego nie dzieje się w przypadku gazu doskonałego.) Gdy cała ciecz odparuje, para przestanie być nasycona po dalszym ogrzewaniu, a jej ciśnienie przy stałej objętości wzrośniejest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej (patrz rys., sekcja 23 krzywej).

Wrzenie.

Wrzenie to intensywne przejście substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy, występujące w całej objętości cieczy (a nie tylko na jej powierzchni). (Kondensacja jest procesem odwrotnym.) Wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta szybkość parowania. Wreszcie płyn zaczyna wrzeć. Podczas wrzenia w całej objętości cieczy tworzą się szybko rosnące pęcherzyki pary, które wypływają na powierzchnię. Temperatura wrzenia cieczy pozostaje stała. Dzieje się tak, ponieważ cała energia dostarczona do cieczy jest zużywana na przekształcanie jej w parę. W jakich warunkach zaczyna się gotowanie?

Ciecz zawsze zawiera rozpuszczone gazy, uwolnione przy dnie i ściankach naczynia, a także zawieszone w cieczy cząstki pyłu, będące ośrodkami parowania. Opary cieczy wewnątrz pęcherzyków są nasycone. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prężność pary nasyconej, a pęcherzyki powiększają się. Pod wpływem siły wyporu unoszą się w górę. Jeżeli górne warstwy cieczy mają niższą temperaturę, wówczas w tych warstwach następuje kondensacja pary w postaci pęcherzyków. Ciśnienie gwałtownie spada, a pęcherzyki zapadają się. Załamanie następuje tak szybko, że ściany bańki zderzają się i powodują coś w rodzaju eksplozji. Wiele takich mikroeksplozji powoduje charakterystyczny hałas. Gdy ciecz wystarczająco się nagrzeje, pęcherzyki przestaną się zapadać i wypłyną na powierzchnię. Płyn się zagotuje. Uważnie obserwuj czajnik na kuchence. Przekonasz się, że prawie przestaje hałasować, zanim się zagotuje. Zależność prężności pary nasyconej od temperatury wyjaśnia, dlaczego temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia panującego na jej powierzchni. Pęcherzyk pary może rosnąć, gdy ciśnienie znajdującej się w nim pary nasyconej nieznacznie przekracza ciśnienie w cieczy, które jest sumą ciśnienia powietrza na powierzchni cieczy (ciśnienia zewnętrznego) i ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy. Wrzenie rozpoczyna się w temperaturze, w której ciśnienie pary nasyconej w pęcherzykach jest równe ciśnieniu cieczy. Im większe ciśnienie zewnętrzne, tym wyższa temperatura wrzenia. I odwrotnie, zmniejszając ciśnienie zewnętrzne, obniżamy w ten sposób temperaturę wrzenia. Wypompowując powietrze i parę wodną z kolby, można zagotować wodę w temperaturze pokojowej. Każda ciecz ma swoją własną temperaturę wrzenia (która pozostaje stała aż do wygotowania całej cieczy), która zależy od ciśnienia pary nasyconej. Im wyższa prężność pary nasyconej, tym niższa temperatura wrzenia cieczy.

Wilgotność powietrza i jej pomiar.

W otaczającym nas powietrzu prawie zawsze znajduje się pewna ilość pary wodnej. Wilgotność powietrza zależy od ilości zawartej w nim pary wodnej. Wilgotne powietrze zawiera wyższy procent cząsteczek wody niż suche. Ból Duże znaczenie ma wilgotność względna powietrza, o której komunikaty słyszy się codziennie w prognozach pogody.

W sprawieWilgotność silna to stosunek gęstości pary wodnej zawartej w powietrzu do gęstości pary nasyconej w danej temperaturze, wyrażony w procentach (pokazuje, jak blisko pary wodnej w powietrzu jest stan nasycenia).

Punkt rosy

Suchość lub wilgotność powietrza zależy od stopnia nasycenia pary wodnej. Jeśli wilgotne powietrze zostanie schłodzone, zawarta w nim para może zostać doprowadzona do nasycenia, a następnie ulegnie skropleniu. Znakiem nasycenia pary jest pojawienie się pierwszych kropel skondensowanej cieczy - rosy. Temperatura, w której para zawarta w powietrzu ulega nasyceniu, nazywana jest punktem rosy. Punkt rosy charakteryzuje również wilgotność powietrza. Przykłady: spadająca rano rosa, parowanie zimnego szkła, gdy na nim oddychasz, tworzenie się kropli wody na rurze z zimną wodą, wilgoć w piwnicach domów. Do pomiaru wilgotności powietrza stosuje się przyrządy pomiarowe - higrometry. Istnieje kilka rodzajów higrometrów, ale główne z nich to włosowy i psychrometryczny.

Jeśli otwarta szklanka z wodą pozostanie przez dłuższy czas, woda w końcu całkowicie wyparuje. Dokładniej, wyparuje. Co to jest parowanie i dlaczego zachodzi?

2.7.1 Parowanie i kondensacja

W danej temperaturze cząsteczki cieczy mają różną prędkość. Prędkości większości cząsteczek są zbliżone do pewnej wartości średniej (charakterystycznej dla tej temperatury). Ale są cząsteczki, których prędkości znacznie odbiegają od średniej, zarówno mniejsze, jak i większe.

Na ryc. Rysunek 2.16 przedstawia przybliżony wykres rozkładu prędkości cząsteczek cieczy. Niebieskie tło pokazuje większość cząsteczek, których prędkości są zgrupowane wokół wartości średniej. Czerwony „ogon” wykresu to niewielka liczba „szybkich” cząsteczek, których prędkości znacznie przekraczają średnią prędkość większości cząsteczek cieczy.

Liczba cząsteczek

Szybkie cząsteczki

Prędkość cząsteczek

Ryż. 2.16. Rozkład cząsteczek ze względu na prędkość

Kiedy tak bardzo szybka cząsteczka znajdzie się na swobodnej powierzchni cieczy (tj. na granicy cieczy i powietrza), energia kinetyczna tej cząsteczki może wystarczyć, aby pokonać siły przyciągania innych cząsteczek i wylecieć z cieczy . Proces ten polega na parowaniu, a cząsteczki opuszczające ciecz tworzą parę.

Zatem parowanie to proces zamiany cieczy w parę, zachodzący na swobodnej powierzchni cieczy7.

Może się zdarzyć, że po pewnym czasie cząsteczka pary powróci do cieczy.

Proces zamiany cząsteczek pary w ciecz nazywa się kondensacją. Kondensacja pary jest procesem odwrotnym do parowania cieczy.

2.7.2 Równowaga dynamiczna

Co się stanie, jeśli naczynie z cieczą zostanie hermetycznie zamknięte? Gęstość pary nad powierzchnią cieczy zacznie rosnąć; cząsteczki pary będą w coraz większym stopniu zakłócać wylatujące cząsteczki cieczy, a szybkość parowania zacznie spadać. W tym samym czasie się zacznie

7 W specjalnych warunkach przemiana cieczy w parę może nastąpić w całej objętości cieczy. Ten proces jest ci dobrze znany - gotowanie.

pn = nRT:

szybkość kondensacji wzrośnie, ponieważ wraz ze wzrostem stężenia pary wzrośnie liczba cząsteczek powracających do cieczy.

Wreszcie w pewnym momencie szybkość kondensacji będzie równa szybkości parowania. Pomiędzy cieczą a parą wystąpi równowaga dynamiczna: w jednostce czasu taka sama liczba cząsteczek wyleci z cieczy, jak i powróci do niej z pary. Od tego momentu ilość cieczy przestanie się zmniejszać, a ilość pary przestanie się zwiększać; para osiągnie „nasycenie”.

Para nasycona to para znajdująca się w stanie dynamicznej równowagi ze swoją cieczą. Para, która nie osiągnęła stanu równowagi dynamicznej z cieczą, nazywana jest nienasyconą.

Ciśnienie i gęstość pary nasyconej są oznaczone pн. Oczywiście pn in to maksymalne ciśnienie i gęstość, jaką może mieć para w danej temperaturze. Innymi słowy, ciśnienie i gęstość pary nasyconej zawsze przewyższa ciśnienie i gęstość pary nienasyconej.

2.7.3 Właściwości pary nasyconej

Okazuje się, że stan pary nasyconej (a tym bardziej pary nienasyconej) można w przybliżeniu opisać równaniem stanu gazu doskonałego (równanie Mendelejewa-Clapeyrona). W szczególności mamy przybliżoną zależność pomiędzy prężnością pary nasyconej a jej gęstością:

Jest to fakt bardzo zaskakujący, potwierdzony eksperymentem. Rzeczywiście, para nasycona pod względem właściwości znacznie różni się od gazu doskonałego. Wymieńmy najważniejsze z tych różnic.

1. W stałej temperaturze gęstość pary nasyconej nie zależy od jej objętości.

Jeśli np. para nasycona zostanie sprężana izotermicznie, to jej gęstość w pierwszej chwili wzrośnie, szybkość skraplania przekroczy szybkość parowania, a część pary skrapnie się w ciecz, aż do ponownego wystąpienia równowagi dynamicznej, w której gęstość pary powróci do swojej poprzedniej wartości.

Podobnie podczas izotermicznego rozprężania pary nasyconej jej gęstość w pierwszej chwili będzie się zmniejszać (para stanie się nienasycona), szybkość parowania będzie większa od szybkości kondensacji, a ciecz będzie dalej odparowywać, aż do ponownego ustalenia się równowagi dynamicznej, tj. , aż para ponownie osiągnie tę samą gęstość.

2. Ciśnienie pary nasyconej nie zależy od jej objętości.

Wynika to z faktu, że gęstość pary nasyconej nie zależy od objętości, a ciśnienie jest jednoznacznie powiązane z gęstością za pomocą równania (2.6).

Jak widzimy, prawo Boyle’a-Mariotte’a, które obowiązuje dla gazów doskonałych, nie obowiązuje dla pary nasyconej. Nie jest to zaskakujące, ponieważ uzyskano to z równania Mendelejewa-Clapeyrona przy założeniu, że masa gazu pozostaje stała.

3. Przy stałej objętości gęstość pary nasyconej rośnie wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury.

Rzeczywiście, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość parowania cieczy. Równowaga dynamiczna zostaje zakłócona w pierwszym momencie i to dodatkowo

odparowanie pewnej ilości cieczy. Para będzie dodawana do czasu ponownego przywrócenia równowagi dynamicznej.

W ten sam sposób, gdy temperatura spada, szybkość parowania cieczy staje się wolniejsza, a część pary skrapla się, aż do przywrócenia równowagi dynamicznej, ale z mniejszą ilością pary.

Zatem, gdy para nasycona jest podgrzewana lub chłodzona izochorycznie, jej masa zmienia się, więc prawo Charlesa w tym przypadku nie działa. Zależność prężności pary nasyconej od temperatury nie będzie już funkcją liniową.

4. Prężność pary nasyconej rośnie wraz z temperaturą szybciej niż zgodnie z prawem liniowym.

Faktycznie wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość pary nasyconej i zgodnie z równaniem (2.6) ciśnienie jest proporcjonalne do iloczynu gęstości i temperatury.

Zależność prężności pary nasyconej od temperatury jest wykładnicza (ryc. 2.17). Jest to reprezentowane przez sekcję 1–2 wykresu. Zależności tej nie można wyprowadzić z praw gazu doskonałego.

para izochorów

Ryż. 2.17. Zależność ciśnienia pary od temperatury

W punkcie 2 cała ciecz wyparowuje; wraz z dalszym wzrostem temperatury para staje się nienasycona, a jej ciśnienie rośnie liniowo zgodnie z prawem Charlesa (rozdział 2–3).

Przypomnijmy, że liniowy wzrost ciśnienia gazu doskonałego spowodowany jest wzrostem intensywności uderzeń cząsteczek w ścianki naczynia. Po podgrzaniu pary nasyconej cząsteczki zaczynają bić nie tylko mocniej, ale także częściej, ponieważ para staje się większa. Jednoczesne działanie tych dwóch czynników powoduje wykładniczy wzrost prężności pary nasyconej.

2.7.4 Wilgotność powietrza

Wilgotność bezwzględna to ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu (tj. ciśnienie, jakie para wodna wywierałaby sama, przy braku innych gazów). Czasami wilgotność bezwzględna nazywana jest także gęstością pary wodnej w powietrzu.

Wilgotność względna powietrza „to stosunek ciśnienia cząstkowego zawartej w nim pary wodnej do ciśnienia pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze. Z reguły jest to

stosunek wyraża się w procentach:

" = p 100%: pn

Z równania Mendelejewa-Clapeyrona (2.6) wynika, że ​​stosunek prężności pary jest równy stosunkowi gęstości. Ponieważ samo równanie (2.6), jak pamiętamy, opisuje parę nasyconą tylko w przybliżeniu, mamy przybliżoną zależność:

" = 100%:n

Jednym z urządzeń mierzących wilgotność powietrza jest psychrometr. Zawiera dwa termometry, zbiornik jednego z nich owinięty jest wilgotną szmatką. Im niższa wilgotność, tym intensywniejsze parowanie wody z tkaniny, tym bardziej wychładza się zbiornik mokrego termometru i tym większa jest różnica między jego odczytami a wskazaniami suchego termometru. Z tej różnicy wilgotność powietrza określa się za pomocą specjalnego stołu psychrometrycznego.

Nad swobodną powierzchnią cieczy zawsze znajdują się pary tej cieczy. Jeśli pojemnik z cieczą nie jest zamknięty, zawsze znajdą się cząsteczki pary, które odejdą od powierzchni cieczy i nie będą mogły powrócić do cieczy. W zamkniętym naczyniu kondensacja pary następuje jednocześnie z odparowaniem cieczy. Po pierwsze, liczba cząsteczek wylatujących z cieczy w ciągu 1 s jest większa niż liczba cząsteczek powracających, a gęstość, a co za tym idzie, prężność pary wzrasta. Liczba cząsteczek pary wzrasta, aż liczba cząsteczek opuszczających ciecz (odparowaną) zrówna się z liczbą cząsteczek powracających do cieczy (skroploną) w tym samym czasie. Ten stan nazywa się równowaga dynamiczna.

Para znajdująca się w stanie dynamicznej równowagi z cieczą nazywana jest parą para nasycona. Do opisu pary nasyconej stosuje się następujące wielkości: ciśnienie pary nasyconej P n i gęstość pary nasyconejρ n. W danej temperaturze para nasycona ma maksymalne możliwe ciśnienie i gęstość pary.

Nazywa się parę, której ciśnienie jest mniejsze od ciśnienia pary nasyconej w danej temperaturze nienasycone. Podobnie możliwe było podanie definicji w kategoriach gęstości pary.

Doświadczenie pokazuje, że pary nienasycone spełniają wszystkie prawa gazowe, a im dalej od nasycenia, tym dokładniej.

Właściwości par nasyconych

Pary nasycone charakteryzują się następującymi właściwościami:

Stąd, para nasycona nie przestrzega praw gazowych gazu doskonałego. Wartości ciśnienia i gęstości pary nasyconej w danej temperaturze określa się z tabel (patrz tabela).

Tabela. Ciśnienie ( R) i gęstość (ρ) nasyconej pary wodnej w różnych temperaturach ( T).

Wilgotność powietrza

W wyniku odparowania wody z licznych zbiorników wodnych (morz, jezior, rzek itp.), a także z roślinności, powietrze atmosferyczne zawsze zawiera parę wodną. Ilość pary wodnej zawartej w powietrzu ma wpływ na pogodę, samopoczucie człowieka, funkcjonowanie wielu jego narządów, życie roślin, a także bezpieczeństwo obiektów technicznych, obiektów architektonicznych i dzieł sztuki. Dlatego bardzo ważne jest monitorowanie wilgotności powietrza i umiejętność jej pomiaru.

Para wodna w powietrzu jest zwykle nienasycona. Ruch mas powietrza, ostatecznie wywołany promieniowaniem Słońca, prowadzi do tego, że w niektórych miejscach naszej planety w tej chwili parowanie wody przeważa nad kondensacją, podczas gdy w innych, wręcz przeciwnie, dominuje kondensacja.

Absolutna wilgotnośćρ powietrza to wartość liczbowa równa masie pary wodnej zawartej w 1 m 3 powietrza (czyli gęstości pary wodnej w powietrzu w danych warunkach).

Jednostką wilgotności bezwzględnej w układzie SI jest kilogram na metr sześcienny (kg/m3). Czasami stosuje się niesystemowe jednostki gramów na metr sześcienny (g/m3).

Wilgotność bezwzględna ρ i ciśnienie P para wodna są ze sobą powiązane równaniem stanu

\(~p \cdot V = \dfrac (m \cdot M)(R \cdot T) \Rightarrow p = \dfrac(\rho)(M) \cdot R \cdot T\)

Jeśli znana jest tylko wilgotność bezwzględna, nadal nie można ocenić, jak suche lub wilgotne jest powietrze. Aby określić stopień wilgotności powietrza, musisz wiedzieć, czy para wodna jest bliska, czy daleka od nasycenia.

Wilgotność względna powietrze φ to procentowy stosunek wilgotności bezwzględnej do gęstości ρ 0 pary nasyconej w danej temperaturze (lub stosunek ciśnienia P pary wodnej do ciśnienia P 0 para nasycona w danej temperaturze):

\(~\varphi = \dfrac(\rho)(\rho_0) \cdot 100\;\%, \;\; ~\varphi = \dfrac(p)(p_0) \cdot 100\;\%.\)

Im niższa wilgotność względna, im dalej para znajduje się od nasycenia, tym intensywniejsze jest parowanie. Ciśnienie pary nasyconej P 0 w danej temperaturze jest wartością tabelaryczną. Ciśnienie P para wodna (a tym samym wilgotność bezwzględna) jest określana na podstawie punktu rosy.

Pozostaw w temperaturze T 1 ciśnienie pary wodnej P 1. Stan pary na schemacie R, T będzie reprezentowany przez punkt A(ryc. 5).

Po izobarycznym ochłodzeniu do temperatury T p para ulega nasyceniu, a jej stan jest oznaczony kropką W. Temperatura T p, przy którym para wodna zostaje nasycona, nazywa się punkt rosy. Podczas chłodzenia poniżej punktu rosy rozpoczyna się kondensacja pary wodnej: pojawia się mgła, opada rosa i zaparowują szyby. Punkt rosy pozwala określić ciśnienie pary wodnej P 1 w powietrzu o temp T 1 .

Rzeczywiście, z rysunku 5 widzimy, że ciśnienie P 1 jest równe ciśnieniu pary nasyconej w punkcie rosy P 1 = P 0 tp. Dlatego \(~\varphi = \dfrac(p_(0tp))(p_0) \cdot 100 \;\%\)

Psychrometr. Higrometr

Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta wilgotność względna. W określonej temperaturze ( punkt rosy) para wodna zostaje nasycona. Dalszy spadek temperatury powoduje, że powstały nadmiar pary wodnej zaczyna się kondensować w postaci kropelek rosy lub mgły.

Aby określić wilgotność względną powietrza, można sztucznie obniżyć temperaturę powietrza na ograniczonym obszarze do punktu rosy. Wilgotność bezwzględna i odpowiednio ciśnienie pary wodnej pozostaną niezmienione. Porównując ciśnienie pary wodnej w punkcie rosy z ciśnieniem pary nasyconej, które mogłoby występować w interesującej nas temperaturze, wyznaczymy w ten sposób wilgotność względną powietrza. Szybkie chłodzenie można osiągnąć poprzez intensywne odparowanie lotnej cieczy. Metodę tę stosuje się do pomiaru wilgotności za pomocą higrometru kondensacyjnego.

Higrometr kondensacyjny składa się z metalowej skrzynki z dwoma otworami (ryc. 6).

Do pudełka wlewa się eter. Za pomocą gumowej gruszki powietrze jest pompowane przez skrzynkę. Eter bardzo szybko odparowuje, temperatura pudełka i otaczającego go powietrza spada, a wilgotność względna wzrasta. Przy określonej temperaturze, mierzonej za pomocą termometru umieszczonego w otworze urządzenia, na powierzchni pudełka pojawiają się maleńkie kropelki rosy. W celu dokładniejszego zarejestrowania momentu pojawienia się rosy na powierzchni rosy, powierzchnię tę wypolerowano na lustrzany połysk, a obok skrzynki umieszczono polerowany metalowy pierścień w celu kontroli.

W nowoczesnych higrometrach kondensacyjnych do chłodzenia zwierciadła wykorzystuje się element półprzewodnikowy, którego zasada działania opiera się na efekcie Peltiera, a temperaturę zwierciadła mierzy się za pomocą wbudowanego w nie opornika drutowego lub mikrotermometru półprzewodnikowego.

Działanie higrometr do włosów opiera się na właściwości odtłuszczonego ludzkiego włosa polegającego na zmianie swojej długości pod wpływem zmiany wilgotności powietrza, co umożliwia pomiar wilgotności względnej od 30 do 100%. Włos 1 (ryc. 7) jest naciągnięty na metalową ramkę 2. Zmiana długości włosa jest przekazywana strzałce 3, poruszającej się wzdłuż skali.

Ryż. 7

Działanie higrometr ceramiczny opiera się na zależności rezystancji elektrycznej stałej i porowatej masy ceramicznej (mieszaniny gliny, krzemu, kaolinu i niektórych tlenków metali) od wilgotności powietrza.

Procesy parowania i kondensacji zachodzą w sposób ciągły i równoległy.

W otwartym naczyniu ilość cieczy zmniejsza się z czasem, ponieważ parowanie przeważa nad kondensacją.

Para, która występuje nad powierzchnią cieczy, gdy parowanie przeważa nad kondensacją lub para, gdy nie ma cieczy, nazywa się nienasycone.

W hermetycznie zamkniętym naczyniu poziom cieczy nie zmienia się w czasie, ponieważ parowanie i kondensacja równoważą się: w miarę jak wiele cząsteczek wylatuje z cieczy, tyle samo z nich powraca do niej w tym samym czasie i pomiędzy parą a jej cieczą zachodzi dynamiczna (ruchoma) równowaga.

Para będąca w równowadze dynamicznej ze swą cieczą nazywana jest parą nasycony.

W danej temperaturze nasycona para dowolnej cieczy ma największą gęstość ( ) i wytwarza maksymalne ciśnienie ( ), jaką może mieć para tej cieczy w tej temperaturze.

Ciśnienie i gęstość pary nasyconej w tej samej temperaturze zależy od rodzaju substancji: większe ciśnienie tworzy nasyconą parę cieczy, która odparowuje szybciej. Na przykład i

Właściwości par nienasyconych: Pary nienasycone podlegają gazowym prawom Boyle’a – Mariotte’a, Gay-Lussaca, Charlesa i można do nich zastosować równanie stanu gazu doskonałego.

Właściwości par nasyconych:1. Przy stałej objętości, wraz ze wzrostem temperatury, ciśnienie pary nasyconej wzrasta, ale nie wprost proporcjonalnie (nie jest spełnione prawo Charlesa), ciśnienie rośnie szybciej niż gazu doskonałego. , wraz ze wzrostem temperatury ( ) , masa pary wzrasta, a zatem wzrasta stężenie cząsteczek pary () i ciśnienie pary nasyconej topi się z dwóch powodów (

3 1 – para nienasycona (gaz doskonały);

2 2 - para nasycona; 3 – para nienasycona,

1 otrzymywany z pary nasyconej w tym samym

Objętość po podgrzaniu.

2. Ciśnienie pary nasyconej w stałej temperaturze nie zależy od zajmowanej przez nią objętości.

Wraz ze wzrostem objętości wzrasta masa pary, a masa cieczy maleje (część cieczy zamienia się w parę); gdy objętość maleje, para staje się mniejsza, a ciecz staje się większa (część pary zamienia się w parę) ciecz), podczas gdy gęstość i stężenie cząsteczek pary nasyconej pozostają stałe, dlatego ciśnienie pozostaje stałe ().

płyn

(siedział. para + ciecz)

Nienasycone para

Pary nasycone nie podlegają gazowym prawom Boyle’a – Mariotte’a, Gay-Lussaca, Charlesa, ponieważ Masa pary w procesach nie pozostaje stała, a wszystkie prawa gazowe uzyskano dla stałej masy. Równanie stanu gazu doskonałego można zastosować do pary nasyconej.

Więc, parę nasyconą można przekształcić w parę nienasyconą, podgrzewając ją do stałej objętości lub zwiększając jej objętość w stałej temperaturze. Parę nienasyconą można przekształcić w parę nasyconą, schładzając ją do stałej objętości lub sprężając do stałej temperatury.

Krytyczna kondycja

Obecność swobodnej powierzchni cieczy pozwala na wskazanie, gdzie znajduje się faza ciekła substancji, a gdzie faza gazowa. Wyraźną różnicę między cieczą a jej parą tłumaczy się faktem, że gęstość cieczy jest wielokrotnie większa niż gęstość pary. Jeśli podgrzejesz ciecz w hermetycznie zamkniętym naczyniu, wówczas w wyniku rozszerzania jej gęstość zmniejszy się, a gęstość pary nad nią wzrośnie. Oznacza to, że różnica pomiędzy cieczą a jej nasyconą parą zostaje wygładzona i przy odpowiednio wysokiej temperaturze zanika całkowicie. Temperatura, w której zanikają różnice we właściwościach fizycznych cieczy i jej pary nasyconej, a ich gęstości stają się takie same, nazywa się temperaturąkrytyczna temperatura.

Punkt krytyczny

Aby ciecz utworzyła się z gazu, średnia energia potencjalna przyciągania cząsteczek musi przekraczać ich średnią energię kinetyczną.

Krytyczna temperatura – maksymalna temperatura, w której para zamienia się w ciecz. Temperatura krytyczna zależy od energii potencjalnej interakcji między cząsteczkami i dlatego jest różna dla różnych gazów. Dzięki silnemu oddziaływaniu cząsteczek wody para wodna może przekształcić się w wodę już w temperaturze . Jednocześnie skraplanie azotu następuje tylko w temperaturze niższej niż = -147˚, ponieważ cząsteczki azotu słabo oddziałują ze sobą.

Kolejnym parametrem makroskopowym wpływającym na przejście para-ciecz jest ciśnienie. Wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego podczas sprężania gazu zmniejsza się średnia odległość między cząstkami, wzrasta siła przyciągania między nimi i odpowiednio wzrasta średnia energia potencjalna ich interakcji.

Ciśnienienazywa się parą nasyconą w temperaturze krytycznej krytyczny. Jest to najwyższa możliwa prężność pary nasyconej danej substancji.

Stan materii z parametrami krytycznymi nazywa się krytyczny(punkt krytyczny) . Każda substancja ma swoją własną krytyczną temperaturę i ciśnienie.

W stanie krytycznym zanika ciepło właściwe parowania i współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy. W temperaturach powyżej krytycznych, nawet przy bardzo wysokich ciśnieniach, niemożliwa jest przemiana gazu w ciecz, tj. Ciecz nie może istnieć powyżej temperatury krytycznej. W temperaturach nadkrytycznych możliwa jest tylko postać pary substancji.

Skraplanie gazów możliwe jest tylko w temperaturach poniżej temperatury krytycznej. Aby upłynnić, gazy schładza się do temperatury krytycznej, na przykład poprzez rozprężanie adiabatyczne, a następnie spręża się je izotermicznie.

Wrzenie

Zewnętrznie zjawisko wygląda następująco: Szybko rosnące pęcherzyki unoszą się z całej objętości cieczy na powierzchnię, pękają na powierzchni, a do otoczenia uwalniana jest para.

MKT wyjaśnia wrzenie w następujący sposób: W cieczy zawsze znajdują się pęcherzyki powietrza, w których następuje parowanie. Zamknięta objętość pęcherzyków okazuje się wypełniona nie tylko powietrzem, ale także parą nasyconą. Po podgrzaniu cieczy ciśnienie pary nasyconej w niej wzrasta szybciej niż ciśnienie powietrza. Kiedy w wystarczająco ogrzanej cieczy ciśnienie pary nasyconej w pęcherzykach staje się większe niż ciśnienie zewnętrzne, zwiększają one swoją objętość, a siła wyporu przekraczająca ich grawitację unosi pęcherzyki na powierzchnię. Pływające pęcherzyki zaczynają pękać, gdy w określonej temperaturze ciśnienie zawartej w nich pary nasyconej przekracza ciśnienie nad cieczą. Nazywa się temperaturę cieczy, w której ciśnienie jej nasyconej pary w pęcherzykach jest równe lub większe od ciśnienia zewnętrznego cieczy temperatura wrzenia.

Temperatura wrzenia różnych cieczy jest różna, ponieważ ciśnienie pary nasyconej w ich pęcherzykach porównuje się z tym samym ciśnieniem zewnętrznym w różnych temperaturach. Przykładowo ciśnienie pary nasyconej w pęcherzykach jest równe normalnemu ciśnieniu atmosferycznemu dla wody o temperaturze 100˚C, dla rtęci o temperaturze 357˚C, dla alkoholu o temperaturze 78˚C, dla eteru o temperaturze 35˚C.

Temperatura wrzenia pozostaje stała podczas procesu wrzenia, ponieważ całe ciepło dostarczane do ogrzanej cieczy jest wydawane na odparowanie.

Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia zewnętrznego działającego na ciecz: wraz ze wzrostem ciśnienia temperatura wzrasta; Wraz ze spadkiem ciśnienia spada temperatura. Przykładowo na wysokości 5 km n.p.m., gdzie ciśnienie jest 2 razy niższe od ciśnienia atmosferycznego, temperatura wrzenia wody wynosi 83˚C, w kotłach maszyn parowych, gdzie ciśnienie pary wynosi 15 atm. (), temperatura wody wynosi około 200˚С.

Wilgotność powietrza

W powietrzu zawsze występuje para wodna, dlatego można mówić o wilgotności powietrza, którą charakteryzują następujące wartości:

1.Absolutna wilgotność jest gęstością pary wodnej w powietrzu (lub ciśnieniem wytwarzanym przez tę parę (.

Wilgotność bezwzględna nie daje pojęcia o stopniu nasycenia powietrza parą wodną. Ta sama ilość pary wodnej w różnych temperaturach powoduje różne uczucie wilgotności.

2.Wilgotność względna- jest stosunkiem gęstości (ciśnienia) pary wodnej zawartej w powietrzu w danej temperaturze do gęstości (ciśnienia) pary nasyconej w tej samej temperaturze : Lub

– wilgotność bezwzględna w danej temperaturze; - gęstość, prężność pary nasyconej w tej samej temperaturze. Gęstość i ciśnienie nasyconej pary wodnej w dowolnej temperaturze można znaleźć w tabeli. Z tabeli wynika, że ​​im wyższa temperatura powietrza, tym większa musi być gęstość i ciśnienie pary wodnej w powietrzu, aby zostało ono nasycone.

Znając wilgotność względną, możesz zrozumieć, o ile procent pary wodnej w powietrzu w danej temperaturze jest daleki od nasycenia. Jeśli para w powietrzu jest nasycona, to . Jeśli , wtedy w powietrzu nie ma wystarczającej ilości pary, aby osiągnąć stan nasycenia.

O nasyceniu pary wodnej w powietrzu świadczy pojawienie się wilgoci w postaci mgły lub rosy. Temperaturę, w której para wodna zawarta w powietrzu ulega nasyceniu, nazywa się punkt rosy.

Parę znajdującą się w powietrzu można nasycić dodając parę poprzez dodatkowe odparowanie cieczy bez zmiany temperatury powietrza lub, jeżeli w powietrzu występuje duża ilość pary, obniżyć jej temperaturę.

Normalna wilgotność względna, najkorzystniejsza dla człowieka, wynosi 40 - 60%. Znajomość wilgotności w meteorologii ma ogromne znaczenie w przewidywaniu pogody. W tkactwie i produkcji wyrobów cukierniczych do normalnego przebiegu procesu wymagana jest pewna wilgotność powietrza. Przechowywanie dzieł sztuki i książek wymaga utrzymania wilgotności powietrza na wymaganym poziomie.

Przyrządy do określania wilgotności:

1. Higrometr kondensacyjny (pozwala określić punkt rosy).

2. Higrometr do włosów (zasada działania opiera się na zależności długości odtłuszczonych włosów od wilgotności) mierzy wilgotność względną w procentach.

3. Psychrometr składa się z dwóch termometrów, suchego i wilgotnego. Zbiornik zwilżonego termometru owinięty jest szmatką zamoczoną w wodzie. Ze względu na parowanie z tkaniny temperatura zwilżonej tkaniny jest niższa niż suchej. Różnica wskazań termometru zależy od wilgotności otaczającego powietrza: im bardziej suche powietrze, tym intensywniejsze parowanie z tkaniny, tym większa różnica wskazań termometru i odwrotnie. Jeśli wilgotność powietrza wynosi 100%, wskazania termometru są takie same, tj. różnica odczytów wynosi 0. Do określenia wilgotności za pomocą psychrometru stosuje się tabelę psychrometryczną.

Topienie i krystalizacja

Kiedy się topi ciała stałego, odległość między cząstkami tworzącymi sieć krystaliczną wzrasta, a sama sieć ulega zniszczeniu. Proces topienia wymaga energii. Kiedy ciało stałe jest podgrzewane, energia kinetyczna wibrujących cząsteczek wzrasta, a zatem amplituda ich drgań. W określonej temperaturze, tzw temperatura topnienia, zostaje zakłócony porządek ułożenia cząstek w kryształach, kryształy tracą swój kształt. Substancja topi się, przechodząc ze stanu stałego w stan ciekły.

Po krystalizacji Cząsteczki łączą się, tworząc sieć krystaliczną. Krystalizacja może nastąpić tylko wtedy, gdy ciecz uwolni energię. W miarę ochładzania się stopionej substancji średnia energia kinetyczna i prędkość cząsteczek maleją. Siły przyciągania mogą utrzymywać cząstki w pobliżu ich położenia równowagi. W określonej temperaturze, tzw temperatura krzepnięcia (krystalizacji), wszystkie cząsteczki znajdują się w pozycji stabilnej równowagi, ich układ zostaje uporządkowany – powstaje kryształ.

Topienie ciała stałego następuje w tej samej temperaturze, w której substancja krzepnie

Każda substancja ma swoją własną temperaturę topnienia. Na przykład temperatura topnienia helu wynosi -269,6˚С, dla rtęci -38,9˚С, dla miedzi 1083˚С.

Podczas procesu topienia temperatura pozostaje stała. Ilość ciepła dostarczonego z zewnątrz wykorzystywana jest do zniszczenia sieci krystalicznej.

Podczas procesu utwardzania, mimo usunięcia ciepła, temperatura nie ulega zmianie. Energia uwalniana podczas krystalizacji jest zużywana na utrzymanie stałej temperatury.

Do czasu, aż cała substancja się roztopi lub cała substancja stwardnieje, tj. Dopóki faza stała i ciekła substancji istnieją razem, temperatura się nie zmienia.

Telewizor + płyn płyn+telewizor

, gdzie jest ilość ciepła, - masowa ilość ciepła potrzebna do stopienia substancji uwolniona podczas krystalizacji substancji

- ciepło właściwe topnienia– ilość ciepła potrzebna do stopienia substancji o masie 1 kg w jej temperaturze topnienia.

Jaka ilość ciepła jest zużywana podczas topienia określonej masy substancji, taka sama ilość ciepła jest uwalniana podczas krystalizacji tej masy.

Nazywane również ciepło właściwe krystalizacji.

W temperaturze topnienia energia wewnętrzna substancji w stanie ciekłym jest większa niż energia wewnętrzna tej samej masy substancji w stanie stałym.

W przypadku dużej liczby substancji podczas topienia zwiększa się objętość, a gęstość maleje. Przeciwnie, podczas utwardzania objętość maleje, a gęstość wzrasta. Na przykład kryształy stałego naftalenu toną w ciekłym naftalenie.

Niektóre substancje, na przykład bizmut, lód, gal, żeliwo itp., Kompresują się podczas topienia i rozszerzają się podczas zestalania. Te odstępstwa od ogólnej zasady tłumaczy się cechami strukturalnymi sieci krystalicznych. Dlatego woda okazuje się gęstsza niż lód, lód unosi się w wodzie. Ekspansja wody podczas zamarzania prowadzi do zniszczenia skał.

W odlewnictwie istotne znaczenie ma zmiana objętości metali podczas topienia i krzepnięcia.

Doświadczenie to pokazuje zmiana ciśnienia zewnętrznego działającego na substancję stałą znajduje odzwierciedlenie w temperaturze topnienia tej substancji. W przypadku substancji, które rozszerzają się podczas topienia, wzrost ciśnienia zewnętrznego prowadzi do wzrostu temperatury topnienia, ponieważ komplikuje proces topienia. Jeśli substancje są ściskane podczas topienia, wówczas dla nich wzrost ciśnienia zewnętrznego prowadzi do obniżenia temperatury topnienia, ponieważ wspomaga proces topienia. Dopiero bardzo duży wzrost ciśnienia zauważalnie zmienia temperaturę topnienia. Przykładowo, aby obniżyć temperaturę topnienia lodu o 1˚C, należy zwiększyć ciśnienie o 130 atm. Nazywa się temperaturą topnienia substancji pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym temperatura topnienia substancji.