Перш ніж відповідати на запитання, поставлене у назві статті, розберемося, що таке пара. Образи, що виникають у більшості людей при цьому слові: киплячий чайник або каструля, парильня, гарячий напій та ще безліч подібних картинок. Так чи інакше, в наших уявленнях є рідина і газоподібна субстанція, що піднімається над її поверхнею. Якщо вас попросять навести приклад пари, ви відразу згадаєте водяну пару, пари спирту, ефіру, бензину, ацетону.

Існує ще одне слово для позначення газоподібних станів – газ. Тут ми зазвичай згадуємо кисень, водень, азот та інші гази, не асоціюючи їх із відповідними рідинами. При цьому добре відомо, що вони існують у рідкому стані. На перший погляд відмінності полягають у тому, що пара відповідає природним рідинам, а гази треба скраплювати спеціально. Однак це не зовсім правильно. Понад те, образи, що виникають за слові пар – пором є. Щоб дати точнішу відповідь, розберемося, як виникає пара.

Чим відрізняється пара від газу?

Агрегатний стан речовини задається температурою, точніше співвідношенням між енергією, з якою взаємодіють його молекули та енергією їхнього теплового хаотичного руху. Наближено, можна вважати, що якщо енергія взаємодії значно більша – твердий стан, якщо значно більша енергія теплового руху – газоподібний, якщо енергії можна порівняти – рідке.

Виходить, щоб молекула могла відірватися від рідини та брати участь в утворенні пари, величина теплової енергії має бути більшою за енергію взаємодії. Як це може статися? Середня швидкість теплового руху молекул дорівнює певному значенню, що залежить від температури. Однак індивідуальні швидкості молекул різні: більша їх частина має швидкості близькі до середнього значення, але деяка частина має швидкості більше середньої, деяка - менше.

Більш швидкі молекули можуть мати велику теплову енергію, ніж енергія взаємодії, а значить, потрапивши на поверхню рідини, здатні відірватися від неї, утворюючи пару. Такий спосіб пароутворення називається випаровуванням. Через той самий розподіл швидкостей існує й протилежний процес — конденсація: молекули з пари переходять у рідину. До речі, образи, які зазвичай виникають при слові пар, це не пара, а результат протилежного процесу — конденсації. Пара побачити не можна.

Пара за певних умов може стати рідиною, але для цього його температура не повинна перевищувати певного значення. Це значення називається критичною температурою. Пар і газ - газоподібні стани, що відрізняються температурою, за якої вони існують. Якщо температура не перевищує критичної – пара, якщо перевищує – газ. Якщо підтримувати температуру постійної та зменшувати об'єм, пара – скраплюється, газ – не скраплюється.

Що таке пар насичений і ненасичений

Саме слово «насичений» несе певну інформацію, важко наситити велику область простору. Отже, щоб отримати насичену пару, треба обмежити простір, в якому знаходиться рідина. Температура при цьому повинна бути меншою за критичну для даної речовини. Тепер молекули, що випарувалися, залишаються в просторі, де знаходиться рідина. Спочатку більшість переходів молекул відбуватиметься з рідини, при цьому щільність пари підвищуватиметься. Це, у свою чергу, викличе більшу кількість зворотних переходів молекул у рідину, що збільшить швидкість процесу конденсації.

Нарешті, встановлюється стан, котрим середнє число молекул, перехідних з однієї фази до іншої буде рівним. Такий стан називається динамічна рівновага. Для цього стану характерна однакова зміна величини та напрямки швидкостей випаровування та конденсації. Цей стан відповідає насиченій парі. Якщо стан динамічної рівноваги не досягнуто, це відповідає ненасиченій парі.

Починають вивчення якогось об'єкта, завжди із найпростішої його моделі. У молекулярно-кінетичній теорії це ідеальний газ. Основні спрощення тут — нехтування власним обсягом молекул та енергією їхньої взаємодії. Виявляється, подібна модель цілком задовільно описує ненасичену пару. Причому що менш насичений, тим правомірніше її застосування. Ідеальний газ - це газ, він не може стати ні парою, ні рідиною. Отже, для насиченої пари подібна модель не є адекватною.

Основні відмінності насиченої пари від ненасиченої

1. Насичений означає, що цей об'єкт має найбільше з можливих значень деяких параметрів. Для пари це щільність та тиск. Ці параметри для ненасиченої пари мають менші значення. Що далі пар від насичення, то менші ці величини. Одне уточнення: температура порівняння має бути постійною.
2. Для ненасиченої пари виконується закон Бойля-Маріотта: якщо температура і маса газу постійні, збільшення або зменшення об'єму, викликає зменшення або збільшення тиску в стільки ж разів, тиск і об'єм - пов'язані пропорційною залежністю. З максимальності щільності і тиску при постійній температурі випливає їхня незалежність від об'єму насиченої пари, виходить, що для насиченої пари тиск і об'єм не залежать один від одного.
3. Для ненасиченої пари щільність не залежить від температури, і якщо обсяг зберігається, не змінюється значення щільності. Для насиченої пари за збереження об'єму щільність змінюється, якщо змінюється температура. Залежність у разі пряма. Якщо температура збільшується, збільшується і щільність, якщо температура зменшується, так само змінюється щільність.
4. Якщо обсяг постійний, ненасичена пара веде себе відповідно до закону Шарля: зі збільшенням температури у стільки разів збільшується і тиск. Така залежність називається лінійною. У насиченої пари зі збільшенням температури тиск зростає швидше, ніж у ненасиченої пари. Залежність має експонентний характер.

Підсумовуючи, можна назвати значні відмінності якостей порівнюваних об'єктів. Основна відмінність у тому, що пара, у стані насичення, не можна розглядати у відриві від її рідини. Це двокомпонентна система, до якої не можна застосовувати більшість газових законів.

Насичений пар.

Якщо посудина з рідиною щільно закрити, спочатку кількість рідини зменшиться, а потім залишатиметься постійним. При неізМенн ой температурі система рідина - пара прийде в стан теплової рівноваги і перебуватиме в ньому як завгодно довго. Одночасно з процесом випаровування відбувається і конденсація, обидва процеси в середньому комп.інсують один одного. У перший момент, після того, як рідина наллють у посудину і закриють його, рідина будевипаровуватися і щільність пари над нею буде збільшуватися. Однак одночасно з цим зростатиме і число молекул, що повертаються в рідину. Чим більша щільність пари, тим більше його молекул повертається в рідину. В результаті в закритій посудині при постійній температурі встановиться динамічна (рухлива) рівновага між рідиною і парою, тобто число молекул, що залишають поверхню рідини за деякий час.р ий проміжок часу, дорівнюватиме в середньому числу молекул пари, що повернулися за той же час в рідиніь. Пар, нах що одягається в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою. Це визначення підкресленняває, що в даному обсязі при даній температурі не може перебувати більша кількість пари.

Тиск насиченої пари .

Що відбуватиметься з насиченою парою, якщо зменшити об'єм, який він займає? Наприклад, якщо стискати пару, що знаходиться в рівновазі з рідиною в циліндрі під поршнем, підтримуючи температуру постійного постійного циліндра. При стисненні пари рівновага почне порушуватися. Щільність пари в перший момент трохи збільшиться, і з газу в рідину почне переходити більше молекул, ніж з рідини в газ. Адже кількість молекул, що залишають рідину в одиницю часу, залежить тільки від температури, і стиснення пари це число не змінює. Процес триває до тих пір, поки знову не встановиться динамічна рівновага і щільність пари, а отже, і концентрація молекул не приймуть колишніх своїх значень. Отже, концентрація молекул насиченої пари за постійної температури не залежить від його об'єму. Так як тиск пропорційно концентрації молекул (p=nkT), то з цього визначення випливає, що тиск насиченої пари не залежить від об'єму, який він займає. Тиск p н. пара, при якому рідина знаходиться в рівновазі зі своєю парою, називають тиском насиченої пари.

Залежність тиску насиченої пари від температури.

Стан насиченої пари, як показує досвід, наближено описується рівнянням стану ідеального газу, яке тиск визначається формулою Р = nкТ З зростанням температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то отже, воно залежить тільки від температури. Однак залежність р н. від Т, знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як ідеальний газ при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реальної насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (рис. навчаючистік кривої 12). Чому це відбувається? При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою Р = nкТ тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, а й унаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається саме збільшенням конц.ентрац ії. (Головна відмінність у поведінці тадеального газу та насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пар частково конденсуєється. З ідеальним газом нічого подібного не відбувається.). Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі будети прямо пропорційно до абсолютної температури (див. рис., ділянка кривої 23).

Кипіння.

Кипіння - це інтенсивний перехід речовини з рідкого стану в газоподібний, що відбувається по всьому об'єму рідини (а не тільки з поверхні). (Конденсація – зворотний процес.) У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Зрештою, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається незмінною. Це відбувається тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару. За яких умов починається кипіння?

У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні та стінках судини, а також на зважених у рідині порошинках, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають нижчу температуру, то цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Захлопування відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, виробляють щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина досить прогріється, бульбашки перестануть захлопуватись і спливуть на поверхню. Рідина закипить. Слідкуйте за чайником на плиті. Ви побачите, що перед закипанням він майже перестає шуміти. Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску її поверхню. Пухирець пари може зростати, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевищує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини. Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині. Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми цим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти за кімнатної температури. У кожної рідини своя температура кипіння (яка залишається постійною, доки вся рідина не википить), яка залежить від тиску її насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння рідини.

Вологість повітря та його вимір.

У навколишньому повітрі практично завжди знаходиться деяка кількість водяної пари. Вологість повітря залежить від кількості водяної пари, що міститься в ній. Сире повітря містить більший відсоток молекул води, ніж сухе.Біль ше значення має відносна вологість повітря, повідомлення про яку щодня звучать у зведеннях метеопрогнозу.

Відносильна вологість - це відношення щільності водяної пари, що міститься в повітрі, до щільності насиченої пари при даній температурі, виражене у відсотках (показує, наскільки водяна пара в повітрі близька до насичення).

Точка роси

Сухість або вологість повітря залежить від того, наскільки близька його водяна пара до насичення. Якщо вологе повітря охолоджувати, то пар, що знаходиться в ньому, можна довести до насичення, і далі він буде конденсуватися. Ознакою того, що пара наситилася є поява перших крапель рідини, що сконденсувалася - роси. Температура, коли пар, що у повітрі, стає насиченим, називається точкою роси. Крапка роси також характеризує вологість повітря. Приклади: випадання роси під ранок, запотівання холодного скла, якщо на нього подихати, утворення краплі води на холодній водопровідній трубі, вогкість у підвалах будинків. Для вимірювання вологості повітря використовують вимірювальні прилади – гігрометри. Існують кілька видів гігрометрів, але основні: волосяний та психрометричний.

Якщо відкрити склянку з водою залишити на довгий час, то врешті-решт вода повністю випарується. Точніше випарується. Що таке випаровування і чому воно відбувається?

2.7.1 Випаровування та конденсація

При даній температурі молекули рідини мають різні швидкості. Швидкість більшості молекул знаходиться поблизу деякого середнього значення (характерного для цієї температури). Але трапляються молекули, швидкості яких значно відрізняються від середньої як у меншу, так і більшу сторону.

На рис. 2.16 зображено зразковий графік розподілу молекул рідини за швидкостями. Блакитним фоном показана та сама більшість молекул, швидкості яких групуються близько середнього значення. Червоний «хвіст» графіка це невелика кількість «швидких» молекул, швидкості яких суттєво перевищують середню швидкість основної маси молекул рідини.

Число молекул

Швидкі молекули

Швидкість молекул

Мал. 2.16. Розподіл молекул за швидкостями

Коли така дуже швидка молекула опиниться на вільній поверхні рідини (тобто на межі розділу рідини та повітря), кінетичної енергії цієї молекули може вистачити на те, щоб подолати сили тяжіння інших молекул і вилетіти з рідини. Цей процес і є випаровуванням, а молекули, що залишили рідину, утворюють пару.

Отже, випаровування це процес перетворення рідини на пару, що відбувається на вільній поверхні жидкости7 .

Може статися, що через деякий час молекула пари повернеться назад у рідину.

Процес переходу молекул пари в рідину називається конденсацією. Конденсація пара процес, зворотний випаровування рідини.

2.7.2 Динамічна рівновага

А що буде, якщо посудину з рідиною закрити герметично? Щільність пари над поверхнею рідини почне збільшуватися; частинки пари все сильніше заважатимуть іншим молекулам рідини вилітати назовні, і швидкість випаровування зменшуватиметься. Одночасно почне

7 За особливих умов перетворення рідини на пару може відбуватися по всьому об'єму рідини. Цей процес вам добре відомий це кипіння.

p н = н RT:

збільшуватиметься швидкість конденсації, оскільки зі зростанням концентрації пари число молекул, що повертаються в рідину, ставатиме дедалі більше.

Нарешті, рано чи пізно швидкість конденсації виявиться дорівнює швидкості випаровування. Настане динамічна рівновага між рідиною та парою: за одиницю часу з рідини вилітатиме стільки ж молекул, скільки повертається до неї з пари. Починаючи з цього моменту кількість рідини перестане зменшуватися, а кількість пари збільшуватись; пар досягне «насичення».

Насичена пара це пара, яка перебуває у стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною. Пара, що не досягла стану динамічної рівноваги з рідиною, називається ненасиченою.

Тиск і щільність насиченої пари позначаються pн ін. Очевидно, pн ін це максимальні тиск і щільність, які може мати пари при даній температурі. Іншими словами, тиск і щільність насиченої пари завжди перевищують тиск і щільність ненасиченої пари.

2.7.3 Властивості насиченої пари

Виявляється, що стан насиченої пари (а ненасиченої тим більше) можна приблизно описувати рівнянням стану ідеального газу (рівнянням Менделєєва Клапейрона). Зокрема, маємо наближене співвідношення між тиском насиченої пари та її щільністю:

Це дуже дивовижний факт, який підтверджує експеримент. Адже за своїми властивостями насичена пара істотно відрізняється від ідеального газу. Перелічимо найважливіші з цих відмінностей.

1. При постійній температурі щільність насиченої пари залежить від її обсягу.

Якщо, наприклад, насичена пара ізотермічно стискати, то її щільність у перший момент зросте, швидкість конденсації перевищить швидкість випаровування, і частина пари конденсується в рідину доти, доки знову не настане динамічна рівновага, в якому щільність пари повернеться до свого колишнього значення.

Аналогічно, при ізотермічному розширенні насиченої пари його щільність у перший момент зменшиться (пар стане ненасиченим), швидкість випаровування перевищить швидкість конденсації, і рідина додатково випаровуватиметься до тих пір, поки знову не встановиться динамічна рівновага, тобто поки пар знову не стане насиченим. з колишнім значенням густини.

2. Тиск насиченої пари не залежить від його обсягу.

Це з того, що щільність насиченої пари залежить від обсягу, а тиск однозначно пов'язані з щільністю рівнянням (2.6 ).

Як бачимо, закон Бойля Маріотта, справедливий для ідеальних газів, для насиченої пари не виконується. Адже це не дивно, що він отриманий з рівняння Менделєєва Клапейрона в припущенні, що маса газу залишається постійною.

3. При постійному обсязі щільність насиченої пари зростає з підвищенням температури і зменшується зі зниженням температури.

Справді, зі збільшенням температури зростає швидкість випаровування рідини. Динамічна рівновага в перший момент порушується, і відбувається додаткова

випаровування деякої частини рідини. Пара додаватиметься до тих пір, поки динамічна рівновага знову не відновиться.

Так само при зниженні температури швидкість випаровування рідини стає меншою, і частина пари конденсується до тих пір, поки не відновиться динамічна рівновага але вже з меншою кількістю пари.

Таким чином, при ізохорному нагріванні або охолодженні насиченої пари його маса змінюється, тому закон Шарля в даному випадку не працює. Залежність тиску насиченої пари від температури вже не буде лінійною функцією.

4. Тиск насиченої пари зростає з температурою швидше, ніж за лінійним законом.

Справді, зі збільшенням температури зростає щільність насиченої пари, а відповідно до рівняння (2.6) тиск пропорційно до твору щільності на температуру.

Залежність тиску насиченої пари від температури є експоненційною (рис. 2.17). Вона представлена ​​ділянкою 1-2 графіки. Цю залежність не можна вивести із законів ідеального газу.

ізохора пара

Мал. 2.17. Залежність тиску пари від температури

У точці 2 вся рідина випаровується; при подальшому підвищенні температури пар стає ненасиченим і його тиск зростає лінійно за законом Шарля (ділянка 2–3).

Згадаймо, що лінійне зростання тиску ідеального газу викликане збільшенням інтенсивності ударів молекул об стінки судини. У разі нагрівання насиченої пари молекули починають бити не тільки сильніше, але і частіше пара стає більше. Одночасною дією цих двох факторів і викликано експоненційне зростання тиску насиченої пари.

2.7.4 Вологість повітря

Абсолютна вологість це парціальний тиск водяної пари, що знаходиться в повітрі (тобто тиск, який водяна пара чинила б сама по собі, без інших газів). Іноді абсолютною вологістю називають також щільність водяної пари у повітрі.

Відносна вологість повітря це відношення парціального тиску водяної пари в ньому до тиску насиченої водяної пари при тій же температурі.

відношення виражають у відсотках:

"= p 100%: pн

З рівняння Менделєєва-Клапейрона (2.6) слід, що відношення тисків пари дорівнює відношенню щільностей. Оскільки саме рівняння (2.6 ), нагадаємо, описує насичений пар лише приблизно, ми маємо наближене співвідношення:

"= 100%: н

Одним із приладів, що вимірюють вологість повітря, є психрометр. Він включає два термометри, резервуар одного з яких загорнуті в мокру тканину. Чим нижча вологість, тим інтенсивніше йде випаровування води з тканини, тим сильніше охолоджується резервуар «мокрого» термометра, і тим більша різниця його показань і показань сухого термометра. З цієї різниці за допомогою спеціальної психрометричної таблиці визначають вологість повітря.

Над вільною поверхнею рідини завжди є пари цієї рідини. Якщо посудина з рідиною не закрита, то завжди знайдуться молекули пари, які віддаляються від поверхні рідини і не можуть повернутися назад у рідину. У закритій посудині одночасно з випаровуванням рідини відбувається конденсація пари. Спочатку число молекул, що вилітають з рідини за 1 с, більше за число молекул, що повертаються назад, і щільність, а значить, і тиск пари зростає. Число молекул пари зростає до тих пір, поки число молекул, що залишили рідину (випарувалися), не буде рівне числу молекул, що повернулися у рідина (що сконденсувалися) за той самий проміжок часу. Такий стан називають динамічною рівновагою.

Пара, що знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, називається насиченою парою. Для опису насиченої пари застосовують такі величини: тиск насиченої пари pн і щільність насиченої париρ н. При даній температурі насичена пара має максимально можливе значення тиску і щільності пари.

Пара, тиск якого менший за тиск насиченої пари при даній температурі, називається ненасиченим. Аналогічно можна було дати визначення через щільність пари.

Досвід показує, що ненасичені пари підпорядковуються всім газовим законам, і точніше, що далі вони від насичення.

Властивості насиченої пари

Для насичених пар характерні такі характеристики:

Отже, насичена пара не підпорядковується газовим законам ідеального газу. Значення тиску та густини насиченої пари при заданій температурі визначаються з таблиць (див. таблицю).

Таблиця. Тиск ( р) і щільність (ρ) насичених водних пар при різних температурах ( t).

Вологість повітря

В результаті випаровування води з численних водойм (морей, озер, річок та ін), а також з рослинних покривів в атмосферному повітрі завжди міститься водяна пара. Від кількості водяної пари, що міститься в повітрі, залежить погода, самопочуття людини, функціонування багатьох її органів, життя рослин, а також збереження технічних об'єктів, архітектурних споруд, творів мистецтв. Тому дуже важливо стежити за вологістю повітря, вміти її вимірювати.

Водяна пара в повітрі зазвичай є ненасиченою. Переміщення повітряних мас, зумовлене зрештою випромінюванням Сонця, призводить до того, що в одних місцях нашої планети в даний момент випаровування води переважає над конденсацією, а в інших, навпаки, переважає конденсація.

Абсолютною вологістюρ повітря називають величину, чисельно рівну масі водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря (тобто щільність водяної пари в повітрі за даних умов).

У СІ одиницею абсолютної вологості є кілограм на кубічний метр (кг/м3). Іноді використовуються позасистемні одиниці грамів на кубічний метр (г/м 3 ).

Абсолютна вологість ρ та тиск pводяної пари пов'язані між собою рівнянням стану

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

Якщо відома лише абсолютна вологість, ще не можна судити, наскільки сухе або вологе повітря. Для визначення ступеня вологості повітря необхідно знати, близька або далека водяна пара від насичення.

Відносною вологістюповітря φ називають виражене у відсотках відношення абсолютної вологості до щільності ρ 0 насиченої пари при даній температурі (або відношення тиску pводяної пари до тиску p 0 насиченої пари при даній температурі):

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

Чим менша відносна вологість, тим далі пара від насичення, тим інтенсивніше відбувається випаровування. Тиск насиченої пари p 0 при заданій температурі – величина таблична. Тиск pводяної пари (а значить, і абсолютну вологість) визначають по точці роси.

Нехай за температури t 1 тиск водяної пари p 1 . Стан пари на діаграмі р, tзобразиться точкою А(Рис. 5).

При ізобарному охолодженні до температури t p пар стає насиченим і його стан зобразиться точкою У. Температуру t p , при якій водяна пара стає насиченою, називають точкою роси. При охолодженні нижче точки роси починається конденсація пари: з'являється туман, випадає роса, запотіють вікна. Точка роси дозволяє визначити тиск водяної пари p 1 , що знаходиться в повітрі при температурі t 1 .

Дійсно, з малюнка 5 бачимо, що тиск p 1 дорівнює тиску насиченої пари при точці роси p 1 = p 0tp. Отже, \(~\varphi = \dfrac(p_(0tp))(p_0) \cdot 100 \;\%\)

Психрометр. Гігрометр

При зниженні температури відносна вологість повітря збільшується. При певній температурі ( точці роси) водяна пара стає насиченою. Подальше зниження температури призводить до того, що надлишок водяної пари, що утворюється, починає конденсуватися у вигляді крапель роси або туману.

Для визначення відносної вологості повітря можна штучно знизити температуру повітря в якійсь обмеженій області до точки роси. Абсолютна вологість і, відповідно, тиск водяної пари при цьому залишаться незмінними. Порівнюючи тиск водяної пари при точці роси з тиском насиченої пари, яка могла б бути при температурі, що цікавить нас, ми тим самим, знайдемо відносну вологість повітря. Швидкого охолодження можна досягти при інтенсивному випаровуванні якоїсь летючої рідини. Такий метод застосовують для вимірювання вологості за допомогою гігрометра конденсаційного.

Конденсаційний гігрометрскладається з металевої коробочки з двома отворами (рис. 6).

У коробочку заливається ефір. За допомогою гумової груші через коробочку прокачується повітря. Ефір дуже швидко випаровується, температура коробочки та повітря, що знаходиться поблизу неї, знижується, а відносна вологість зростає. При певній температурі, яка вимірюється термометром, вставленим в отвір приладу, поверхня коробочки покривається дрібними крапельками роси. Щоб точніше зафіксувати момент появи на поверхні коробочки роси, ця поверхня полірується до дзеркального блиску, а поряд з коробочкою для контролю розташовується металеве кільце відполіроване.

У сучасних конденсаційних гігрометрах для охолодження дзеркальця користуються напівпровідниковим елементом, принцип дії якого заснований на ефекті Пельтьє, а температура дзеркальця вимірюється вмонтованим в нього дротяним опором або напівпровідниковим мікротермометром.

Дія волосяного гігрометразасноване на властивості знежиреного людського волосся змінювати свою довжину при зміні вологості повітря, що дозволяє вимірювати відносну вологість від 30 до 100%. Волосся 1 (рис. 7) натягнуте на металеву рамку 2. Зміна довжини волосся передається стрілці 3, що переміщається вздовж шкали.

Мал. 7

Дія керамічного гігрометразасноване на залежності електричного опору твердої та пористої керамічної маси (суміш глини, кремнію, каоліну та деяких оксидів металу) від вологості повітря.

Процеси випаровування та конденсації йдуть безперервно та паралельно один одному.

У відкритій посудині кількість рідини згодом зменшується, т.к. випаровування переважає над конденсацією.

Пар, який знаходиться над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією або пара за відсутності рідини, називається ненасиченим.

У герметично закритому посудині рівень рідини згодом змінюється, т.к. випаровування і конденсація компенсують один одного: скільки молекул вилітає з рідини, стільки ж їх за той же час повертається до неї, настає динамічна (рухлива) рівновага між парою та її рідиною.

Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченим.

При даній температурі насичена пара будь-якої рідини має найбільшу щільність ( ) і створює максимальний тиск ( ), яке може мати пару цієї рідини за цієї температури.

Тиск і щільність насиченої пари при одній температурі залежить від роду речовини: більший тиск створює насичена пара тієї рідини, яка швидше випаровується.Наприклад, і

Властивості ненасиченої пари:Ненасичені пари підпорядковуються газовим законам Бойля – Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, до яких можна застосовувати рівняння стану ідеального газу.

Властивості насиченої пари:1. При незмінному обсязі зі зростанням температури тиск насиченої пари збільшується, але не прямо пропорційно (закон Шарля не виконується), тиск зростає швидше, ніж у ідеального газу. , при зростанні температури ( ) , збільшується маса пари, а тому зростає концентрація молекул пари () і тиск насиченої пари розтане з двох причин (

3 1 - Ненасичена пара (ідеальний газ);

2 2 - насичений пар; 3 - Ненасичена пара,

1 отриманий з насиченої пари у тому ж

Об'єм при нагріванні.

2. Тиск насиченої пари при постійній температурі не залежить від об'єму, який він займає.

Зі збільшенням об'єму маса пари збільшується, а маса рідини зменшується (частина рідини переходить у пару), при зменшенні об'єму пари стає менше, а рідини більше (частина пари переходить у рідину), щільність і концентрація молекул насиченої пари залишаються постійними, отже, і тиск залишається постійним ().

рідина

(насич. пар + рідина)

Ненасич. пар

Насичені пари підпорядковуються газовим законам Бойля – Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, т.к. маса пари у процесах залишається постійної, проте газові закони отримані для постійної маси. До насиченої пари можна застосовувати рівняння стану ідеального газу.

Отже, насичену пару можна перевести в ненасичену пару, або нагріваючи її при постійному обсязі, або збільшуючи її за постійної температури. Ненасичену пару можна перевести в насичену пару або охолоджуючи її при постійному обсязі, або стискаючи її при постійній температурі.

Критичний стан

Наявність вільної поверхні рідини дає можливість вказати, де знаходиться рідка фаза речовини, а де газоподібна. Різка різниця між рідиною та її парою пояснюється тим, що щільність рідини у багато разів більша, ніж у пари. Якщо нагрівати рідину в герметично закритому посудині, то внаслідок розширення її щільність зменшуватиметься, а щільність пари над нею збільшуватиметься. Це означає, що різниця між рідиною та її насиченою парою згладжується і за досить високої температури зникає зовсім. Температура, при якій зникають відмінності у фізичних властивостях між рідиною та її насиченою парою, та їх щільності стають однаковими, називаєтьсякритичною температурою.

Критична точка

Для утворення рідини з газу середня потенційна енергія тяжіння молекул має перевищувати їхню середню кінетичну енергію.

Критична температура – максимальна температура, при якій пара перетворюється на рідину.Критична температура залежить від потенційної енергії взаємодії молекул і тому є різною для різних газів. Через сильну взаємодію молекул води водяну пару можна перетворити на воду навіть за температури . У той самий час зрідження азоту відбувається при температурі, меншої =-147˚ , т.к. молекули азоту слабо взаємодіють між собою.

Іншим макроскопічним параметром, що впливає перехід пар - рідина, є тиск. Зі зростанням зовнішнього тиску при стисканні газу зменшується середня відстань між частинками, зростає сила тяжіння між ними та відповідно середня потенційна енергія їхньої взаємодії.

Тискнасиченої пари при її критичній температурі називається критичним. Це найбільший можливий тиск насиченої пари даної речовини.

Стан речовини з критичними параметрами називається критичним(Критична точка) . У кожної речовини свої критичні температура та тиск.

У критичному стані перетворюються на нуль питома теплота пароутворення і коефіцієнт поверхневого натягу рідини. При температурах вище критичної, навіть за дуже великих тисках неможливе перетворення газу рідина, тобто. вище критичної температури рідина не може існувати. При надкритичних температурах можливий лише пароподібний стан речовини.

Зрідження газів можливе лише за температури нижче критичної температури. Для зрідження гази охолоджують до критичної температури, наприклад, при адіабатному розширенні, а потім стискають ізотермічно.

Кипіння

Зовні явище виглядає так:з усього об'єму рідини до поверхні піднімаються бульбашки, що швидко ростуть, на поверхні вони лопаються, і пара викидається в навколишнє середовище.

МКТ пояснює кипіння так:у рідині завжди є бульбашки повітря, у них із рідини відбувається випаровування. Замкнутий об'єм бульбашок виявляється заповненим не тільки повітрям, а й насиченою парою. Тиск насиченої пари в них при нагріванні рідини зростає швидше, ніж тиск повітря. Коли в досить нагрітій рідині тиск насиченої пари в бульбашках стає більше зовнішнього тиску, вони збільшуються в об'ємі, і сила, що виштовхує, перевершує їх силу тяжкості, піднімає бульбашки до поверхні. Спливлі бульбашки починають лопатися, коли при певній температурі тиск насиченої пари в них перевершує тиск над рідиною. Температура рідини, при якій тиск її насиченої пари в бульбашках дорівнює або перевищує зовнішній тиск на рідину, називається температурою кипіння.

Температура кипіння різних рідин різна, т.к. тиск насиченої пари в їх бульбашках порівнюється з тим самим зовнішнім тиском при різних температурах. Наприклад, тиск насиченої пари в бульбашках дорівнює нормальному атмосферному тиску у води при 100С, у ртуті при 357С, у спирту при 78С, в ефіру при 35С.

Температура кипіння в процесі кипіння залишається постійною,т.к. все тепло, яке підводиться до рідини, що нагрівається, витрачається на пароутворення.

Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску на рідину: із збільшенням тиску температура підвищується; із зменшенням тиску температура знижується.Наприклад, на висоті 5км над рівнем моря, де тиск в 2 рази нижче атмосферного, температура кипіння води 83С, в котлах парових машин, де тиск пари 15 атм. (), температура води близько 200?

Вологість повітря

У повітрі завжди є водяна пара, тому можна говорити про вологість повітря, яка характеризується такими величинами:

1.Абсолютна вологість- Це щільність водяної пари, що знаходиться в повітрі (або тиск, який ця пара створює ( ).

Абсолютна вологість не дає уявлення про рівень насичення повітря водяними парами. Одна і та ж кількість водяної пари при різній температурі створює різне відчуття вологості.

2.Відносна вологість- це відношення щільності (тиску) водяної пари, що міститься в повітрі при даній температурі, до щільності (тиску) насиченої пари при тій же температурі : або

- Абсолютна вологість при даній температурі; - щільність, тиск насиченої пари за тієї ж температури. Щільність і тиск насиченої водяної пари за будь-якої температури можна знайти в таблиці. З таблиці видно, чим вище температура повітря, тим більше повинні бути щільність і тиск водяної пари в повітрі, щоб вона була насиченою.

Знаючи відносну вологість, можна зрозуміти, на скільки відсотків водяна пара в повітрі при даній температурі далека від насичення. Якщо пара в повітрі насичена, то . Якщо , то до стану насичення повітря не вистачає пари.

Про те, що пара в повітрі стає насиченою, судять за появою вологи у вигляді туману, роси. Температура, при якій водяна пара в повітрі стає насиченою, називається точкою роси.

Пара в повітрі можна зробити насиченою, якщо додати пари за рахунок додаткового випаровування рідини, не змінюючи температури повітря, або при кількості пари в повітрі знизити її температуру.

Нормальна відносна вологість, найбільш сприятлива для людини 40 – 60%. Велике значення має знання вологості у метеорології для передбачення погоди. У ткацькому кондитерському виробництві для нормального перебігу процесу необхідна певна вологість. Зберігання творів мистецтва та книг потребує підтримки вологості повітря на необхідному рівні.

Прилади для визначення вологості:

1. Конденсаційний гігрометр (дозволяє визначити точку роси).

2. Волосний гігрометр (принцип дії заснований на залежності довжини знежиреного волосся від вологості) вимірює відносну вологість у відсотках.

3. Психрометр складається з двох термометрів сухого та зволоженого. Резервуар зволоженого термометра обмотаний тканиною, опущеною у воду. За рахунок випаровування тканини температура зволоженого нижче, ніж сухого. Різниця показань термометрів залежить від вологості навколишнього повітря: чим сухіше повітря, тим інтенсивніше випаровування з тканини, тим більша різниця показань термометрів і навпаки. Якщо вологість повітря 100%, показання термометрів однакові, тобто. різницю показань 0. Для визначення вологості за допомогою психрометра використовують психрометричну таблицю.

Плавлення та кристалізація

При плавленнітвердого тіла збільшується відстань між частинками, що утворюють кристалічну решітку, і відбувається руйнування самої ґрат. На процес плавлення потрібно витрачати енергію. При нагріванні твердого тіла зростає кінетична енергія молекул, що коливаються, і відповідно амплітуда їх коливань. При певній температурі, яка називається температурою плавлення,порушується порядок розташування частинок в кристалах, кристали втрачають свою форму. Речовина плавиться, переходячи з твердого стану в рідкий стан.

При кристалізаціївідбувається зближення молекул, що утворюють кристалічну решітку. Кристалізація може відбуватися лише тоді, коли рідина віддає енергію. При охолодженні розплавленої речовини середня кінетична енергія та швидкість молекул зменшуються. Сили тяжіння можуть утримувати частки біля положення рівноваги. При певній температурі, яка називається температурою затвердіння (кристалізації),всі молекули опиняються у положенні стійкої рівноваги, їхнє розташування стає впорядкованим – утворюється кристал.

Плавлення твердого тіла відбувається за тієї ж температури, за якої ця речовина твердне

Кожна речовина має температуру плавлення. Наприклад, температури плавлення у гелію -269,6С, у ртуті -38,9С, у міді 1083С.

Під час процесу плавлення температура залишається незмінною. Кількість теплоти, що підводиться ззовні, йде на руйнування кристалічної решітки.

Під час процесу затвердіння, незважаючи на те, що тепло відводиться, температура не змінюється. Енергія, що виділяється при кристалізації, витрачається на підтримку постійної температури.

Поки вся речовина не розплавиться чи вся речовина не затвердіє, тобто. поки існують спільно тверда та рідка фази речовини, температура не змінюється.

Тв.+жид. жид.+тв.

, де – кількість теплоти, - кількість теплоти, необхідне для розплавлення речовини, що виділяється при кристалізації речовини масою масою

- Питома теплота плавлення– кількість теплоти, необхідне плавлення речовини масою 1кг за нормальної температури плавлення.

Яка кількість теплоти витрачається при плавленні певної маси речовини, така кількість теплоти виділяється при кристалізації цієї маси.

Називається також питомою теплотою кристалізації.

При температурі плавлення внутрішня енергія речовини в рідкому стані більша від внутрішньої енергії такої ж маси речовини в твердому стані.

У значної частини речовин обсяг при плавленні збільшується, а щільність зменшується. При затвердінні навпаки обсяг зменшується, а щільність збільшується. Наприклад, кристали твердого нафталіну тонуть у рідкому нафталіні.

Деякі речовини, наприклад, вісмут, лід, галій, чавун та ін. При плавленні стискуються, а при затвердінні розширюються. Ці відхилення від загального правила пояснюються особливостями будови кристалічних ґрат. Тому вода виявляється щільнішою за льоду, лід плаває у воді. Розширення води під час замерзання веде до руйнації гірських порід.

Зміна обсягу металів під час плавлення та затвердіння має істотне значення у ливарній справі.

Досвід показує, що зміна зовнішнього тиску на тверду речовину відбивається на температурі плавлення цієї речовини. p align="justify"> Для тих речовин, які при плавленні розширюються, збільшення зовнішнього тиску призводить до підвищення температури плавлення, т.к. ускладнює процес плавлення. Якщо ж речовини при плавленні стискуються, то їм збільшення зовнішнього тиску веде до зниження температури плавлення, т.к. допомагає процесу плавлення. Тільки дуже велике збільшення тиску помітно змінює температуру плавлення. Наприклад, щоб знизити температуру плавлення льоду на 1С, тиск потрібно підвищити на 130 атм. Температуру плавлення речовини за нормального атмосферного тиску називають точкою плавлення речовини.