Парообразование и конденсация. Кипение. Зависимость температуры кипения жидкости от давления. Точка росы

Лекция №

ТЕМА: Парообразование и конденсация. Кипение. Зависимость

температуры кипения жидкости от давления. Точка росы.

План

1. Парообразование и конденсация.

2. Испарение.

3. Насыщенный пар и его свойства.

4. Кипение. Зависимость tкип от давления.

5. Перегретый пар и его применение. Критическое состояние вещества.

6. Влажность воздуха.

1. XIX в. называют «веком пара», так как в это время широкое распространение получили тепловые машины, рабочим веществом которых был пар. В наше время паровые турбины находят применение на теплоэлектростанциях. Для того, чтобы построить такие машины и повысить их ККД необходимо знать свойства рабочего вещества – пара.

Свойства пара используются в разных приборах. Изучение свойств пара привело к возможности получить сжиженные газы и их широкому применению.

Знания о свойствах паров необходимы и в метеорологии.

Таким образом, изучение данного материала имеет большое практическое значение.

Парообразование и конденсация.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется – конденсацией.

Парообразование сопровождается U; конденсация сопровождается U

испарения

Парообразование

происходит в виде кипения

2. Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, которая является границей с газообразной средой или с вакуумом, называется испарением.

Испарение происходит при любой температуре; со свободной поверхности жидкости отлетают молекулы, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии взаимодействия.

Ек< Ек2> Ек1

Чтобы выйти из жидкости, молекула должна выполнить работу за счет уменьшения своей Ек . Покинуть жидкость могут лишь молекулы, у которых Ек > Авыхода (работа, которая выполняется из преодоления сил притяжения между молекулами). Так как жидкость покидают лишь молекулы с большой Ек, а остаются с малой Ек, то среднее значение энергии Е для молекул, которые остаются уменьшается, то есть жидкость охлаждается. Например: этим объясняется холод при выходе из воды; если дуть на ладонь.

Наряду с этим существуют молекулы, которые возвращаются в жидкость, передавая ей часть своей кинетической энергии – Ек , при этом внутренняя энергия жидкости увеличивается (жидкость нагревается).

ИСПАРЕНИЕ КОНДЕНСАЦИЯ ПРОИСХОДЯТ ОДНОВРЕМЕННО.

- Если преобладает испарение – жидкость охлаждается.

- Если преобладает конденсация – жидкость нагревается.

Скорость испарения зависит:

1. От рода жидкости (эфир, вода).

2. От площади свободной поверхности.

3. С Т скорость испарения возрастает.

4. Чем меньше плотность пара жидкости над ее поверхностью, тем больше скорость испарения.

3. Пары, которые насыщают и не насыщают пространство.

а). В открытом сосуде преобладает процесс испарения,

так как пар относится движением воздуха.

б). В герметично закрытом сосуде количество

молекул, которые покидают жидкость за единицу

времени = количеству молекул, которые

возвращаются в жидкость за то же самое время

(конденсация), то есть наступает динамическое

равновесие. при Т = const

Пар, который находится в состоянии подвижного (динамического) равновесия со своей жидкостью, называется паром, насыщающим пространство, или насыщенным паром.

Именно такой пар содержится над поверхностью жидкости в закрытом сосуде. Давление насыщенного пара зависит только от температуры.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда процесс испарения преобладает над процессом конденсации, и пар при отсутствии жидкости называется ненасыщенным паром.

Свойства паров, насыщающих пространство: ЕПОС, рпара

1. Давление и плотность насыщенного пара зависит от его Т.

2. Не подчиняется закону Шарля (так как mconst, V = const) и масса насыщенного пара при изохоричном процессе изменяются.

3. Не выполняется закон Бойля - Мариотта (Т = const), при Т = cons рнас пара не зависит от объема, плотность насыщенного пара не изменяется (так как масса газа насыщенного пара изменяется).

Свойства паров, ненасыщающих пространство.

К ненасыщенному пару можно применить законы идеального газа лишь в тех случаях, когда пар далек от насыщенности.

Насыщенный пар возможно превратить в ненасыщенный – изохоричным нагревом (изотермическое расшрение).

Ненасыщенный насыщенный – путем изохоричного охлаждения (изотермическое сжатие).

Опыты показывают, если пар не сталкивается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщенным, а жидкость при этом так и не образуется. Такой пар называется перенасыщенным. Объясняется это тем, что для образования пара в жидкости необходимы центры конденсации. Обычно, то пылинки или «+» ионы, которые притягивают к себе молекулы пара, что ведет к образованию маленьких капелек.

4. ПРОЦЕСС КИПЕНИЯ.

Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре, называется кипением.

При кипении во всем объеме жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура остается неизменной (Т=const).

Условие кипения – кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

В жидкости всегда существует растворимый газ, который выделяется на дне и стенках сосуда.

С повышением температуры, давление насыщенного пара возрастает, пузырек растет в объеме и под действием Fарх всплывает, если t поверхностного слоя жидкости ниже, в пузырьке газ конденсируется, давление падает, пузырек захлопывается (микровзрыв). Этим поясняется шум воды, перед тем как она начинает закипать.

Когда температура жидкости сравнивается, пузырек всплывает на поверхность.

ЗАВИСИМОСТЬ Ткип ОТ ДАВЛЕНИЯ:

1. Чем выше внешнее давление, тем выше Т кипения.

Например. Паровой котел: р = 1,6 · 106 Па, а вода не кипит даже при 200°С (автоклав).

2. Уменьшение внешнего давления ведет к снижению Ткип.

Например. Горы: h = 7134 м ; р = 4·104 Па; tводы = 70°С

3. У каждой жидкости своя Ткип , которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже Ткип соответствующей жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении наз. точкой кипения (норм условия : t = 0°С , р = 760 мм рт ст. = 101300 Па, Мвозд = 0,029 кг/моль).

? Как рассчитать количество теплоты, необходимой для превращения жидкости в пар?

Qжид = сm (tкип – t1); Qпар = m·r ; Q = Qжид + Qп = сm (tкип – t1) + m·r

r- Количество теплоты, которая необходима для превращения 1кг жидкости в пар (или пара в жидкость), при постоянной температуре, которая равна температуре кипения называется удельной теплотой парообразования. (Qпар = m·r)

r – Зависит: 1. От рода вещества.

2. От внешних условий.

отдан = получ уравнение теплового баланса

Перегретый пар и его применение.

Пар, который получают „в чане”, потом нагревают до высокой температуры, а потом уже направляют в паровую турбину, называют сухим или перегретым. Так как вместе с температурой увеличивается давление пара, то сильно перегретый пар называют паром высокого давления.

После того, как пар выполнит работу в турбине, он еще имеет высокую температуру и большой запас энергии. Поэтому с (ТЭЦ) отработанный пар передается на предприятия и жилые дома для отопления.

Критическое состояние вещества.

Чтобы перевести пар в жидкость, необходимо повысить давление и снизить его температуру.

грани не видно

Так как 1> 2

При увеличении температуры плотность уменьшается для жидкости, а плотность пара возрастает, и различие между ними становится менее заметным. Если температура будет очень высокой, грань исчезнет.

Критической температурой (tкр) вещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность насыщенного пара становятся одинаковыми.

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его tкр наз. критическим давлением.

При критической температуре свойства жидкости и насыщенного пара становятся неразличимыми, это означает, что при tкр вещество может существовать только в одном состоянии, которое называют газообразным и в этом случае никаким увеличением давления превратить его в жидкость невозможно. Если вещество находится при tкр и ркр, то ее состояние называют критическим состоянием.

СЖАТИЕ ГАЗОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ.

Газ возможно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической (Остан 1908- гелий).

В машинах для сжатия газов используются охлажденные газы в процессе их адиабатического расширения. Предварительно газ сильно сжимают компрессором, теплота отводится. В процессе адиабатического расширения сам газ выполняет работу и еще больше охлаждается. Превращается в жидкость. Сжатые газы сохраняют в сосудах Дьюара. Это сосуд с двойными стенками, между которыми – вакуум, для уменьшения теплопроводности стенки покрыты ртутной амальгамой. Жидкие газы широко применяют в промышленности и научных опытах.

Свойства вещества изменяются при низких температурах:

- свинец становится упругим;

- резина – хрупкой.

Изучение свойств вещества при низких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

В воздухе всегда содержится определенное количество водяного пара. Если водяного пара много, мы говорим, что воздух влажный, если мало – сухой.

Величина, характеризующая содержание водяных паров в разных частях атмосферы Земли называется влажностью воздуха.

Давление, которое оказывал бы водяной пар, если бы остальные газы отсутствовали, наз. парциальным давлением водяного пара.

Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется плотность водяного пара или давление пара, который находится в воздухе /1м/при данной температуре.

Относительной влажностью воздуха называется отношение парциального давления водяного пара, который содержится в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре.

- Относительная влажность воздуха показывает, сколько % составляет абсолютная влажность а от плотности водяного пара н, насыщенного воздуха при данной температуре.

а - плотность водяного пара

н - плотность насыщенного пара

Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения, становится насыщенным водяным паром, называют точкой росы.

Приборы для определения влажности воздуха: гигрометр и психрометр.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение процессов парообразования и конденсации?

2. Какими путями происходит процесс парообразования?

3. Поясните принцип охлаждения и нагрева жидкости.

4. От чего зависит скорость испарения жидкости?

5. Что такое динамическое равновесие?

6. Кипение – это ….?

7. При каком условии какая-либо жидкость начинает кипеть?

8. Как зависит температура кипения вещества от давления?

9. Как рассчитать количество теплоты, необходимой для преобразования жидкости в пар?

10. Влажность воздуха - это …

11. Как рассчитать относительную влажность воздуха?

12. Дайте определение точки росы.

Литература

1. Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навч. посіб..- К.: Техніка, 2008.-648 с.: іл..( §63 -§67, §69-70)

2. Владкова Р.А., Добронравов В.Є., Збірник задач і питань з фізики: Навч. посіб.- М.: Наука, 1988.-384 с.

Вопросы для закрепления темы.(ответить усно)

1. Почему мокрое белье, скошенная трава высыхают быстрее в ветреную погоду

2. Почему температура воды в открытых водоемах летом всегда ниже

температуры окружающей среды?

3. Почему человек, который вышел из воды, ощущает холод, и в ветреную погоду

это ощущение сильнее?

4. Чем объяснить, что в резиновой одежде тяжело переносить жару?

Такая одежда не дает влаге, которая образовалась под ней, испаряться в

окружающий воздух, организм человека перегревается.

5. Может ли испаряться твердое тело?

6. Почему вода тушит огонь? Что быстрее потушит пламя – кипяток или

холодная вода?

7. Почему барометр «падает» перед дождем

8. Как изменяется абсолютная и относительная влажность воздуха при его

нагреве?

Парообразование и конденсация. Кипение. Зависимость температуры кипения жидкости от давления. Точка росы