Поскольку насыщенный пар представляет собой один из компонентов термодинамически равновесной системы гомогенного по составу, но различного по фазовым фракциям вещества, то понимание влияния отдельных физических факторов на величину создаваемого им давления позволяют использовать эти знания в практической деятельности, например, при определении скорости выгорания тех или иных жидкостей в случае возгорания и пр.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры
Давление насыщенного пара становится тем больше, чем больше увеличивается температура. При этом изменение величин не является прямо пропорциональным, а происходит значительно быстрее. Это связано с тем, что с увеличением температуры ускоряется движение молекул относительно друг друга и им легче преодолеть силы взаимного притяжения и перейти в иную фазу, т.е. количество молекул в жидком состоянии уменьшается, а в газообразном возрастает до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Это увеличивающееся давление и обусловливает поднимание крышки в кастрюле или , когда начинает закипать вода.
Зависимость давления насыщенного пара от других факторов
На величину давления насыщенного пара оказывает влияние и количество перешедших в газообразное состояние молекул, так как их число определяет массу образующегося пара в закрытом сосуде. Эта величина не является постоянной, так как при разности температур дна сосуда и закрывающей его крышки постоянно происходят два взаимно противоположных процесса – парообразование и конденсация.
Поскольку для каждого вещества при определённой температуре существуют известные показатели перехода определённого количества молекул из одной фазы состояния вещества в другую, то изменить величину давления насыщенного пара можно путём изменения объёма сосуда. Так, один и тот же объём воды, например 0,5 л, создаст разное по величине давление в пятилитровой канистре и чайнике.
Определяющим фактором для определения справочной величины давления насыщенного пара при неизменном объёме и постепенном повышении температуры является молекулярная структура самой жидкости, подвергаемой нагреванию. Так, показатели для ацетона, спирта и обычной воды будут существенно отличаться друг от друга.
Чтобы увидеть процесс кипения жидкости необходимо не только довести давление насыщенного пара до определённых пределов, но и соотнести эту величину с внешним атмосферным давлением, так как процесс кипения возможен только в том случае, когда давление снаружи выше давления внутри сосуда.
На этом уроке мы разберём свойства несколько специфичного газа - насыщенного пара. Мы дадим определение этому газу, укажем, чем он принципиально отличается от идеальных газов, рассмотренных нами ранее, и, конкретнее, чем отличается зависимость давления насыщенного газа. Также в этом уроке будет рассмотрен и описан такой процесс, как кипение.
Для понимания отличий насыщенного пара от идеального газа нужно представить себе два опыта.
Во-первых, возьмём герметично закрытый сосуд с водой и начнём его нагревать. С увеличением температуры молекулы жидкости будут иметь всё большую кинетическую энергию, и всё большее количество молекул сможет вырваться из жидкости (см. рис. 2), следовательно, будет расти концентрация пара и, следовательно, его давление. Итак, первое положение:
Давление насыщенного пара зависит от температуры
Рис. 2.
Однако, это положение вполне ожидаемо и не столь интересно, как следующее. Если поместить жидкость с её насыщенным паром под подвижный поршень и начать этот поршень опускать, то, несомненно, концентрация насыщенного пара увеличится из-за уменьшения объёма. Однако через некоторое время пар перейдёт с жидкостью к новому динамическому равновесию путём конденсации лишнего количества пара, и давление в конце концов не поменяется. Второе положение теории насыщенного пара:
Давление насыщенного пара не зависит от объёма
Теперь же следует отметить тот факт, что давление насыщенного пара хоть и зависит от температуры, как и идеальный газ, но характер этой зависимости несколько иной. Дело в том, что, как мы знаем из основного уравнения МКТ, давление газа зависит как от температуры, так и от концентрации газа. И поэтому давление насыщенного пара зависит от температуры нелинейно до тех пор, пока увеличивается концентрация пара, то есть пока вся жидкость не испарится. На приведённом ниже графике (рис. 3) показан характер зависимости давления насыщенного пара от температуры,
Рис. 3
причём переход от нелинейного участка к линейному как раз и означает точку испарения всей жидкости. Так как давление насыщенного газа зависит только от температуры, возможно абсолютно однозначно установить, какое будет давление насыщенного пара при заданной температуре. Эти соотношения (а также значения плотности насыщенного пара) занесены в специальную таблицу.
Обратим теперь наше внимание на такой важный физический процесс, как кипение. В восьмом классе уже давалось определение кипению как процессу парообразования более интенсивному, нежели испарение. Теперь же мы несколько дополним это понятие.
Определение. Кипение - процесс парообразования, протекающий по всему объёму жидкости. Каков же механизм кипения? Дело в том, что в воде всегда есть растворённый воздух, а в результате увеличения температуры его растворимость уменьшается, и образуются микропузырьки. Так как дно и стенки сосуда не идеально гладкие, эти пузырьки цепляются за неровности внутренней стороны сосуда. Теперь раздел вода-воздух существует не только у поверхности воды, но и внутри объёма воды, и в пузырьки начинают переходить молекулы воды. Таким образом, внутри пузырьков появляется насыщенный пар. Далее эти пузырьки начинают всплывать, увеличиваясь в объёме и принимая большее количество молекул воды внутрь себя, а у поверхности лопаются, выбрасывая насыщенный пар в окружающую среду (рис. 4).
Рис. 4. Процесс кипения ()
Условием же образования и всплытия этих пузырьков является следующее неравенство: давление насыщенного пара должно быть больше или равняться атмосферному давлению.
Таким образом, так как давление насыщенного пара зависит от температуры, температура кипения определяется давлением окружающей среды: чем оно меньше, тем при более низкой температуре закипает жидкость, и наоборот.
На следующем уроке мы начнём рассматривать свойства твёрдых тел.
Список литературы
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.
- Physics.ru ().
- Chemport.ru ().
- Narod.ru ().
Домашнее задание
- Стр. 74: № 546-550. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. - М.: Дрофа, 2013. ()
- Почему альпинисты не могут сварить яйца на высоте?
- Какие вы можете привести способы остудить горячий чай? Обоснуйте их с точки зрения физики.
- Почему следует ослаблять газовый напор на конфорке после закипания воды?
- *Каким образом можно добиться нагревания воды выше ста градусов по Цельсию?
Билет №1
Насыщенный пар.
Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то сначала количество жидкости уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. При неизменной температуре система жидкость - пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. Одновременно с процессом испарения происходит и конденсация, оба процесса в среднем компенсируют друг друга.
В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, жидкость будет испаряться и плотность пара над ней будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре установится динамическое (подвижное) равновесие между жидкостью и паром, т. е. число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это определение подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.
Давление насыщенного пара.
Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной.
При сжатии пара равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Ведь число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет. Процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а значит, и концентрация его молекул не примут прежних своих значений. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.
Так как давление пропорционально концентрации молекул (p=nkT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.
Давление p н.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры
Состояние насыщенного пара, как показывает опыт, приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление определяется формулой
С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.
Однако
зависимость р н.п.
от
Т, найденная экспериментально, не
является прямо пропорциональной, как
у идеального газа при постоянном объеме.
С увеличением температуры давление
реального насыщенного пара растет
быстрее
,
чем давление идеального газа (рис.
участок кривой 12). Почему
это происходит?
При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле Р = nкТ давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации.
(Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.)
Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис., участок кривой 23).
Кипение.
Кипение – это интенсивный переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящее по всему объему жидкости (а не только с ее поверхности). (Конденсация – обратный процесс.)
По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар.
При каких условиях начинается кипение?
В
жидкости всегда присутствуют растворенные
газы, выделяющиеся на дне и стенках
сосуда, а также на взвешенных в жидкости
пылинках, которые являются центрами
парообразования. Пары жидкости,
находящиеся внутри пузырьков, являются
насыщенными. С увеличением температуры
давление насыщенных паров возрастает
и пузырьки увеличиваются в размерах.
Под действием выталкивающей силы они
всплывают вверх. Если верхние слои
жидкости имеют более низкую температуру,
то в этих слоях происходит конденсация
пара в пузырьках. Давление стремительно
падает, и пузырьки захлопываются.
Захлопывание происходит настолько
быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь,
производят нечто вроде взрыва. Множество
таких микровзрывов создает характерный
шум. Когда жидкость достаточно прогреется,
пузырьки перестанут захлопываться и
всплывут на поверхность. Жидкость
закипит. Понаблюдайте внимательно за
чайником на плите. Вы обнаружите, что
перед закипанием он почти перестает
шуметь.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.
Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.
Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре.
У каждой жидкости своя температура кипения (которая остается постоянной, пока вся жидкость не выкипит), которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости.
Удельная теплота парообразования.
Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:
где m - масса жидкости (кг),
L - удельная теплота парообразования (Дж/кг)
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
Влажность воздуха и ее измерение.
В окружающем нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров. Влажность воздуха зависит от количества водяного пара, содержащегося в нем.
Сырой воздух содержит больший процент молекул воды, чем сухой.
Большое значение имеет относительная влажность воздуха, сообщения о которой каждый день звучат в сводках метеопрогноза.
О
тносительная
влажность - это отношение плотности
водяного пара, содержащегося в воздухе,
к плотности насыщенного пара при данной
температуре, выраженное в процентах.
(показывает, насколько водяной пар в
воздухе близок к насыщению)
Точка росы
Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщению.
Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.
Признаком того, что пар насытился является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости - росы.
Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.
Точка росы также характеризует влажность воздуха.
Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе, сырость в подвалах домов.
Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы - гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический. Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.
Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения. Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге испаряться .
В
психрометре есть два термометра. Один
- обычный, его называют сухим. Он измеряет
температуру окружающего воздуха. Колба
другого термометра обмотана тканевым
фитилем и опущена в емкость с водой.
Второй термометр показывает не температуру
воздуха, а температуру влажного фитиля,
отсюда и название увлажненный термометр.
Чем меньше влажность воздуха, тем
интенсивнее испаряется влага из фитиля,
тем большее количество теплоты в единицу
времени отводится от увлажненного
термометра, тем меньше его показания,
следовательно, тем больше разность
показаний сухого и увлажненного
термометров.насыщения
= 100 °С и удельные характеристики состояния насыщенной
жидкости и сухого насыщенного
пара
v"=0,001 v""=1,7 ... влажный насыщенный
пар
со степенью сухости Вычисляем экстенсивные характеристики влажного насыщенного
пара
по...
Анализ промышленной опасности при эксплуатации системы улавливания паров нефти при сливе из цист
Реферат >> БиологияПределы воспламенения (по объему). Давление насыщенных паров при Т = -38 оС... воздействию солнечной радиации, концентрация насыщения будет определяться ни температурой... воздействию солнечной радиации, концентрация насыщения будет определяться ни температурой...
>>Физика: Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение
Жидкость не только испаряется. При некоторой температуре она кипит.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры
. Состояние насыщенного пара, как показывает опыт (мы говорили об этом в предыдущем параграфе), приближенно описывается уравнением состояния идеального газа (10.4), а его давление определяется формулой
С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.
Однако зависимость р н.п.
от Т
, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (рис.11.1
, участок кривой АВ
). Это становится очевидным, если провести изохоры идеального газа через точки А
и В
(штриховые прямые). Почему это происходит?
При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле (11.1) давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара
. В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.
Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис.11.1
, участок кривой ВС
).
.
По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. При каких условиях начинается кипение?
В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы обнаружите, что перед закипанием он почти перестает шуметь.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.
Обратим внимание на то, что испарение жидкости происходит при температурах, меньших температуры кипения, и только с поверхности жидкости, при кипении образование пара происходит по всему объему жидкости.
Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.
Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения
. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 10 6 Па, вода не кипит и при температуре 200°С. В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах - автоклавах (рис.11.2
) кипение воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения жидкости значительно выше 100°С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов и др.
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения . Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис.11.3 ). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70°С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному . Например, при температуре кипения 100°С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути - всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при температуре 357°С при нормальном давлении.
Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится равно давлению внутри жидкости.
???
1. Почему температура кипения возрастает с увеличением давления?
2. Почему для кипения существенно повышение давления насыщенного пара в пузырьках, а не повышение давления имеющегося в них воздуха ?
3. Как заставить закипеть жидкость, охлаждая сосуд? (Вопрос этот непростой.)
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
