Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

Идеальный газ нельзя превратить в жидкость. В жидкость превращается реальный газ. Как это происходит? Чем газ отличается от пара? 
Поставим рядом 2 флакона с духами. Первый – хорошо закрытый флакон с духами может стоять очень долго, и количество духов в нем не изменится. Второй флакон оставим открытым. Взглянув на него через  продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нем нет. Почему? Жидкость, в которой растворены ароматические вещества, испарилась. 
Вспомните, как исчезает - испаряется (высыхает) лужа на асфальте? Мы не видим куда делась вода из лужи, но знаем, что, если высокая температура воздуха и дует ветер, то вода в луже испарится быстрее. Попробуем объяснить эти явления.

Молекулы жидкости двигаются беспорядочно. Чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической  энергии молекул при заданной температуре имеет определенное значение. Но у каждой молекулы кинетическая энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше средней. В какой-то момент кинетическая энергия отдельных молекул становится очень большой, и молекулы  вылетают из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул. Процесс превращения жидкости в пар называется испарением. 
При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определенный промежуток времени, больше числа молекул возвращающихся.
Вылетевшая молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость. Если дует ветер, то он быстро относит молекулы от поверхности жидкости, тем самым уменьшая вероятность возвращения молекул в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.
Чем выше температура жидкости, тем быстрее движутся молекулы, приобретая достаточную кинетическую энергию для вылета из жидкости, причем таких молекул с каждым моментом времени становится все больше. Поэтому при высоких температурах испарение идет быстрее.
При испарении жидкость покидают более быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. Это означает, что происходит понижение температуры жидкости. Рассмотрим несколько примеров.
1.    Вы искупались и вышли из воды, вам становится холодно, потому что частицы воды испаряются, а у остальных понижается температура.
2.    Смочив руку какой-нибудь быстро испаряющейся жидкостью (например, бензином или ацетоном), вы тут же почувствуете сильное охлаждение смоченного места. Охлаждение этого места усилится, если на руку подуть.

3.    Вы налили в стакан горячий чай. Через некоторое время он остынет. Но здесь стоит сделать небольшую оговорку. В данном опыте происходит охлаждение воды не только в результате испарения воды, но и в результате теплообмена со стаканом и с окружающей средой.

Процесс испарения также зависит от площади поверхности жидкости, так как испарение происходит со свободной поверхности жидкости.
Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение ее будет происходить гораздо медленнее. Например, жирный суп  остывает дольше, так как слой жира на его поверхности мешает выходу быстрых молекул воды. Жидкость почти не испаряется, и ее температура падает медленно (сам жир испаряется крайне медленно, так как его большие молекулы более прочно сцеплены друг с другом, чем молекулы воды).
Нам необходимо, чтобы жидкость нагрелась, а не испарилась.   Что мы для этого сделаем?
Сосуд с жидкостью плотно закроем. Тогда  количество жидкости в сосуде сначала уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. Почему? При постоянной температуре система жидкость - пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. В результате чего, в сосуде одновременно с процессом испарения будет происходить и конденсация, оба процесса в среднем будут компенсировать 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. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно 1022 молекул за время, равное 1 с (на 1 см2 площади поверхности). Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это значит, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Если воздух из сосуда с жидкостью предварительно откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только ее насыщенный пар.
Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, сохраняя температуру содержимого цилиндра постоянной. При сжатии пара равновесие начнет нарушаться, так как плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ, потому что число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет. 

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие, и концентрация его молекул не примет прежних своих значений. Делаем вывод: концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.
Давление пропорционально концентрации молекул: p=nkT.

Из этого определения видно, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.
Давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара, обозначают Пэ с индексом н. п.(эн пэ)
При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.
Особое внимание обратим на то, что газовые законы для насыщенного пара несправедливы, так как при любом объеме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково. Однако, состояние насыщенного пара очень точно описывается уравнением Менделеева - Клапейрона.
Если пар постепенно сжимают, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют ненасыщенным. Так как пар превращается в жидкость не при любой температуре, то при температуре выше некоторого значения, как бы мы ни сжимали газ, он никогда не превратится в жидкость. Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется  критической температурой.
Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость - паром. Каждому веществу соответствует своя критическая температура.
У гелия критическая температура 4 кельвина.
У азота критическая температура 126 Кельвин.
Вывод: пар может превратиться в жидкость, а газ нет.
Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны. 

•  С ростом температуры давление растёт. Так как давление насыщенного пара не зависит от объёма, то, следовательно, оно зависит только от температуры.
•  При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление насыщенного пара растет вследствие повышения температуры  и увеличения концентрации молекул(плотности) пара.

Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры в закрытом сосуде (или при изменении объёма при постоянной температуре) меняется масса пара.

Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.
Если мы будем нагревать жидкость, то при определенной температуре она закипит. Кипение - превращение жидкости в пар по всему объёму жидкости при постоянной температуре. Если говорить точнее, то происходит образование пара не только на поверхности, но и внутри жидкости. На рисунках видно образование пузырьков газа на дне сосуда, которые затем поднимаются вверх, а на поверхности воды они покидают жидкость.
Каждая жидкость имеет свою температуру кипения. Однако ее можно изменить, если изменить давление.

•  Жидкость кипит тогда, когда давление её насыщенного пара = внешнему давлению. 
•  Температура кипения - температура жидкости, при которой давление её насыщенного пара равно или превышает внешнее давление. 

Особенности жидкости при кипении: 
1) при постоянном внешнем давлении температура жидкости постоянна, 
2) с повышением внешнего давления температура кипения повышается, с понижением – понижается,
3) температура кипения зависит от наличия примесей.
Наглядным примером изменения температуры кипения может служить:
-  кипение воды при нормальном атмосферном давлении 760 миллиметров ртутного столба,
- кипение воды в горах, там воздух разреженный и вода будет кипеть при более низкой температуре. Например, на высоте 7000 метров – температура кипения воды равна примерно 70 градусов Цельсия.