Концентрация паров воды сосуде
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.
Более подробно здесь
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 pн.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 Р = nкТ С
ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не
зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры. Однако
зависимость рн.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.
Заполни опорный конспект Контрольные вопросы
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.
Относительная 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. Определив
разность показаний сухого и увлажненного термометров, по специальной таблице,
расположенной на психрометре, находят значение относительной влажности.
Источник: https://5fan.ru/wievjob.php?id=1361
Источник
1. Испарение и конденсация
Как вы знаете, жидкости испаряются, то есть превращаются в пар. Например, лужи после дождя высыхают. Испарение жидкости обусловлено тем, что некоторые ее молекулы благодаря толчкам своих «соседей» приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости.
В результате испарения над поверхностью жидкости всегда находится пар, Это газообразное состояние вещества. Водяной пар невидим, как и воздух. То, что часто называют паром, представляет собой скопление крошечных водяных капелек, образовавшихся вследствие конденсации пара.
Конденсация – это превращение пара в жидкость, то есть процесс, противоположный испарению. Вследствие конденсации содержащегося в воздухе водяного пара образуются облака (рис. 44.1) и туман (рис. 44.2). Холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом (рис. 44.3). Это тоже результат конденсации водяного пара.
Динамическое равновесие
Если банку с водой плотно закрыть, уровень воды в ней остается неизменным в течение многих месяцев.
Означает ли это, что в закрытом сосуде жидкость не испаряется?
Нет, конечно: в ней всегда есть достаточно быстрые молекулы, которые непрестанно вылетают из жидкости. Однако одновременно с испарением идет конденсация: молекулы из пара влетают обратно в жидкость.
Если уровень жидкости со временем не изменяется, это означает, что процессы испарения и конденсации идут с одинаковой интенсивностью. В таком случае говорят, что жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.
2. Насыщенный и ненасыщенный пар
Насыщенный пар
На рисунке 44.4 схематически изображены процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.
Ненасыщенный пар
Если сосуд с жидкостью открыть, пар начнет выходить из сосуда наружу. Вследствие этого концентрация пара в сосуде уменьшится, и молекулы пара будут реже сталкиваться с поверхностью жидкости и влетать в нее. Поэтому интенсивность конденсации уменьшится.
А интенсивность испарения остается прежней. Поэтому уровень жидкости в сосуде начнет понижаться. Если процесс испарения идет быстрее, чем процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасыщенный пар (рис. 44.5).
В воздухе всегда есть водяной пар, но обычно он является ненасыщенным, поэтому испарение преобладает над конденсацией. Поэтому лужи и высыхают.
Над поверхностью морей и океанов пар также ненасыщенный, поэтому они постепенно испаряются. Почему же уровень воды при этом не понижается?
Дело в том, что поднимающийся вверх пар охлаждается и конденсируется, образуя облака и тучи. Они превращаются в дождевые тучи и проливаются дождями. А реки несут воду обратно в моря и океаны.
3. Зависимость давления насыщенного пара от температуры
Главное свойство насыщенного пара состоит в том, что
давление насыщенного пара не зависит от объема, а зависит только от температуры.
Это свойство насыщенного пара не так легко понять, потому что оно кажется противоречащим уравнению состояния идеального газа
pV = (m/M)RT, (1)
из которого следует, что для донной массы газа при постоянной температуре давление обратно пропорционально объему. Может быть, для насыщенного пара это уравнение неприменимо?
Ответ таков: уравнение состояния идеального газа хорошо описывает пар – как насыщенный, так и ненасыщенный. Но стоящая в правой части уравнения (1) масса насыщенного пара m при изотермическом расширении или сжатии изменяется – причем так, что давление насыщенного пара остается неизменным. Почему так происходит?
Дело в том, что при изменении объема сосуда пар может оставаться насыщенным только при условии, что в этом же сосуде находится «его» жидкость. Увеличивая изотермически объем сосуда, мы как бы «вытягиваем» из жидкости молекулы, которые становятся молекулами пара (рис. 44.6, а).
Происходит это вот почему. При увеличении объема пара его концентрация вначале уменьшается – но на очень короткий промежуток времени. Как только пар становится ненасыщенным, испарение находящейся в этом же сосуде жидкости начинает «опережать» конденсацию. В результате масса пара быстро возрастает, пока он снова не станет насыщенным. Давление пара при этом снова станет прежним.
? 1. Используя рисунок 44.6, б, объясните, почему при уменьшении объема насыщенного пара его масса уменьшается.
Итак, при расширении или сжатии насыщенного пара его масса изменяется за счет изменения массы содержащейся в этом же сосуде жидкости.
Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры измерена на опыте. График этой зависимости приведен на рисунке 44.7. Мы видим, что давление насыщенного пара очень быстро увеличивается с ростом температуры.
Главная причина увеличения давления насыщенного пара с ростом температуры – увеличение массы пара. Как вы сами убедитесь, выполняя следующее задание, при увеличении температуры от 0 ºС до 100 ºС масса насыщенного пара в одном и том же объеме увеличивается более чем в 100 раз!
В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при некоторых значениях температуры.
Эта таблица поможет вам при выполнении следующего задания. Воспользуйтесь также формулой (1).
? 2. В герметически закрытом сосуде объемом 10 л находятся вода и насыщенный пар. Температуру содержимого сосуда повышают от 0 ºС до 100 ºС. Считайте, что объемом воды по сравнению с объемом пара можно пренебречь.
а) Во сколько раз увеличилась абсолютная температура?
б) Во сколько раз увеличилось бы давление пара, если бы он остался насыщенным?
в) Во сколько раз увеличилась бы масса пара, если бы он остался насыщенным?
г) Какой стала бы масса пара в конечном состоянии, если бы он остался насыщенным?
д) При какой минимальной массе воды в начальном состоянии пар останется насыщенным?
е) Каким будет давление пара в конечном состоянии, если начальная масса воды будет в 2 раза меньше найденной в предыдущем пункте?
? 3. Что увеличивается с ростом температуры быстрее – давление насыщенного пара или его плотность?
Подсказка. Формулу (1) можно записать в виде
p = (ρ/M)RT.
? 4. Пустой герметически закрытый сосуд объемом 20 л заполнили насыщенным водяным паром при температуре 100 ºС.
а) Чему равно давление пара?
б) Чему равна масса пара?
в) Чему равна концентрация пара?
г) Каким станет давление пара, когда он остынет до 20 ºС?
д) Чему равны массы пара и воды при 20 ºС?
Подсказка. Воспользуйтесь приведенной выше таблицей и формулой (1).
4. Кипение
По приведенным выше графику (рис. 44 7) и таблице вы, наверное, заметили, что при температуре кипения воды (100 ºС) давление насыщенного водяного пара как раз равно атмосферному (пунктир на графике 44.7). Случайно ли это совпадение?
Нет, не случайно. Рассмотрим процесс кипения.
Поставим опыт
Будем нагревать воду в открытом прозрачном сосуде. Скоро на стенках сосуда появятся пузырьки. Это выделяется растворенный в воде воздух.
Внутрь этих пузырьков начинает испаряться вода, и пузырьки заполняются насыщенным паром. Но расти эти пузырьки не могут, пока давление насыщенного пара меньше давления в жидкости. В открытом неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно атмосферному давлению.
Продолжим нагревать воду. Давление насыщенного пара в пузырьках с ростом температуры быстро увеличивается. И как только оно станет равным атмосферному давлению, начнется интенсивное испарение жидкости внутрь пузырьков.
Они будут быстро расти, подниматься вверх и лопаться на поверхности жидкости (рис. 44.8). Это и есть кипение.
В неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно внешнему давлению. Поэтому мы можем сказать, что
кипение жидкости происходит при температуре, при которой давление pн насыщенного пара равно внешнему давлению pвнеш:
pн = pвнеш. (2)
Отсюда следует, что температура кипения зависит от давления. Поэтому ее можно изменять, изменяя давление жидкости. С увеличением давления температура кипения жидкости повышается. Это используют, например, для стерилизации медицинских инструментов: воду кипятят в специальных приборах – автоклавах, где давление в 1,5–2 раза выше нормального атмосферного.
Высоко в горах, где атмосферное давление существенно меньше нормального атмосферного, сварить мясо непросто: например, на высоте 5 км вода закипает уже при температуре 83 ºС.
? 5. Используя формулу (2) и приведенную выше таблицу, определите температуру кипения воды:
а) при давлении, равном одной пятой нормального атмосферного давления;
б) при давлении, в 2 раза большем атмосферного давления.
Кипение воды при пониженном давлении можно наблюдать в следующем опыте.
Поставим опыт
Доведем воду в колбе до кипения и плотно закроем колбу. Когда вода немного остынет, перевернем колбу и будем поливать ее дно холодной водой. Вода закипит, хотя ее температура существенно ниже 100 ºС (рис. 44.9).
? 6. Объясните этот опыт.
? 7. На какую высоту можно было бы поднять поршнем кипящую воду, если бы она при этом не остывала?
Дополнительные вопросы и задания
8. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и водяной пар. Масса воды в 2 раза больше массы пара. Медленно перемещая поршень, объем под поршнем увеличивают от 1 л до 6 л. Температура содержимого сосуда остается все время равной 20 ºС. Считайте, что объемом воды можно пренебречь по сравнению с объемом пара.
а) Какой пар находится под поршнем вначале?
б) Объясните, почему давление в сосуде не будет изменяться до тех пор, пока объем под поршнем не станет равным З л.
в) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
г) Чему равна масса пара в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
Подсказка. При этом весь объем сосуда заполнен насыщенным паром.
д) Во сколько раз увеличилась масса пара, когда объем под поршнем увеличился от 1 л до 3 л?
е) Чему равна масса воды в начальном состоянии?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что в начальном состоянии масса воды в 2 раза больше массы пара.
ж) Как будет изменяться давление в сосуде при изменении объема под поршнем от 3 л до 6 л?
Подсказка. Для ненасыщенного пара справедливо уравнение состояния идеального газа с постоянной массой.
з) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 6 л?
и) Начертите примерный график зависимости давления пара под поршнем от объема.
9. Две запаянные U-образные трубки наклонили, как показано на рисунке 44.10. В какой трубке над водой находится только насыщенный пар, а в какой воздух с паром? Обоснуйте свой ответ.
Источник