Процесс испарения жидкости в закрытом сосуде
1. Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарения и кипения.
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар.
Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.
Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.
Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Иапример, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.
Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.
2. Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.
Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.
Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным.
Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.
Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.
3. В воздухе всегда содержится водяной пар, являющийся продуктом испарения воды. Содержание водяного пара в воздухе характеризует его влажность.
Абсолютной влажностью воздуха ( (rho) ) называют массу водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, или плотность водяного пара, содержащегося в воздухе.
Если относительная влажность равна 9,41·10-3 кг/м3, то это означает, что в 1 м3 содержится 9,41·10-3 кг водяного пара.
Для того чтобы судить о степени влажности воздуха, вводят величину, называемую относительной влажностью.
Относительной влажностью воздуха ( (varphi) ) называют величину, равную отношению плотности водяного пара ( (rho) ), содержащегося в воздухе (абсолютной влажности), к плотности насыщенного водяного пара ( (rho_0) ) при этой температуре:
[ varphi=frac{rho}{rho_0}100% ]
Обычно относительную влажность выражают в процентах.
При понижении температуры ненасыщенный нар может превратиться в насыщенный. Примером такого превращения является выпадение росы и образование тумана. Так, летним днём при температуре 30 °С плотность водяного пара равна 12,8·10-3 кг/м3. Этот водяной пар является ненасыщенным. При понижении вечером температуры до 15 °С он уже будет насыщенным, и выпадет роса.
Температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы.
Для измерения влажности воздуха используют прибор, называемый психрометром.
Психрометр состоит из двух термометров, один из которых сухой, а другой — влажный (рис. 74). Термометры прикреплены к таблице, в которой по вертикали указана температура, которую показывает сухой термометр, а по горизонтали — разность показаний сухого и влажного термометров. Определив показания термометров, по таблице находят значение относительной влажности воздуха.
Например, температура, которую показывает сухой термометр, 20 °С, показание влажного термометра — 15 °С. Разность показаний 5 °С. По таблице находим значение относительной влажности ( varphi ) = 59%.
4. Второй процесс парообразования — кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.
Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют кипением. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.
Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.
Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.
На рисунке 75 приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АБ), кипения (БВ), нагревания пара (ВГ), охлаждения пара (ГД), конденсации (ДЕ) и последующего охлаждения (ЕЖ).
5. Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.
Удельной теплотой парообразования ( (L) ) называют величину, равную отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.
Единица удельной теплоты парообразования — ( [L] ) = Дж/кг.
Чтобы рассчитать количество теплоты ( Q ), которое необходимо сообщить веществу массой ( m ) для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования ( (L) ) умножить на массу вещества: ( Q=Lm ).
При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Испарение и кипение — два процесса превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое. Общей характеристикой этих процессов является то, что оба они
А. Представляют собой процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное
Б. Происходят при определённой температуре
Правильный ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
2. Испарение и кипение — два процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Различие между ними заключается в том, что
А. Кипение происходит при определённой температуре, а испарение — при любой температуре.
Б. Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение — во всём объёме жидкости.
Правильным(-и) является(-ются) утверждение(-я)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
3. При нагревании вода превращается в пар той же температуры. При этом
1) увеличивается среднее расстояние между молекулами
2) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
3) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами
4. В процессе конденсации водяного пара при неизменной его температуре выделилось некоторое количество теплоты. Что произошло с энергией молекул водяного пара?
1) изменилась как потенциальная, так и кинетическая энергия молекул пара
2) изменилась только потенциальная энергия молекул пара
3) изменилась только кинетическая энергия молекул пара
4) внутренняя энергия молекул пара не изменилась
5. На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени при её охлаждении и последующем нагревании. Первоначально вода находилась в газообразном состоянии. Какой участок графика соответствует процессу конденсации воды?
1) АВ
2) ВС
3) CD
4) DE
6. На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени. В начальный момент времени вода находилась в газообразном состоянии. В каком состоянии находится вода в момент времени ( tau_1 )?
1) только в газообразном
2) только в жидком
3) часть воды в жидком состоянии, часть — в газообразном
4) часть воды в жидком состоянии, часть — в кристаллическом
7. На рисунке приведён график зависимости температуры спирта от времени при его нагревании и последующем охлаждении. Первоначально спирт находился в жидком состоянии. Какой участок графика соответствует процессу кипения спирта?
1) АВ
2) ВС
3) CD
4) DE
8. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы превратить в газообразное состояние 0,1 кг спирта при температуре кипения?
1) 240 Дж
2) 90 кДж
3) 230 кДж
4) 4500 кДж
9. В понедельник абсолютная влажность воздуха днём при температуре 20 °С была равной 12,8 г/см3. Во вторник она увеличилась и стала равной 15,4 г/см3. Выпала ли роса при понижении температуры до 16 °С, если плотность насыщенного пара при этой температуре 13,6 г/см3?
1) не выпала ни в понедельник, ни во вторник
2) выпала и в понедельник, и во вторник
3) в понедельник выпала, во вторник не выпала
4) в понедельник не выпала, во вторник выпала
10. Чему равна относительная влажность воздуха, если при температуре 30 °С абсолютная влажность воздуха равна 18·10-3 кг/м3, а плотность насыщенного пара при этой температуре 30·10-3 кг/м3?
1) 60%
2) 30%
3) 18 %
4) 1,7 %
11. Для каждого физического понятия из первого столбца подберите соответствующий пример из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
A) физическая величина
Б) единица физической величины
B) прибор для измерения физической величины
ПРИМЕРЫ
1) кристаллизация
2) джоуль
3) кипение
4) температура
5) мензурка
12. На рисунке приведены графики зависимости от времени температуры двух веществ одинаковой массы, находившихся первоначально в жидком состоянии, получающих одинаковое количество теплоты в единицу времени. Из приведённых ниже утверждений выберите правильные и запишите их номера.
1) Вещество 1 полностью переходит в газообразное состояние, когда начинается кипение вещества 2
2) Удельная теплоёмкость вещества 1 больше, чем вещества 2
3) Удельная теплота парообразования вещества 1 больше, чем вещества 2
4) Температура кипения вещества 1 выше, чем вещества 2
5) В течение промежутка времени ( 0-t_1 ) оба вещества находились в жидком состоянии
Часть 2
13. Какое количество теплоты необходимо для превращения в стоградусный пар 200 г воды, взятой при температуре 40 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.
Ответы
Испарение и конденсация. Кипение жидкости
1 (20%) 1 vote
Источник
Конспект по физике для 8 класса «Испарение и конденсация. Насыщенный пар». ВЫ УЗНАЕТЕ: Какие виды парообразования существуют. Что такое испарение. От каких факторов зависит скорость испарения. Что такое динамическое равновесие. Что такое насыщенный и ненасыщенный пар.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Испарение и конденсация.
Насыщенный пар
Нам всем хорошо известно, что роса, появившаяся утром на траве, к полудню исчезает, лужи после дождя высыхают, уровень воды в реках и озёрах летом уменьшается. Жидкость в открытом сосуде со временем постепенно убывает. Однако молекулы жидкости не могут исчезнуть бесследно, просто жидкость превращается в пар.
ВИДЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ
Существует два способа перехода вещества из жидкого состояния в газообразное: испарение и кипение.
ИСПАРЕНИЕ
Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.
Почему жидкость испаряется? Известно, что молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и хаотического движения. При этом молекулы имеют различные скорости движения и, следовательно, разные кинетические энергии. Когда у поверхности жидкости оказывается молекула с относительно большой скоростью, она может преодолеть силы притяжения соседних молекул и вылететь из жидкости. Молекулы, покинувшие поверхность жидкости, образуют над ней пар. Это и есть процесс испарения жидкости.
СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ
Из повседневной жизни известно, что лужи после дождя высыхают и в прохладную погоду, и в жару. Однако в одном случае испарение происходит медленнее, в другом — быстрее. Почему? В жидкости всегда имеются молекулы, кинетическая энергия которых больше кинетической энергии других молекул, поэтому испарение происходит при любой температуре. Однако есть несколько факторов, влияющих на скорость испарения. Это температура, площадь поверхности жидкости, движение воздуха (ветер) и род жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше средняя скорость движения молекул и тем больше молекул, у которых кинетическая энергия достаточна для того, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь с поверхности жидкости. Так как жидкость могут покинуть только те молекулы, которые находятся у самой поверхности, то, чем больше площадь испаряемой поверхности, тем большее число молекул покидают жидкость.
Молекула, вылетевшая из жидкости, двигаясь хаотично над поверхностью жидкости, может изменить направление своего движения и вернуться обратно. Если дует ветер, который уносит эти молекулы, то испарение жидкости происходит быстрее.
Если листок бумаги смочить эфиром, водой и маслом, то мы заметим, что эфир испарился значительно быстрее, чем вода, а вода — быстрее, чем масло. Это связано с тем, что между молекулами эфира силы взаимодействия меньше, чем между молекулами воды или масла. Поэтому большее число молекул эфира способно преодолеть силы притяжения и покинуть поверхность жидкости.
Следовательно, чем меньше силы взаимодействия между молекулами жидкости, тем быстрее происходит процесс испарения.
В жару лужи высыхают быстрее, потому что средняя кинетическая энергия молекул больше и большее их число покидает жидкость. Расправленное мокрое полотенце высыхает быстрее, чем скомканное, из-за разницы в площади поверхности. А в ветреную погоду мокрые вещи высыхают быстрее из-за того, что ветер относит водяные пары в сторону.
Из-за охлаждения жидкости при испарении человек в мокрой одежде мёрзнет, а в сухой нет. По этой же причине, выходя из воды, мы чувствуем прохладу даже в самый жаркий день.
ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПАРЕНИИ
Поскольку при испарении жидкость покидают молекулы, обладающие повышенной кинетической энергией, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Следовательно, внутренняя энергия испаряющейся жидкости также уменьшается, что приводит к понижению её температуры.
Проведём следующий опыт. Конец термометра обмотаем ватой, смоченной эфиром (или водой). При этом показания термометра начнут уменьшаться, что свидетельствует о понижении температуры испаряющейся жидкости.
КОНДЕНСАЦИЯ
Одновременно с испарением происходит и обратный процесс — переход части молекул пара в жидкость. Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара сопровождается выделением энергии.
ДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ И НАСЫЩЕННЫЙ ПАР
Когда сосуд открыт, процесс испарения происходит быстрее, чем обратный процесс конденсации. При этом масса жидкости в сосуде уменьшается. Если же испарение происходит в закрытом сосуде, то после того, как закрыли сосуд, число молекул, покидающих поверхность жидкости в единицу времени, будет больше числа молекул, возвращающихся обратно. При этом плотность паров жидкости в сосуде будет увеличиваться.
С увеличением числа молекул пара над поверхностью жидкости возрастает также число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Через некоторое время количество вылетающих из жидкости и возвращающихся молекул сравняется. Наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром, когда число молекул пара над жидкостью становится постоянным. При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя процесс испарения продолжается.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.
Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным. В этом случае возможно дальнейшее испарение жидкости.
Прохладным летним утром мы можем видеть росу. Ночью, когда воздух становится холоднее, водяной пар, находящийся в воздухе, конденсируется и маленькие капельки воды оседают на траве и листьях. Выпадает роса.
Облака образуются также в процессе конденсации. Они состоят из маленьких капелек воды, в которые превратились водяные пары, поднявшиеся над землёй и попавшие в верхние, более холодные слои атмосферы.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Испарение и конденсация. Насыщенный пар».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Просмотров:
2 099
Источник