Теоретические сведения. /1. Основные понятия и законы

/1. Основные понятия и законы

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное происходящий с поверхности жидкости. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

Жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т.е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой и не зависит от объёма. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара.

Для более детального выяснения условий, при которых возможны взаимные превращения газа и жидкости, недостаточно простых наблюдений за испарением жидкости. Нужно внимательно проследить за изменением давления реального газа в зависимости от его объема при различных температурах.

Пусть в цилиндре под поршнем (рис. 1.) находится водяной пар. Будем его медленно сжимать, при этом мы совершаем над газом работу, вследствие чего внутренняя энергия газа должна увеличиваться. Если мы хотим провести процесс при постоянной температуре , то нужно обеспечить хороший теплообмен между цилиндром и окружающей средой. Для этого можно поместить цилиндр в большой сосуд с жидкостью постоянной температуры (термостат) и сжимать газ настолько медленно, чтобы теплота успевала передаваться от газа к окружающим телам.

Проводя данный опыт, можно заметить, что вначале, когда объем достаточно велик (, см. рис. 1), давление водяного пара с уменьшением объема растет в соответствии с законом Бойля – Мариотта, а затем при дальнейшем увеличении давления наблюдаются небольшие отклонения от этого закона. Данная зависимость между давлением и объемом газа изображена графически на рис. 1 кривой АВ. При дальнейшем уменьшении объема, начиная со значения , давление в цилиндре под поршнем перестает меняться. Если заглянуть при этом в цилиндр через специальное смотровое окно, то можно увидеть, что часть объема цилиндра занимает прозрачная жидкость. Это значит, что газ (пар) превратился в насыщенный пар, а часть его превратилась в жидкость, т. е. сконденсировалась. Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы заметим, что количество жидкости в цилиндре увеличивается, а пространство, занятое насыщенным паром, уменьшается. Давление, которое показывает манометр, остается постоянным до тех пор, пока все пространство под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Этот процесс изображен на рис. 1 участком ВС графика. В дальнейшем при незначительном уменьшении объема, начиная со значения , давление очень резко нарастает (участок CD графика; см. рис. 1). Это объясняется тем, что жидкости малосжимаемы. Так как рассмотренный процесс происходил при постоянной температуре , график ABCD (см. рис. 1), изображающий зависимость давления газа от объема , называют изотермой реального газа. Участок АВ соответствует ненасыщенному пару, участок ВС – равновесному состоянию жидкости и ее насыщенного пара, а участок CD – жидкому состоянию вещества.

Если на основе опытных данных построить еще несколько изотерм, получится семейство изотерм реального газа (см. рис. 2). При этом обнаружится закономерность, общая для всех газов. Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа (пара). Объясняется это тем, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее, и необходима большая плотность газа для того, чтобы силы притяжения могли бы удержать молекулы около друг друга. Во-вторых, чем выше температура, тем больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь газ конденсируется. Ведь объем жидкости с увеличением температуры растет. Следовательно, длина прямолинейного горизонтального участка изотермы, соответствующего равновесию между жидкостью и насыщенным паром, с ростом температуры уменьшается.

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром. Все реальные газы (кислород, азот, водород и т.д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако такое превращение, как видно из рис.2, может происходить только при температурах ниже критической температуры .

Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов.

Давление насыщенного пара возрастает с увеличением температуры. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры. Однако зависимость , найденная экспериментально, не является пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме (закон Шарля). С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (рис. 3, участок кривой АВ).

Это происходит потому, что в увеличении давления насыщенного пара, в отличие от идеального газа, большую роль играет рост концентрации молекул пара, а не повышение его температуры.

Давление насыщенного пара данного вещества определяется уравнением Клапейрона – Клаузиуса:

,

где – удельная теплота парообразования, , удельные объёмы жидкости и пара соответственно. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса, определяющее наклон кривой равновесия двух фаз, справедливо для всех фазовых превращений, сопровождающихся выделением или поглощением тепла.

В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды которые определяют влажность воздуха.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами: относительной влажностью , абсолютной влажностью , парциальным давлением водяного пара , давлением насыщенного пара , температурой точки росы.

Относительной влажностью воздуха называется отношение , выраженное в процентах:

.

Абсолютная влажность – количество водяного пара, выраженное в граммах, содержащееся в воздуха.

Парциальное давление (упругость) водяного пара это фактическое давление водяного пара, находящегося в воздухе, измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), миллибарах (мб) и гектопаскалях (гПа).

Давление насыщенного водяного пара , или упругость насыщения – максимально возможное значение парциального давления при данной температуре; измеряют в тех же единицах, что и .

Точкой росы называется температура, до которой при данном давлении должен охладиться воздух, чтобы плотность содержащегося в нём водяного пара стала равна плотности насыщенного пара. Точка росы определяется по таблице см приложение 3.