Тема. Парообразование и конденсация. Кипение

При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие - медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этого температура испаряющейся жидкости понижается: жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).

В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.

Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.

Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха, - психрометрах (от греческого " психрос" - холодный). Психрометр (рис. 81) состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) - более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения свлажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.
С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.

Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс - конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начинает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается.

Кипение
В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования - кипение - возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре - температуре кипения.

Пронаблюдаем это явление на опыте. Начнем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде, периодически измеряя ее температуру. Через некоторое время мы увидим, как дно и стенки сосуда покроются пузырьками (рис. 82, а). Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, существующих в углублениях и микротрещинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

По мере роста температуры интенсивность испарения воды внутрь этих пузырьков возрастает. Поэтому количество водяного пара, а вместе с ним и давление внутри пузырьков постепенно увеличиваются. При приближении температуры нижних слоев воды к 100 °С давление внутри пузырьков сравнивается с давлением, существующим вокруг них, после чего пузырьки начинают расширяться. С увеличением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри воды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода " шумит".

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся наверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу (рис. 82. б). Возникает характерное бульканье - вода кипит.
Кипением называется интенсивное парообразование, при котором внутри жидкости растут и поднимаются вверх пузырьки пара. Оно начинается после того, как давление внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. При увеличении этого давления рост и подъем пузырьков внутри жидкости начинается при большей температуре, при уменьшении давления - при меньшей температуре.

Температуру кипения различных веществ при нормальном атмосферном давлении можно найти в таблице 11.

Всем известно, что вода кипит при 100 °С. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении давления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях- скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кинения воды при этом достигает 120 °С. В воде такой температуры процесс " варения" происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название " скороварка".

И наоборот, при понижении давления температура кипения воды становится меньше 100 °С. Например, в горных районах (на высоте 3 км, где давление атмосферы составляет 70 кПа) вода кипит при 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, куриное яйцо вообще невозможно, так как белок при температуре ниже 100 °С не сворачивается.

Уменьшение температуры кипения жидкости может играть и полезную роль. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30 °С. При уменьшении же давления температуру кипения фреона можно сделать ниже 0 °С. Это используется в испарителе холодильника. Благодаря работе компрессора в нем создается пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая теплоту от стенок камеры. Благодаря этому и происходит понижение температуры внутри холодильника.

Из таблицы 11 видно, насколько сильно могуг отличаться температуры кипения различных веществ при одном и том же атмосферном давлении. Например, жидкий кислород кипит при - 183 °С, а железо - при 2750 °С.

Различие в температурах кипения разных веществ находит широкое применение в технике, например в процессе перегонки нефти. При нагревании нефти до 360 °С та ее часть (мазут), которая имеет большую температуру кипения, остается в ней, а те ее части, у которых температура кипения ниже 360 °С, испаряются. Из образовавшегося пара получают бензин и некоторые другие виды топлива.

Домашнее задание: