Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары (статья)
Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары (статья)
Мы имеем довольно ясное представление о строении газов и твердых кристаллических тел. Газ является собранием молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. В твердом теле все (точнее, почти все) молекулы длительно (иногда тысячелетиями) сохраняют взаимное расположение, совершая лишь небольшие колебания около определенных положений равновесия.
Гораздо более сложным представляется строение жидкостей. Чтобы подойти к этому вопросу, рассмотрим случай, когда в замкнутом сосуде имеется жидкость и ее пар, причем жидкость занимает только часть сосуда (нижнюю); остальное пространство заполнено паром (рис. 1), который, как и всякий газ, заполняет все свободное пространство. Конечно, молекулы и в паре и в жидкости находятся в непрерывном движении и могут вылетать из жидкости и переходить в пар и, обратно, из пара залетать в жидкость. Однако между паром и жидкостью сохраняется (при неизменной температуре) резкая граница, и обмен молекулами не нарушает равновесия между этими двумя состояниями; только это равновесие имеет подвижный (динамический) характер.
Рис. 1. Объем сосуда делится на две части: в одной из них жидкость , в другой — пар
Резкая граница между паром и жидкостью разделяет два состояния, или, как говорят, две фазы вещества, из которых парообразная характеризуется гораздо меньшей (в тысячи раз) плотностью, чем жидкая. В жидкой фазе среднее расстояние между молекулами гораздо меньше (в десятки раз), чем в паре, и в соответствии с этим межмолекулярные силы сцепления в жидкости гораздо больше, чем в паре.
Этим и объясняется различие в характере движения молекул в паре и в жидкости.
Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.
Свойства жидкостей: жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.
Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.
Для изучения физического явления не обязательно пользоваться дорогими и сложными приборами. Физика всюду вокруг нас. Например, сидя за чайным столом, можно побеседовать на тему о физике поверхностей. Прибором в данном случае может служить чашка чаю или стакан воды. Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Поверхность жидкости не зависит от формы сосуда – она представляет собой гладкую, как зеркало, плоскость. Но и это не совсем так: форма поверхности жидкости концентричная поверхности земного шара. Приглядитесь повнимательнее – у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму.
Еще более заметное проявление того же свойства жидкости: если опустить в чашку ложку, то можно увидеть, что поверхность жидкости искривлена в местах соприкосновения ложки с жидкостью и, во-вторых, между ложкой и стенкой чашки жидкость приподнята по сравнению с уровнем в широкой части.
Существуют фазовые переходы из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Пар – это газообразное состояние вещества при температуре ниже критической. Переход пара в жидкое состояние принципиально возможен. Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость. Она зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и поэтому различна для разных газов.
Испарение – это парообразование со свободной поверхности жидкости. Испарение может происходить при любой температуре жидкости. При увеличении температуры число испаряющихся молекул возрастает, но только самые быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией, покидают жидкость и, следовательно, температура жидкости уменьшается.
Молекулы жидкости непрерывно передвигаются с разными скоростями. Если одна из «особо быстрых» молекул окажется у поверхности жидкости, то она вполне может преодолеть барьер притяжения своих соседних молекул, таким образом, покинув пределы жидкости. Молекулы, которые покинули пределы жидкости, образуют над ней пар. У оставшихся молекул жидкости при соударениях меняется скорость. Некоторые молекулы начинают приобретать нужную скорость, которая позволит им также покинуть пределы жидкости. Это процесс постоянно продолжается, таким образом, жидкость испаряется постепенно.
От чего же зависит испарение жидкости? 1) Скорость процесса испарения напрямую зависит от рода жидкости. Быстрее будет испаряться та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой. 2) Испарение происходит еще быстрее, если температура жидкости выше.
3) Скорость испарения жидкости напрямую зависит от площади ее поверхности. Чем больше поверхность, тем быстрее происходит испарение.
4) А также испарение будет интенсивнее при наличии ветра.
Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при постоянной температуре, пропорционально числу испаряющихся молекул или их суммарной массе:
Qп = rm
где r – [Дж/кг]– удельная теплота испарения (парообразования).
Удельная теплота испарения (парообразования) – количество теплоты, необходимое для испарения (парообразования) 1кг жидкости при постоянной температуре.
Для воды r=2,256*106 Дж/кг при 100?С. При парообразовании подводимое количество теплоты расходуется на разрыв связей между молекулами жидкости.
Конденсация – это переход пара из газообразного состояния в жидкое. Масса образовавшейся жидкости оказывается постоянной благодаря равновесию 2х встречных процессов: конденсации пара и испарению молекул воды.
Испаряющиеся из жидкости молекулы образуют над ней пар. Количество теплоты, получаемое жидкостью при конденсации, равно количеству теплоты, теряемому при её испарении. Огромная потеря энергии поверхностью Земли компенсируется в результате конденсации паров при образовании облаков, туманов, росы, возникновения осадков.
Частным случаем испарения является кипение. Это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. В объеме образуются пузыри, заполненные насыщенным паром. Они поднимаются вверх под действием выталкивающей силы и разрываются на поверхности.
Насыщенный и ненасыщенный пар
Если за одно и то же время число испаряющихся и конденсирующихся молекул пара одинаково, то число молекул пара над жидкостью будет оставаться постоянным. Такое состояние называют термодинамическим равновесием пара и жидкости. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. При неизменной температуре плотность насыщенного пара над жидкостью остается постоянной.
Пар, плотность которого меньше плотности насыщенного пара при той же температуре, называют ненасыщенным паром.
Давление насыщенного пара – максимальное давление, которое может иметь пар над жидкостью при данной температуре. С ростом температуры жидкости увеличивается число испаряющихся молекул и соответственно конденсирующихся молекул пара, поэтому давление насыщенного пара возрастает при увеличении температуры жидкости.
Для того чтобы судить, много или мало водяных паров находится в воздухе, вводят понятие влажности. Реально пар в атмосфере редко бывает насыщенным из-за нарушения равновесия процессов испарения и конденсации. Степень влажности воздуха характеризуется относительной влажностью.
Относительная влажность воздуха – процентное отношение концентрации водяного пара в воздухе к концентрации насыщенного пара при той же температуре:
φ=
Концентрация насыщенного пара является максимальной концентрацией, которую может иметь пар над жидкостью. Следовательно, относительная влажность воздуха изменяется от 0 до 100%.
Так как концентрация пара связана с давлением, то относительную влажность можно найти и как процентное отношение давления пара в воздухе и давления насыщенного пара при той же температуре:
φ=
Прибор, который служит для измерения влажности воздуха называется психрометром. Психрометр 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 с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра.
Поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости. Это притяжение обуславливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости.
Поверхностная энергия – дополнительная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.
Eпов =σS
где σ – коэффициент пропорциональности, характеризующий энергию молекул на единице площади поверхности жидкости.
Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающую поверхность, в сторону её сокращения.
Fпов=σl
где σ [Н/м] – поверхностное натяжение, характеризующее силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины границы поверхности.
Благодаря поверхностному натяжению воды на её поверхности могут плавать легкие предметы и удерживаться водомерки.
Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань.
Смачивание
Смачивание – это искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела Fж-т больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости Fж, то жидкость смачивает поверхность.
Например, вода смачивает стекло: Fж-т > Fж
Если силы притяжения между молекулами жидкости Fж больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела Fж-т, то жидкость не смачивает поверхность.
Например, вода не смачивает парафин: Fж-т<Fж
Хорошее смачивание необходимо при нанесении красочныхпокрытий, обработке фотоматериалов, пайке, стирке. Минимальная смачиваемость нужна для гидроизоляции (в частности, при изготовлении материалов для плащей, курток и зонтов).
Смачивание твердых поверхностей жидкостью характеризуется мениском и углом смачивания. Мениск – это форма поверхности жидкости вбдизи стенки сосуда. Мениск зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда.
Угол смачивания – это угол, между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой.
Измерение происходит методом лежащей капли.
На рисунке показана схема смачивания и не смачивания
Для смачивающей жидкости угол смачивания острый (θ<90?).
Для несмачивающей жидкости угол смачивания тупой (θ>90?).
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
Просмотр содержимого документа
«Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары (статья) »
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
Кемеровский профессионально-технический техникум
Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары (статья)
Подготовили: преподаватель физики
Щербунова Евгения Олеговна
г. Кемерово
2014
Мы имеем довольно ясное представление о строении газов и твердых кристаллических тел. Газ является собранием молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. В твердом теле все (точнее, почти все) молекулы длительно (иногда тысячелетиями) сохраняют взаимное расположение, совершая лишь небольшие колебания около определенных положений равновесия.
Гораздо более сложным представляется строение жидкостей. Чтобы подойти к этому вопросу, рассмотрим случай, когда в замкнутом сосуде имеется жидкость и ее пар, причем жидкость занимает только часть сосуда (нижнюю); остальное пространство заполнено паром (рис. 1), который, как и всякий газ, заполняет все свободное пространство. Конечно, молекулы и в паре и в жидкости находятся в непрерывном движении и могут вылетать из жидкости и переходить в пар и, обратно, из пара залетать в жидкость. Однако между паром и жидкостью сохраняется (при неизменной температуре) резкая граница, и обмен молекулами не нарушает равновесия между этими двумя состояниями; только это равновесие имеет подвижный (динамический) характер.
Рис. 1. Объем сосуда делится на две части: в одной из них жидкость , в другой — пар
Резкая граница между паром и жидкостью разделяет два состояния, или, как говорят, две фазы вещества, из которых парообразная характеризуется гораздо меньшей (в тысячи раз) плотностью, чем жидкая. В жидкой фазе среднее расстояние между молекулами гораздо меньше (в десятки раз), чем в паре, и в соответствии с этим межмолекулярные силы сцепления в жидкости гораздо больше, чем в паре.
Этим и объясняется различие в характере движения молекул в паре и в жидкости.
Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.
Свойства жидкостей: жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.
Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.
Для изучения физического явления не обязательно пользоваться дорогими и сложными приборами. Физика всюду вокруг нас. Например, сидя за чайным столом, можно побеседовать на тему о физике поверхностей. Прибором в данном случае может служить чашка чаю или стакан воды. Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Поверхность жидкости не зависит от формы сосуда – она представляет собой гладкую, как зеркало, плоскость. Но и это не совсем так: форма поверхности жидкости концентричная поверхности земного шара. Приглядитесь повнимательнее – у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму.
Еще более заметное проявление того же свойства жидкости: если опустить в чашку ложку, то можно увидеть, что поверхность жидкости искривлена в местах соприкосновения ложки с жидкостью и, во-вторых, между ложкой и стенкой чашки жидкость приподнята по сравнению с уровнем в широкой части.
Существуют фазовые переходы из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Пар – это газообразное состояние вещества при температуре ниже критической. Переход пара в жидкое состояние принципиально возможен. Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость. Она зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и поэтому различна для разных газов.
Испарение – это парообразование со свободной поверхности жидкости. Испарение может происходить при любой температуре жидкости. При увеличении температуры число испаряющихся молекул возрастает, но только самые быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией, покидают жидкость и, следовательно, температура жидкости уменьшается.
Молекулы жидкости непрерывно передвигаются с разными скоростями. Если одна из «особо быстрых» молекул окажется у поверхности жидкости, то она вполне может преодолеть барьер притяжения своих соседних молекул, таким образом, покинув пределы жидкости. Молекулы, которые покинули пределы жидкости, образуют над ней пар. У оставшихся молекул жидкости при соударениях меняется скорость. Некоторые молекулы начинают приобретать нужную скорость, которая позволит им также покинуть пределы жидкости. Это процесс постоянно продолжается, таким образом, жидкость испаряется постепенно.
От чего же зависит испарение жидкости? 1) Скорость процесса испарения напрямую зависит от рода жидкости. Быстрее будет испаряться та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой. 2) Испарение происходит еще быстрее, если температура жидкости выше.
3) Скорость испарения жидкости напрямую зависит от площади ее поверхности. Чем больше поверхность, тем быстрее происходит испарение.
4) А также испарение будет интенсивнее при наличии ветра.
Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при постоянной температуре, пропорционально числу испаряющихся молекул или их суммарной массе:
Qп = rm
где r – [Дж/кг]– удельная теплота испарения (парообразования).
Удельная теплота испарения (парообразования) – количество теплоты, необходимое для испарения (парообразования) 1кг жидкости при постоянной температуре.
Для воды r=2,256*106 Дж/кг при 100˚С. При парообразовании подводимое количество теплоты расходуется на разрыв связей между молекулами жидкости.
Конденсация – это переход пара из газообразного состояния в жидкое. Масса образовавшейся жидкости оказывается постоянной благодаря равновесию 2х встречных процессов: конденсации пара и испарению молекул воды.
Испаряющиеся из жидкости молекулы образуют над ней пар. Количество теплоты, получаемое жидкостью при конденсации, равно количеству теплоты, теряемому при её испарении. Огромная потеря энергии поверхностью Земли компенсируется в результате конденсации паров при образовании облаков, туманов, росы, возникновения осадков.
Частным случаем испарения является кипение. Это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. В объеме образуются пузыри, заполненные насыщенным паром. Они поднимаются вверх под действием выталкивающей силы и разрываются на поверхности.
Насыщенный и ненасыщенный пар
Если за одно и то же время число испаряющихся и конденсирующихся молекул пара одинаково, то число молекул пара над жидкостью будет оставаться постоянным. Такое состояние называют термодинамическим равновесием пара и жидкости. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. При неизменной температуре плотность насыщенного пара над жидкостью остается постоянной.
Пар, плотность которого меньше плотности насыщенного пара при той же температуре, называют ненасыщенным паром.
Давление насыщенного пара – максимальное давление, которое может иметь пар над жидкостью при данной температуре. С ростом температуры жидкости увеличивается число испаряющихся молекул и соответственно конденсирующихся молекул пара, поэтому давление насыщенного пара возрастает при увеличении температуры жидкости.
Для того чтобы судить, много или мало водяных паров находится в воздухе, вводят понятие влажности. Реально пар в атмосфере редко бывает насыщенным из-за нарушения равновесия процессов испарения и конденсации. Степень влажности воздуха характеризуется относительной влажностью.
Относительная влажность воздуха – процентное отношение концентрации водяного пара в воздухе к концентрации насыщенного пара при той же температуре:
φ=
Концентрация насыщенного пара является максимальной концентрацией, которую может иметь пар над жидкостью. Следовательно, относительная влажность воздуха изменяется от 0 до 100%.
Так как концентрация пара связана с давлением, то относительную влажность можно найти и как процентное отношение давления пара в воздухе и давления насыщенного пара при той же температуре:
φ=
Прибор, который служит для измерения влажности воздуха называется психрометром. Психрометр 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 с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра.
Поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости. Это притяжение обуславливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости.
Поверхностная энергия – дополнительная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.
Eпов =σS
где σ – коэффициент пропорциональности, характеризующий энергию молекул на единице площади поверхности жидкости.
Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающую поверхность, в сторону её сокращения.
Fпов=σl
где σ [Н/м] – поверхностное натяжение, характеризующее силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины границы поверхности.
Благодаря поверхностному натяжению воды на её поверхности могут плавать легкие предметы и удерживаться водомерки.
Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань.
Смачивание
Смачивание – это искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела Fж-т больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости Fж, то жидкость смачивает поверхность.
Например, вода смачивает стекло: Fж-т Fж
Если силы притяжения между молекулами жидкости Fж больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела Fж-т, то жидкость не смачивает поверхность.
Например, вода не смачивает парафин: Fж-тFж
Хорошее смачивание необходимо при нанесении красочныхпокрытий, обработке фотоматериалов, пайке, стирке. Минимальная смачиваемость нужна для гидроизоляции (в частности, при изготовлении материалов для плащей, курток и зонтов).
Смачивание твердых поверхностей жидкостью характеризуется мениском и углом смачивания. Мениск – это форма поверхности жидкости вбдизи стенки сосуда. Мениск зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда.
Угол смачивания – это угол, между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой.
Измерение происходит методом лежащей капли.
На рисунке показана схема смачивания и не смачивания
Для смачивающей жидкости угол смачивания острый (θ
Для несмачивающей жидкости угол смачивания тупой (θ90˚).
Список источников:
Дмитриева, В.Ф. Физика: учебник для студенческих общеобразовательных учреждений среднего профессионального образования / В.Ф. Дмитриева. – 6-е издание. стереотип. – М.: Издательский центр Академия, 2005. - 280-288.
Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://window.edu.ru/window, свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 1.12.2014).
Портал естественных наук » [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://e-science.ru/physics, свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 1.12.2014).
, в другой — пар 
