Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

Урок: Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

На предыдущих уроках мы ввели понятие идеального газа в качестве модели, в рамках которой справедливы все газовые законы, которые мы изучали. Однако это не означает, что молекулярная физика и, в частности, молекулярно-кинетическая теория ограничивается изучением только идеаль­ных газов. Для реальных газов наши выкладки по теме «основы молекулярно-кинетической тео­рии», конечно же, являются справедливыми. Однако связь параметров реальных газов между собой ожидаемо имеет несколько другой вид, нежели эта связь для идеальных газов.

Рассмотрим такой реальный газ, как насыщенный пар. Напомним, что просто паром по умолчанию называется газообразное состояние некоего вещества (чаще всего, говоря «пар», подразумевают именно водяной пар). Насыщенный же пар означает следующее:

Определение. Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. То есть количество молекул жидкости, покидающих жидкость за некий отрезок времени, в среднем равно количеству молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость (см. рис. 1). Область насыщенного пара всегда есть над любой поверхностью жидкости. Чтобы создать более широкую область, следует предотвратить утечку молекул пара в окружающую среду (герметично закрыть сосуд).

Для понимания отличий насыщенного пара от идеального газа нужно представить себе два опыта.

Во-первых, возьмём герметично закрытый сосуд с водой и начнём его нагревать. С увеличением температуры молекулы жидкости будут иметь всё большую кинетическую энергию, и всё большее количество молекул сможет вырваться из жидкости (см. рис. 2), следовательно, будет расти концен­трация пара и, следовательно, его давление. Итак, первое положение:

Т1 Т2

Рис. 2. Т2 T1

Однако, это положение вполне ожидаемо и не столь интересно, как следующее. Если поместить жидкость с её насыщенным паром под подвижный поршень и начать этот поршень опускать, то, несомненно, концентрация насыщенного пара увеличится из-за уменьшения объёма. Однако через некоторое время пар перейдёт с жидкостью к новому динамическому равновесию путём конденса­ции лишнего количества пара, и давление в конце концов не поменяется. Второе положение теории насыщенного пара:

Теперь же следует отметить тот факт, что давление насыщенного пара хоть и зависит от температу­ры, как и идеальный газ, но характер этой зависимости несколько иной. Дело в том, что, как мы знаем из основного уравнения МКТ, давление газа зависит как от температуры, так и от концентра­ции газа. И поэтому давление насыщенного пара зависит от температуры нелинейно до тех пор, пока увеличивается концентрация пара, то есть пока вся жидкость не испарится. На приведённом ниже графике (рис. 3) показан характер зависимости давления насыщенного пара от температуры,

Рис. 3

причём переход от нелинейного участка к линейному как раз и означает точку испарения всей жид­кости. Так как давление насыщенного газа зависит только от температуры, возможно абсолютно од­нозначно установить, какое будет давление насыщенного пара при заданной температуре. Эти соот­ношения (а также значения плотности насыщенного пара) занесены в специальную таблицу.

Обратим теперь наше внимание на такой важный физический процесс, как кипение. В восьмом классе уже давалось определение кипению как процессу парообразования более интенсивному, нежели испарение. Теперь же мы несколько дополним это понятие.

Определение. Кипение – процесс парообразования, протекающий по всему объёму жидкости. Каков же механизм кипения? Дело в том, что в воде всегда есть растворённый воздух, а в результа­те увеличения температуры его растворимость уменьшается, и образуются микропузырьки. Так как дно и стенки сосуда не идеально гладкие, эти пузырьки цепляются за неровности внутренней сторо­ны сосуда. Теперь раздел вода-воздух существует не только у поверхности воды, но и внутри объё­ма воды, и в пузырьки начинают переходить молекулы воды. Таким образом, внутри пузырьков по­является насыщенный пар. Далее эти пузырьки начинают всплывать, увеличиваясь в объёме и при­нимая большее количество молекул воды внутрь себя, а у поверхности лопаются, выбрасывая насы­щенный пар в окружающую среду (рис. 4).

Рис. 4. Процесс кипения

Условием же образования и всплытия этих пузырьков является следующее неравенство: давление насыщенного пара должно быть больше или равняться атмосферному давлению.

Таким образом, так как давление насыщенного пара зависит от температуры, температура кипения определяется давлением окружающей среды: чем оно меньше, тем при более низкой температуре закипает жидкость, и наоборот.

На следующем уроке мы начнём рассматривать свойства твёрдых тел.

Домашнее задание

Стр. 74: № 546–550. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013.

Почему альпинисты не могут сварить яйца на высоте?

Какие вы можете привести способы остудить горячий чай? Обоснуйте их с точки зрения физики.

Почему следует ослаблять газовый напор на конфорке после закипания воды?

*Каким образом можно добиться нагревания воды выше ста градусов по Цельсию?

3