Явища на межі рідина-пар. Насичена пара
Одним з найбільш характерних властивостей рідкого стану є наявність різкої межі між рідиною і її парою.
Розглянемо поведінку рідини, поміщеної в закритий посуд і заповнює частину його обсягу (рис. 6.4).
У цьому випадку різка межа між рідиною і парою розділяє два стани, або, як кажуть, дві фази речовини, з яких газоподібна, як уже зазначалося, характеризується набагато меншою (в тисячі разів) щільністю, ніж рідка. У рідкій фазі середня відстань між молекулами багато менше (в десятки разів), ніж в парі, і відповідно до цього молекулярні сили взаємодії в рідині набагато більше, ніж в парі.
Звичайно, і в парі, і в рідині молекули перебувають у безперервному русі і можуть залишати рідина, переходячи в пару. Зрозуміло, що не виключений і зворотний перехід молекул – з пари в рідину. Процес переходу молекул з рідини в пару називається випаровуванням. Зворотний перехід молекул з пари в рідину – конденсацією.
Якщо процеси переходу молекул з рідини в пару і їх зворотного повернення в рідину взаємно компенсуються, то настає стан динамічної рівноваги. Пар, що знаходиться над поверхнею рідини, поміщеної в закритий посудину, в цьому випадку стає насиченим. Однак між насиченою парою і рідиною зберігається різка межа. Обмін молекулами чи не порушує рівноваги між двома цими станами, хоча ця рівновага має рухливий характер.
Процес встановлення такої рівноваги зводиться до наступного. Залишають рідина молекули повинні подолати сили тяжіння з боку інших молекул, зробивши при цьому деяку роботу. Крім того, вони повинні зробити роботу проти зовнішнього тиску, створеного раніше утворився парою. Вся ця робота може бути здійснена тільки за рахунок кінетичної енергії теплового руху молекул. Зрозуміло, що в процесі випаровування можуть брати участь не всі молекули, а тільки ті з них, які мають достатню кінетичну енергію для здійснення зазначеної вище роботи. Очевидно, що процес випаровування, в ході якого рідина залишають найбільш швидкі молекули, супроводжується значними енергетичними затратами. Справедливість цього висновку переконливо підтверджується прикладами з повсякденного життя. Так, вийшовши з води після купання, ми відчуваємо прохолоду, а той факт, що при випаровуванні води, налитої в склянку, ми не помічаємо зниження її температури, пояснюється тим, що вода в процесі випаровування отримує теплоту з навколишнього середовища.
Абсолютно ясно, що процес випаровування рідини можна зробити більш інтенсивним, підвищуючи температуру рідини за рахунок зовнішніх джерел тепла або збільшуючи площу її вільної поверхні, оскільки випаровування відбуватиметься тим ефективніше, чим сильніше переважає процес догляду молекул з рідини над зворотним процесом.
Число молекул, що повертаються в рідину в процесі конденсації, прямо пропорційно числу молекул в парі. Тому для прискорення процесу випаровування слід вжити заходів щодо зменшення числа молекул, що повертаються назад у рідину. Наприклад, при вітрі молекули, що вилетіли з рідини, відносяться в сторону і тим самим зменшується ймовірність їх зворотного повернення в рідину. Саме тому на вітрі мокрі речі висихають швидше.
Якщо процес випаровування рідини відбувається в закритій посудині, то рано чи пізно в системі встановиться динамічна рівновага, при якому кількості пари і рідини залишатимуться постійними. Встановлена при цьому щільність пара відповідає певному тиску. Цей тиск називається пружністю насиченої пари. Зрозуміло, що з підвищенням температури пружність насиченої пари повинна зростати, оскільки при більш високих температурах число швидких молекул, що залишають рідину, збільшується, а отже, для того щоб встановилася рівновага між процесами випаровування та конденсації, повинна збільшитися і пружність насиченої пари. Таким чином, з підвищенням температури пружність насиченої пари зростає.
Вже зазначалося, що якщо рідина випаровується без зміни температури, то до неї потрібно підводити тепло. Кількість тепла, яке потрібно підвести для того, щоб ізотермічні випарувати певну кількість рідини при зовнішньому тиску, рівному пружності насиченої пари, залежить від природи рідини і називається прихованою теплотою випаровування. Ця величина може бути розрахована на одиницю маси, або на моль рідини. У першому випадку вона називається питомою, у другому – молярної прихованою теплотою випаровування. Розглянувши фізичний механізм процесу випаровування, можна без зусиль зробити висновок, що прихована теплота випаровування є кількісною характеристикою сил міжмолекулярної взаємодії в рідині. Очевидно, що чим ці сили більше, тим більше прихована теплота випаровування.
Процес конденсації, пов’язаний з переходом молекул з пари в рідину, повинен супроводжуватися виділенням енергії. На підставі закону збереження енергії можна стверджувати, що прихована теплота конденсації повинна бути рівна прихованої теплоті випаровування.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)