Испарение и конденсация.
Если открытый стакан с водой оставить на долгое время, то в конце концов вода полностью улетучится. Точнее — испарится. Что такое испарение и почему оно происходит?
При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости большинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой температуры). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней как в меньшую, так и большую сторону.
Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т. е. на границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный
процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.
Итак, испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости.
Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость. Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара — процесс, обратный испарению жидкости.
Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, пропорционально массе жидкости:
Q = Lm
Удельной теплотой парообразования L называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения.
Насыщенный пар.
А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.
Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. Наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром: за единицу времени из жидкости будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого момента, количество жидкости перестанет убывать, а количество пара — увеличиваться; пар достигнет «насыщения». Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.
Давление насыщенного пара не зависит от его объёма, но растёт с температурой.
Кипение.
| Начнем с наблюдения. Нагреем кастрюлю водопроводной воды снизу пламенем или электрическом источником тепла. При нагревании воды растворенные в ней молекулы воздуха выделяются из раствора и собираются в крошечные пузырьки в трещинах на две кастрюли. (Эти участки достаточно малы, чтобы поверхностное натяжение не дало воде залить их при наполнении кастрюли.) Со временем каждый пузырек раздувается, отрывается от трещины и всплывает на поверхность воды. Так как трещина еще заполнена воздухом, там начинает образовываться другой пузырек. |
При дальнейшем повышении температуры кастрюли нижний слой воды начнет испаряться, и молекулы воды будут собираться в маленькие пузырьки пара в сухих трещинах. Эта фаза кипения отмечена отрывистыми звуками, гудением и иногда жужжанием. Вода почти поет о том, как ей не нравится нагреваться. Каждый раз, как пузырек пара поднимается в более холодную воду, он внезапно исчезает, потому что пар внутри него конденсируется. При каждом таком исчезновении возникает звуковая волна – гудение, которое вы слышите. Когда температура всей массы воды повысится, пузырьки не смогут исчезнуть, пока они не оторвутся от трещин и не пройдут часть пути к поверхности воды.
Если вы продолжаете нагревать кастрюлю, шум исчезающих пузырьков становится громче, а потом исчезает. Шум начинает смягчаться, когда вся вода достаточно горяча, чтобы пузырьки пара достигли поверхности; там они лопаются с легким всплеском. Теперь вода кипит.
Пузырек на Пузырек оторвался, Объем пузырька Во время кипения объем
дне сосуда. остался зародыш. при подъеме пузырька при подъеме
уменьшится. увеличивается.
Кипением называется процесс испарения внутри жидкости, при котором пузырьки пара расширяются и всплывают на поверхность жидкости. Температура кипения жидкости зависит от давления – она тем больше, чем выше давление.
Кипение происходит при одинаковой для данной жидкости температуре, когда давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению. Эту температуру называют температурой кипения.
Влажность воздуха.
Содержание водяного пара в воздухе – его влажность – характеризуется рядом величин
а) упругость водяного пара – парциальное давление водяного пара.
б) абсолютная влажность – величина, показывающая массу водяного пара в 1 м3 воздуха.
в) относительная влажность – отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре (упругости водяного пара), к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в %
φ ‗ Р 100%
Р0
г) точка росы – это температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным.
Приборы для измерения влажности.
Конденсационный гигрометр (от греческих слов hygros – влажный и metreo – измеряю).
При понижении температуры, относительная влажность воздуха увеличивается. При некоторой температуре, называемой точкой росы, водяной пар становится насыщенным. Это означает, что в воздухе находится максимально возможное количество водяных паров. Относительная влажность воздуха равна 100 %. Дальнейшее понижение температуры приводит к тому, что образующийся излишек водяных паров начинает конденсироваться в виде капелек росы или тумана.
Для определения относительной влажности воздуха, можно искусственно понизить температуру воздуха в какой-то ограниченной области до точки росы. Абсолютная влажность и, соответственно, давление водяных паров при этом останутся неизменными. Сравнивая давление водяного пара при точке росы с давлением насыщенного пара, которое могло бы быть при интересующей нас температуре, мы тем самым, найдем относительную влажность воздуха.
Быстрого охлаждения можно добиться при интенсивном испарении какой-нибудь летучей жидкости.
Конденсационный гигрометр состоит из металлической коробочки с двумя отверстиями. В коробочку заливается эфир. С помощью резиновой груши через коробочку прокачивается воздух. Эфир очень быстро испаряется, температура коробочки и воздуха, находящегося вблизи нее, понижается, а относительная влажность растет. При некоторой температуре, которая измеряется термометром, вставленным в отверстие прибора, поверхность коробочки покрывается мельчайшими капельками росы. Чтобы точнее зафиксировать момент появления на поверхности коробочки росы, эта поверхность полируется до зеркального блеска, а рядом с коробочкой для контроля располагается отполированное металлическое кольцо. Значения давления и плотности насыщенного пара при разных температурах можно найти в справочниках. Ниже приведен фрагмент соответствующей таблицы.
Пусть, например, измерения проводятся при температуре окружающего воздуха 20 °С. Давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно 2,33 кПа. Коробочка конденсационного гигрометра покрылась капельками росы при температуре 5 °С. Этой температуре соответствует давление насыщенного водяного пара 0,88 кПа. Относительная влажность воздуха
Психрометр (от греческих слов: psychros – холодный и metreo – измеряю) – прибор для определения влажности и температуры воздуха. Психрометр состоит из двух одинаковых термометров. Баллончик с жидкостью одного из термометров оборачивается тряпочкой, конец которой опущен в чашечку с водой. Благодаря этому тряпочка всегда остается влажной. При испарении воды тряпочка и баллончик охлаждаются, вследствие чего показания влажного термометра оказываются меньшими, чем показания сухого термометра. Зная разницу показаний термометров и показания сухого термометра, можно по специальным психрометрическим таблицам определить относительную влажность воздуха. Если воздух предельно насыщен водяными парами и его относительная влажность равна 100 %, термометры будут давать одинаковые показания.
Например, пусть сухой термометр показывает температуру 24 °С, а влажный 21 °С. Разность показаний сухого и влажного термометра составляет 3 °С. На пересечении соответствующих строки и столбца находим, что относительная влажность воздуха равна 77 %.
|
Волосной гигрометр.
Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса и некоторых органических пленок изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Если волос или пленку через передаточный механизм соединить с подвижной стрелкой, укрепленной на оси, и проградуировать шкалу, то с помощью такого прибора можно напрямую измерять относительную влажность воздуха.