Випаровування, конденсація, кипіння
Будь-яка речовина за певних умов може перебувати в різних агрегатних станах - твердому, рідкому і газоподібному. Перехід з одного стану в інший називається фазовим переходом. Випаровування і конденсація є прикладами фазових переходів.
Всі реальні гази (кисень, азот, водень і т. Д.) За певних умов здатні перетворюватися в рідину. Однак перетворення газу в рідину може відбуватися тільки при температурах нижче певної, так званої критичної температуриTкр. Наприклад, для води критична температура дорівнює 647,3 К, для азоту 126 К, для кисню 154,3 К. При кімнатній температурі (≈ 300 К) вода може знаходитися і в рідкому, і в газоподібному станах, а азот і кисень існують тільки у вигляді газів.
Випаровуванням називається фазовий перехід з рідкого стану в газоподібний. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, випаровування - це процес, при якому з поверхні рідини вилітають найбільш швидкі молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію їх зв'язки з іншими молекулами рідини. Це призводить до зменшення середньої кінетичної енергії залишилися молекул, т. Е. До охолодження рідини (якщо немає підведення енергії від оточуючих тел).
Конденсація - це процес, зворотний процесу випаровування. При конденсації молекули пара повертаються в рідину.
У закритій посудині рідина і її пар можуть перебувати в стані динамічної рівноваги. коли число молекул, що вилітають з рідини, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину з пара, т. е. коли швидкості процесів випаровування і конденсації однакові. Таку систему називають двухфазной. Пар, що знаходиться в рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.
Число молекул, що вилітають з одиниці площі поверхні рідини за одну секунду, залежить від температури рідини. Число молекул, які повертаються з пари в рідину, залежить від концентрації молекул пара і від середньої швидкості їх теплового руху, яка визначається температурою пари. Звідси випливає, що для даної речовини концентрація молекул пари при рівновазі рідини і її пари визначається їх рівноважної температурою. Встановлення динамічної рівноваги між процесами випаровування та конденсації при підвищенні температури відбувається при більш високих концентраціях молекул пара. Так як тиск газу (пара) визначається його концентрацією і температурою, то можна зробити висновок: тиск насиченої пари p0 даної речовини залежить тільки від його температури і не залежить від обсягу. Тому ізотерми реального газу на площині (p. V) містять горизонтальні ділянки, відповідні двухфазной системі (рис. 3.4.1).
Малюнок 3.4.1. Ізотерми реального газу. Область I - рідина, область II - двофазна система «рідина + насичена пара», область III - газоподібна речовина. K - критична точка.
При підвищенні температури тиск насиченої пари і його щільність зростають, а щільність рідини зменшується через теплового розширення. При температурі, що дорівнює критичній температурі Tкр для даної речовини, щільності пара і рідини стають однаковими. При T> Tкр зникають фізичні відмінності між рідиною і її насиченим паром.
Якщо ізотермічні стискати ненасичений пар при T З газоподібного стану в рідке можна перейти, минаючи двухфазную область. Для цього потрібно зробити процес в обхід критичної точки K. Один з можливих процесів такого роду показаний на рис. 3.4.1 ламаною лінією ABC. В атмосферному повітрі завжди присутні пари води при деякому парціальному тиску p. яке, як правило, менше тиску насиченого пара p0. Ставлення p / p0. виражене у відсотках, називається відносною вологістю повітря. Ненасичений пар можна теоретично описувати за допомогою рівняння стану ідеального газу при звичайних для реальних газів обмеженнях: тиск пара має бути не надто велике (практично p ≤ (10 6 -10 7) Па), а його температура вище деякого певного для кожного речовини значення. До насиченого пару також можна наближено застосовувати закони ідеального газу за умови, що для кожної температури T тиск p0 насиченої пари визначається по кривій равновесіяp0 (T) для даної речовини. Тиск p0 насиченої пари дуже швидко зростає з ростом температури T. Залежність p0 (T) можна отримати із законів ідеального газу. Тиск газу при постійній концентрації молекул зростає прямо пропорційно температурі. У насиченому парі при підвищенні температури зростає не тільки середня кінетична енергія руху молекул, а й їх концентрація. Тому тиск насиченої пари при підвищенні температури зростає швидше, ніж тиск ідеального газу при постійній концентрації молекул. Випаровування може відбуватися не тільки з поверхні, але і в об'ємі рідини. У рідині завжди є найдрібніші бульбашки газу. Якщо тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску (т. Е. Тиску газу в бульбашках) або перевищує його, рідина буде випаровуватися всередину бульбашок. Пухирці, наповнені паром, розширюються і спливають на поверхню. Цей процес називається кипінням. Таким чином, кипіння рідини починається при такій температурі, при якій тиск її насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску. Зокрема, при нормальному атмосферному тиску вода кипить при температурі 100 ° С. Це означає, що при такій температурі тиск насичених парів води дорівнює 1 атм. При підйомі в гори атмосферний тиск зменшується, і тому температура кипіння води знижується (приблизно на 1 ° С на кожні 300 метрів висоти). На висоті 7 км тиск становить приблизно 0,4 атм, і температура кипіння знижується до 70 ° С. У герметично закритій посудині рідина кипіти не може, т. К. При кожному значенні температури встановлюється рівновага між рідиною і її насиченим паром. За кривою рівноваги p0 (T) можна визначати температури кипіння рідини при різних тисках. Зображена на рис. 3.4.1 картина ізотерм реального газу описує процеси випаровування і конденсації, т. Е. Фазовий перехід між газоподібної і рідкої фазами речовини. Насправді ця картина є неповною, т. К. З газоподібного і рідкого станів будь-яка речовина може перейти в твердий стан. При заданій температурі T термодинамічна рівновага між двома фазами одного і того ж речовини можливо лише при певному значенні тиску в системі. Залежність рівноважного тиску від температури називається кривою фазового рівноваги. Прикладом може служити крива рівноваги p0 (T) насиченої пари і рідини. Якщо криві рівноваги між різними фазами даної речовини побудувати на площині (p. T), то вони розбивають цю площину на окремі області, в яких речовина існує в однорідному агрегатному стані - твердому, рідкому або газоподібному (рис. 3.4.2). Зображені в системі координат (p. T) криві рівноваги називаються фазової діаграмою. Малюнок 3.4.2. Типова фазову діаграму речовини. K - критична точка, T - потрійна точка. Область I - тверде тіло, область II - рідина, область III - газоподібна речовина. Крива OT. відповідна рівноваги між твердою і газоподібної фазами, називається кривою сублімації. Крива TK рівноваги між рідиною і парою називається кривою випаровування. вона обривається в критичній точці K. Крива TM рівноваги між твердим тілом і рідиною називається кривою плавлення. Криві рівноваги сходяться в точці T. в якій можуть співіснувати в рівновазі всі три фази. Ця точка називається потрійною точкою. Для багатьох речовин тиск Pтр в потрійній точці менше 1 атм ≈ 10 5 Па. Такі речовини при нагріванні при атмосферному тиску плавляться. Наприклад, потрійна точка води має координати tтр = 273,16 К, Pтр = 6,02 × 10 2 Па. Ця точка використовується в якості опорної для калібрування абсолютної температурної шкали Кельвіна (див. §3.2). Існують, однак, і такі речовини, у яких Pтр перевищує 1 атм. Так для вуглекислоти (CO2) тиск Pтр = 5,11 атм і температура tтр = 216,5 К. Тому при атмосферному тиску тверда вуглекислота може існувати тільки при низькій температурі, а в рідкому стані при p = 1 атм вона взагалі не існує. У рівновазі зі своїм парою при атмосферному тиску вуглекислота знаходиться при температурі 173 К або -80 ° С в твердому стані. Це широко застосовуваний «сухий лід», який ніколи не плавиться, а тільки випаровується (сублімує).Схожі статті