В жидких и твердых веществах всегда существует некоторое количество молекул, имеющих большую кинетическую энергию, которая позволяет им вырваться “наружу”, то есть испариться. Молекулы, покинув основное вещество, переходят в газообразное состояние, становятся паром. Часть из них теряет энергию, “охлаждается”, и возвращается обратно. Этот процесс именуется конденсацией. Наблюдения показывают, что испарение и конденсация жидких и твердых веществ подчиняются одним закономерностям.
Испарение твердых веществ происходит по тем же причинам, но гораздо медленнее и незаметнее. Фиксация этих процессов, например, для обнаружения взрывоопасных веществ, требует использования специальных приборов.
Какой пар называется насыщенным
Итак, молекулы все время вылетают из вещества и возвращаются обратно. Если вылетает больше молекул, чем возвращается, жидкость испаряется. Если, наоборот, больше молекул возвращается, чем вылетает, значит происходит конденсация. Если же число вылетающих молекул равно числу возвращающихся, то устанавливается так называемое динамическое (подвижное) равновесие между веществом и паром. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (веществом), называется насыщенным паром.
Насыщенный пар, содержащий капельки жидкости, называется влажным, а не содержащий — сухим. Состояние сухого пара неустойчиво: при малейшем отводе теплоты он частично конденсируется и становится влажным, а при подводе тепла превращается в перегретый пар.
Состояние динамического равновесия для воды при комнатной температуре достигается, когда за 1 секунду жидкость покидают и возвращаются обратно 1022 молекул с 1 см2 поверхности воды.
Когда скорость испарения превышает скорость конденсации, пар называется ненасыщенным, а динамическое равновесие при этом отсутствует.
Свойства насыщенного пара
Рассмотрим некоторые свойства пара на примере воды и ее паров в замкнутом объеме. Наблюдения и эксперименты показывают, что давление насыщенного пара при постоянной температуре остается постоянным. Состояние насыщения означает, что достигнутая концентрация молекул воды, а значит и плотность насыщенного пар ρнп не меняются. Если при постоянной температуре начать сжатие (уменьшение) объема, то начнется конденсация, равновесие нарушится. В первый момент плотность пара начнет увеличиваться, конденсироваться будет больше чем испаряться, до тех пор пока снова не установится равновесие. В состоянии динамического равновесия концентрация молекул и плотность пара примут свои прежние значения.
Таким образом, давление пара Pп при данной температуре не может превышать значение давления насыщенного пара Pнп.
Pп ≤ Pнп.
Рис. 3. График зависимости давления насыщенных паров воды от температуры
С ростом температуры давление насыщенного пара быстро растет, что вполне объяснимо, так как одновременно растет и скорость молекул пара, и их количество (концентрация) за счет испарения.
Таблицы свойств насыщенных паров
С помощью специальных измерений для большинства веществ получены значения давлений насыщенных паров при различных температурах. Эти данные сведены в справочные таблицы, которые можно найти как в напечатанном виде, так и на соответствующих интернет-сайтах. В качестве примера ниже приведена такая таблица для воды и ртути.
Давление насыщенных паров воды и ртути при различных температурах
|
Температура,0С |
Давление паров воды, мм.рт.ст. |
Давление паров ртути, мм.рт.ст. |
Температура,0С |
Давление паров воды, мм.рт.ст. |
Давление паров ртути, мм.рт.ст. |
|
0 |
4,58 |
0,00021 |
100 |
760 |
0,28 |
|
20 |
17,5 |
0,0013 |
120 |
1489 |
0,76 |
|
40 |
55,3 |
0,0065 |
140 |
2711 |
1,85 |
|
60 |
149 |
0,026 |
200 |
11660 |
17,2 |
|
80 |
355 |
0,092 |
300 |
64450 |
245 |
|
90 |
526 |
0,16 |
374 |
165530 |
1100 |
Тепловые и атомные электростанции используют горячий, насыщенный водяной пар для вращения паровых турбин. Чем больше температура пара и его давление, тем больше КПД турбин. Технический прогресс позволил за последние сто лет поднять начальное давление насыщенного пара с 1,5 до 24,5 МПа (мегапаскаль — единица измерения давления, 1 МПа = 7500 мм.рт.ст = 10 атмосфер), то есть в 16 раз, а начальную температуру с 300 до 600 0С, т.е. в два раза.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали как устроен физический процесс испарения. Насыщенный пар соответствует состоянию динамического равновесия между веществом и паром. Давление пара Pп при данной температуре не может превышать значение давления насыщенного пара Pнп. Значения давления насыщенных паров приведены в справочных таблицах свойств различных жидкостей.
