Как найти конденсацию формула

Сергей Феликсович Савельев

Эксперт по предмету «Физика»

Задать вопрос автору статьи

Содержание:

• Испарение и конденсация — что это за процессы в физике
• Влажность воздуха
• Процесс образования пара, что при этом происходит
  • От чего зависит скорость испарения
• Какое количество теплоты выделяется
• Насыщенный, ненасыщенный и перенасыщенный пар
• Описание процесса перехода пара в жидкость, формула
• Где применяются процессы испарения и конденсации

Испарение и конденсация — что это за процессы в физике

Процессы парообразования классифицируют на два типа:

1. Испарение.
2. Кипение.

Жидкость может испаряться с поверхности в любых температурных условиях. К примеру, высыхание лужи можно наблюдать, когда температура окружающей среды составляет 10, 20 или 30 °C. Исходя из этого, можно сформулировать физическое определение процесса испарения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

В процессе испарения молекулы высвобождаются из жидкости. При этом энергия жидкого вещества уменьшается вместе с понижением температуры. Практическим подтверждением таких изменений являются ощущения человека после купания. После выхода из водоема чувствуется холод. При этом, если наблюдается ветреная погода, то испарение протекает интенсивнее, и становится холоднее, чем при отсутствии ветра.

Процесс испарения жидкости объясняет молекулярно-кинетическая теория. Молекулы вещества, находящегося в жидком состоянии, непрерывно перемещаются с разными скоростями. Определенные из них, обладающие самой большой скоростью и расположенные на границе поверхности жидкости и воздуха, со сравнительно большой энергией способны преодолеть притяжение соседних молекул, и покинуть жидкость. В результате образуется пар.

В связи с тем, что в процессе испарения жидкость покидают молекулы с большей внутренней энергией по сравнению с остальными, средняя скорость и средняя кинетическая энергия жидкости уменьшаются, за счет чего вещество остывает.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее родом. Например, эфир переходит в газообразное состояние быстрее, чем вода или растительное масло. Также на скорость испарения влияет движение воздуха над поверхностью жидкости. Практически это можно проверить с помощью сушки вещей на открытом воздухе. Если на улице ветрено, белье высыхает быстрее.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее температурой. В качестве примера можно рассмотреть воду, которая при 30 °C испарится быстрее, чем та же вода при температуре в 10 °C. Если воду налить в блюдце, то процесс ее испарения будет протекать быстрее по сравнению с испарением воды в стакане. Следовательно, на показатель скорости испарения оказывает влияние площадь поверхности жидкости.

Кипение представляет собой отдельный вид парообразования. Каждое вещество обладает определенной температурой кипения. В процессе испарения можно наблюдать не только образование пара, но и трансформацию молекул вещества из парообразного состояния в жидкое.

В качестве примера рассмотрим опыт с водой в стеклянной колбе. При повышении температуры жидкости спустя некоторое время возникают пузырьки. Они содержат воздух и насыщенный водяной пар, образованный в результате испарения воды внутри пузырьков. С повышением температуры можно наблюдать повышение давления внутри пузырьков, которые движутся вверх под действием выталкивающей силы.

В верхнем слое воды температура меньше, чем в нижнем. В пузырьках начинает происходить конденсация пара, что способствует уменьшению их объема. При равномерном нагреве воды пузырьки с паром поднимаются на поверхность и лопаются, после чего пар высвобождается во внешнюю среду. Вода кипит. Процесс протекает при определенной температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Температура, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Данный параметр определяется атмосферным давлением. Если оно повышается, то температура кипения будет выше. Опытным путем доказано, что при кипении температура жидкости сохраняет стабильное значение, несмотря на поступлении энергии из внешней среды.

Жидкость трансформируется в пар при кипении, что обусловлено отдалением молекул друг от друга и преодолением ими взаимного притяжения. Работа в этом случае совершается за счет подводимой к жидкости энергии.

Процесс заканчивается, когда весь объем жидкости будет преобразован в пар. Так как температура жидкости и пара во время кипения одинаковая, средняя кинетическая энергия молекул остается стабильной. В этом случае увеличивается только их потенциальная энергия.

На графике можно проследить взаимосвязь между температурой воды и временем при ее нагреве от комнатной температуры до температуры кипения (АБ), кипении (БВ), нагревании пара (ВГ), охлаждении пара (ГД), конденсации (ДЕ) и последующего охлаждения (ЕЖ).

При конденсации пара выделяется энергия. В окружающем мире можно наблюдать данное явление, когда в вечернее время летом при понижении температуры воздуха выпадает роса. Она представляет собой водяной пар, который содержится в воздухе. В процессе охлаждения пар конденсируется, и капли воды оседают на траве.

Конденсация протекает в одно время с испарением. Молекулы, которые покидают жидкость и находятся над ее поверхностью, движутся хаотично. При столкновении с соседними молекулами в определенный момент времени они приобретают скорость, направленную к поверхности жидкости, и возвращаются в жидкую среду.

В открытом сосуде вещества испаряются быстрее, чем происходит конденсация. При этом жидкость теряет в массе. Пар, который формируется над поверхностью жидкости, является ненасыщенным.

При помещении жидкости в закрытый сосуд поначалу количество покинувших ее молекул превышает число вернувшихся обратно. Со временем плотность пара, находящегося над жидкостью, повышается да такого значения, что число молекул, которые высвобождаются из жидкости, становится равным числу молекул, вернувшихся в жидкость. При этом наступает динамическое равновесие жидкости с ее паром.

В состоянии динамического равновесия пар является насыщенным. Когда резервуар с жидкостью и насыщенным паром нагревают, возрастает количество молекул, покидающих жидкость. Постепенно оно становится больше, чем число молекул, возвращающихся в жидкую среду.

Со временем равновесие восстанавливается, однако увеличиваются показатели плотности и давления пара, находящегося над жидкостью. В качестве примеров конденсации можно привести:

• облака;
• запотевшие окна и краны, по которым течет холодная вода;
• туман у носика чайника.

Влажность воздуха

Воздух при любых условиях содержит водяной пар, который образован в результате испарения воды. Влажность характеризует концентрацию водяного пара в воздухе.

В том случае, когда относительная влажность воздуха составляет (9,41*10^{-3} kg/m^{3}), в 1 м³ содержится (9,41*10^{-3} kg) водяного пара. Относительная влажность – это величина, которая характеризует степень влажности воздуха.

Формула расчета относительной влажности имеет вид:

(varphi =frac{rho}{rho _{0}}100%)

Температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, является точкой росы. Влажность измеряют с помощью психрометра, который состоит из влажного и сухого термометров. По показаниям этим приборов можно определить по таблице относительную влажность воздуха.

Процесс образования пара, что при этом происходит

В процессе испарения молекулы покидают жидкость, а также уносят с собой часть ее внутренней энергии. Известно, что температура оказывает влияние на скорость, с которой движутся молекулы. При одинаковой температуре скорость молекул, расположенных рядом, может несильно отличаться.

Однако определенная часть молекул будет перемещаться так быстро, что способна преодолеть притяжение других молекул, и покинуть жидкость. Данные молекулы испаряются, унося с собой энергию. Испарение является эндотермическим процессом, то есть протекает с поглощением энергии, которая высвобождается вместе с молекулами.

В результате потерь тепловой энергии в процессе испарения жидкость остывает. При повышении скорости испарения температура понижается сильнее. В том случае, когда жидкость испаряется медленно, тепловые потери восполняются. Это объясняется частичной отдачей тепловой энергии молекулами окружающего воздуха молекулам жидкости, что исключает значительное понижение ее температуры.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от нескольких факторов. К ним относят:

• силу притяжения молекул к соседним, что определяется родом вещества;
• площадь поверхности жидкости;
• движение воздуха над поверхностью вещества;
• температуру.

Известно, что жидкости испаряются с неодинаковой скоростью. К примеру, вода будет испаряться медленнее, чем ацетон, так как сила притяжения молекул воды друг к другу больше, чем аналогичный показатель, характерный для молекул ацетона.

Скорость испарения также определяется движением воздуха над ее поверхностью. Некоторые молекулы, которые испаряются, не обладают запасом кинетической энергии. Такие молекулы находятся вблизи вещества и возвращаются через какое-то время обратно. Если дует ветер, то такие молекулы улетают без возможности вернуться назад. Таким образом, скорость испарения жидкости увеличивается.

Известно, что молекулы испаряются с поверхности. В связи с этим, испарение веществ происходит быстрее, если площадь поверхности больше.

Жидкости испаряются, независимо от температуры. При нагреве процесс ускоряется. Это связано с ростом числа молекул, которые обладают энергией, достаточной для высвобождения из вещества. Когда температура повышается, увеличивается количество молекул с кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию взаимодействия молекул с соседними молекулами.

Какое количество теплоты выделяется

Вещества трансформируются из жидкого состояния в газообразное с неодинаковыми затратами энергии. Данная величина определяется, как удельная теплота парообразования.

В СИ удельная теплота парообразования обозначается, как L, и измеряется в Дж/кг.

Вычислить количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы вещество с массой m превратилось из жидкости в газ, можно путем умножения удельной теплоты парообразования L на массу вещества:

Q=L*m

В процессе конденсации пара будет выделено некоторое количество теплоты. Ее величина равна количеству теплоты, которое необходимо израсходовать для того, чтобы превратить жидкость в пар при той же температуре.

Насыщенный, ненасыщенный и перенасыщенный пар

Над жидкостью всегда присутствуют ее пары, образованные в результате испарения этой жидкости. Благодаря диффузии, молекулы частично возвращаются обратно в вещество.

Пар насыщенный, если количество молекул, которые покинули жидкость в течение определенного времени, равно числу молекул, вернувшихся в жидкость за это же время. В этом случае допустимо говорить о динамическом равновесии пара и жидкости.

Получить насыщенный пар можно опытным путем, например, при ограничении объема над поверхностью воды. В таком случае процесс может длиться только до определенного момента. Когда пар становится насыщенным, то большей концентрации молекул (значит, и давления) насыщенного пара при той же температуре достичь нельзя.

Таким образом, давление насыщенного пара обладает единственным значением, которое определяется лишь его температурой. При уменьшении насыщенного пара в объеме при стабильной температуре происходит конденсация пара в жидкость, в связи с тем, что концентрация частиц и давления пара достигают максимального значения.

Особенность пара состоит в том, что его давление р не превышает давление насыщенного пара (p_{n}), то есть (pleq p_{n}). Давление (p_{n}) определяется лишь температурой. Данное значение можно взять из справочника. Когда (p< p_{n}), пар является ненасыщенным, а при (p= p_{n}) – насыщенным.

В любых процессах пар рассматривают в виде трехатомного газа. Тогда i, то есть число степеней свободы у молекул пара, равно 6. Молярная емкость (c_{v}) при стабильном объеме составляет 3R. Тога внутренняя энергия пара равна:

(U=3nu RT)

где (nu) является количеством моль пара.

Если рассмотреть какой-то объем пара, запертый в резервуаре под поршнем, то при отводе и подводе тепла ненасыщенный пар будет вести себя, как обычный газ. Его масса будет оставаться стабильной в отличие от массы насыщенного пара, которая может изменяться.

В случае ненасыщенного пара применимы законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, а для насыщенного – нет. Можно рассмотреть поведение пара при различных условиях на практических примерах.

Имеется некий закрытый сосуд объемом 0,5 л при температуре ({100}^circ C), в котором находятся в равновесии пары воды и капля воды. Необходимо вычислить массу водяного пара в сосуде. Следует учесть, что при температуре ({100}^circ C) давление насыщенного пара соответствует атмосферному, поэтому (p={10}^5) Па. Уравнение Менделеева-Клапейрона имеет вид:

(pV=frac{m}{mu}RT)

Таким образом:

(m=frac{mu pV}{RT})

По аналогии с молярной массой воды можно определить молярную массу водяного пара:

(left(H_2Oright): mu =left(2cdot 1+16right)cdot {10}^{-3}=18cdot {10}^{-3} {kg}/{mol})

Универсальная газовая постоянная (R=8,31 {J}/{left(molcdot Kright)})

Можно перевести единицы в систему СИ, тогда:

объем сосуда (V=0,5 l=5cdot {10}^{-4} m^3)

температура пара (T=373 K)

В таком случае, водяной пар обладает массой:

(m=frac{18cdot {10}^{-3}cdot {10}^5cdot 5cdot {10}^{-4}}{8,31cdot 373}=2,9cdot {10}^{-4} kg=0,3 g)

В другом примере рассматривается сосуд объемом 1 л при температуре ({100}^circ C), в котором находятся в равновесии вода, водяной пар и азот. Объем жидкой воды намного меньше, чем объем резервуара. Давление в сосуде равно 300 кПа, атмосферное давление составляет 100 кПа. Необходимо вычислить общее количество пара, парциальное давление азота в системе, массу водяного пара, массу азота.

В первую очередь следует обратиться к уравнению Менделеева-Клапейрона для водяного пара и азота:

(pV=nu RT)

Исходя из этого, можно рассчитать общее количество вещества в газообразном состоянии:

(nu =frac{pV}{RT})

Универсальная газовая постоянная (R=8,31 {J}/{left(molcdot Kright)})

Необходимо перевести величины в СИ:

объем сосуда (V=1 l={10}^{-3} m^3)

давление в сосуде (p=300 kPa=3cdot {10}^5 Pa)

температура (T=373 K)

Таким образом:

(nu =frac{3cdot {10}^5cdot {10}^{-3}}{8,31cdot 373}=0,097 mol)

Согласно закону Дальтона, давление в сосуде равно:

(p=p_{steam}+p_{N_2})

Исходя из этого, парциальное давление азота:

(p_{N_2}=p-p_{steam})

При температуре ({100}^circ C) давление насыщенного пара такое же, как атмосферное:

(p_{steam}=100 kPa)

В таком случае:

(p_{N_2}=300-100=200 kPa)

Уравнение Менделеева-Клапейрона:

(p_{steam}V=frac{m_{steam}}{{mu}_{steam}}RT)

Масса водяного пара:

(m_{steam}=frac{{mu}_{steam}p_{steam}V}{RT})

Молярная масса водяного пара:

(left(H_2Oright): mu =left(2cdot 1+16right)cdot {10}^{-3}=18cdot {10}^{-3} {kg}/{mol})

Таким образом:

(m_{steam}=frac{18cdot {10}^{-3}cdot {10}^5cdot {10}^{-3}}{8,31cdot 373}=0,00058 kg=0,58 g)

Масса азота:

(m_{N_2}=frac{{mu}_{N_2}p_{N_2}V}{RT})

Молярная масса азота:

(left(N_2right): mu =2cdot 14cdot {10}^{-3}=28cdot {10}^{-3} {kg}/{mol})

Таким образом:

(m_{N_2}=frac{28cdot {10}^{-3}cdot 2cdot {10}^5cdot {10}^{-3}}{8,31cdot 373}=0,0018 kg=1,8 g)

Определение

Перенасыщенным или пересыщенным паром называют пар, который получается из насыщенного при увеличении давления при стабильной температуре.

Перенасыщенный пар получают двумя методами:

• повышение давления;
• охлаждение насыщенного пара.

Пересыщенный пар является метастабильным. Данное понятие означает то, что пар остается в стабильном состоянии в течение длительного времени. Однако при изменении температуры снижается давление, и начинается конденсация. В результате пар становится насыщенным, то есть устанавливается динамическое равновесие.

Описание процесса перехода пара в жидкость, формула

В процессе конденсации пар превращается в жидкость. При этом количество частиц вещества, которые возвращаются в жидкость в течение определенного времени, превышает число молекул, высвобождающихся из жидкости. Испарение и конденсацию можно наблюдать повсеместно.

К примеру, когда вода испаряется с поверхности водной оболочки планеты (гидросферы), почвы и растений, в воздухе в любое время будет содержаться водяной пар. В процессе его конденсации формируются облака, и выпадают осадки.

Над свободной поверхностью постоянно присутствуют ее пары. В том случае, когда резервуар с жидкостью открыт, при стабильной температуре концентрация молекул пара изменяется, уменьшаясь и увеличиваясь. В замкнутом пространстве при определенной температуре процесс испарения протекает до некого момента.

Это обусловлено одновременным испарением и переходом водяного пара в жидкость. Таким образом, при повышении температуры, плотность и давление насыщенного пара также увеличиваются. Примерную зависимость данных показателей описывает уравнение состояния идеального газа:

p=nkT

Давление насыщенного пара при стабильном объеме увеличивается из-за роста температуры жидкости и повышения концентрации молекул пара, его плотности и массы. Поэтому рассматриваемая зависимость является приближенной.

В начальный момент времени скорость роста давления насыщенного пара больше, чем аналогичный показатель идеального газа. При испарении всей жидкости пар перестает быть насыщенным, а его давление при стабильном объеме увеличивается прямо пропорционально температуре.

Из этого следует, что при неизменной температуре давление и плотность насыщенного пара не определяется занимаемым им объемом. Давление и плотность насыщенного пара при определенной температуре являются максимальными для пара, находящегося в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Когда объем ненасыщенного пара уменьшается, давление растет так же, как изменяется давление при уменьшении объема идеального газа. По достижению некого объема пар становится насыщенным. Дальнейшее сжатие приводит к превращению пара в жидкость. Когда весь пар трансформируется в жидкость, последующее уменьшение объема спровоцирует резкий рост давления, так как жидкости плохо сжимаются.

При температуре, превышающей некоторое значение, при любом сжатии пар не превратиться в жидкость. Таким образом, переход вещества из газообразного состояния в жидкое возможен не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется критической температурой. Для каждого вещества характерна определенная критическая температура.

Примерную зависимость между давлением насыщенного пара и его плотностью описывают формулой:

(p_{H}=frac{rho _{h}}{mu }RT)

Где применяются процессы испарения и конденсации

Данные процессы активно применяются в технике и широко распространены в природе. На тепловых электростанциях вода превращается в пар, вращающий турбину. Отработанный пар после конденсации применяют для отопления разных объектов.

С помощью испарения сушат древесину, ягоды, разные материалы. Конденсация нередко используется для очистки воды. При этом грязную воду трансформируют в пар. Другие популярные области использования рассматриваемых процессов:

• организация холодильного процесса в холодильниках;
• снижение температуры воды в градирнях;
• разделение веществ в ректификационной колонне;
• сушка воздуха.

Процесс испарения активно используется в энергетике, холодильной технике, сушильном оборудовании, испарителях. К примеру, спускаемые аппараты в космической технике покрыты веществами, которые способы быстро испаряться. За счет испарения происходит охлаждение корпуса аппарата, когда он преодолевает слои атмосферы.

В природе можно наблюдать масштабное явление под названием круговорот воды. Следует отметить, что влажность воздуха влияет на здоровье человека. Данный показатель контролируют и регулируют при хранении книг, картин, овощей, фруктов, продуктов питания, древесины.

Идея процессов испарения и конденсации лежит в основе устройства дистиллятора. С его помощью получают химически чистую воду, которую, к примеру, используют для заливки автомобильных аккумуляторов. Перенасыщенный пар используют в камере Вильсона, что позволяет визуализировать и фотографировать частицы для изучения их поведения.