physics.zfftt.kpi.ua

При зміні температури тіла змінюється й співвідношення між кінетичною енергією теплового руху молекул та їхньою енергією зв'язку. Тому залежно від температури та тиску, кожна речовина може перебувати в твердому, рідкому чи газоподібному стані та переходити з одного в інший, зокрема, з рідкого в газоподібний. При цьому речовина, що з рідкого стану перейшла в газоподібний, називається парою, а сам такий перехід  – пароутворенням.

На загал Існує два види пароутворення – випаровування та кипіння.

(Примітка. Деякі тверді речовини здатні прямо переходити в газоподібний стан, проминаючи рідкий. В такому разі говорять про сублімацію).

  Випаровування відбувається з вільної поверхні рідини і пояснюється тим, що в рідинах енергія зв'язку молекул є не на багато більша за середню енергію їхнього теплового руху. Через це в рідині при будь-якій (крім дуже низької) температурі є помітна кількість молекул, які здатні подолати зв'язок з рештою і вийти за межі рідини. При цьому через віднесення енергії "гарячими" молекулами рідина охолоджується. Зазвичай це охолодження не є сильним, бо указана втрата енергії значною мірою компенсується завдяки теплообміну з довкіллям.  Але за відсутності такого теплообміну, як от при інтенсивному відкачуванні теплоізольованої колби з водою, охолодження може виявитися настільки сильним, що вода замерзне.

Якщо посудину з рідиною щільно закрити, то разом із випаровування буде відбуватися й конденсація – повернення частини молекул пари в рідину. При цьому кількість молекул, які випаровуються, є пропорційна площі поверхні рідини, а тих, які конденсуються, – загальній  кількості молекул пари в посудині. Тож на початку кількість молекул, які покидають рідину, перевищує кількість молекул, які повертаються, і концентрація молекул пари в посудині з часом зростає. Така пара називається ненасиченою і, як свідчить дослід,

ненасичена пара задовольняє рівняння Клапейрона (1.13), і всі процеси в ній відбуваються, як в ідеальному газі.

При невеликій кількості рідини в посудині пароутворення буде переважати конденсацію аж до випаровування всієї рідини, причому пара весь час лишатиметься ненасиченою. Але якщо рідини в посудині багато, то в якийсь момент кількості молекул, які вилітають і повертаються, зрівняються, і між парою та рідиною встановиться динамічна рівновага.

Пара, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою парою.

 Параметри насиченої пари теж задовольняють рівняння Клапейрона, але процеси в ній суттєво відрізняються від таких в ідеальному газі. Це пояснюється тим, що насичена пара існує тільки разом зі своєю рідиною і перебуває в динамічній рівновазі з нею. Тому при будь-якій зміні параметрів стану  змінюється і кількість пари в посудині так, що

тиск насиченої пари при сталій температурі (T = const) не залежить від об'єму: P = const (рис.9.2а).

Це пояснюється тим, що при зміні об'єму пари динамічна рівновага між нею та рідиною зміщується в бік відновлення концентрації молекул пари, тож і тиску. Тиск почне залежати від об'єму лише після повного випаровування рідини. Отже, для насиченої пари закон Бойля-Маріотта (1.15) не виконується.

Інша відміна від ідеального газу полягає в тому, що

для насиченої пари не виконуються закони Гей-Люссака (1.16) та Шарля, (1.18), рис. 9.2б,в.

Відхилення від прямої пропорційної залежності в обох випадках пояснюється тим, що при підвищенні температури зростає не лише швидкість молекул, а ще й їхня концентрація.

Слід наголосити, що така незвична  "поведінка"  параметрів  стану в насиченій парі не стосується самих їхніх значень: у кожному стані вони є пов'язані рівнянням Клапейрона, як і в ідеальному газі. Просто в насиченій парі неможливо здійснювати ізопроцеси, тобто змінювати стан так, аби кількість ν пари лишалася незмінною.

Окрім випаровування, є ще один вид пароутворення в рідинах – кипіння, коли пара утворюється, головно, не на поверхні, а в об'ємі рідини. При кипінні на стінках посудини та в об'ємі рідини з'являються бульбашки, заповнені насиченою парою, які спливають на поверхню і лускають, випускаючи велику кількість пари.

Існування таких бульбашок можливе лише за умови, що тиск пари в них є не менший, ніж зовнішній тиск на бульбашку з боку рідини. Отже кипіння починається тоді, коли тиск насиченої пари зрівняється із зовнішнім тиском на вільну поверхню рідини, котрий у відкритій посудині збігається із атмосферним тиском. І позаяк тиск насиченої пари при заданій температурі залежить від природи рідини,

кожна рідина при заданому тиску має свою визначену температуру кипіння.

 Зокрема, температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску (760 мм.рт.ст.) є однією з "реперних точок" шкали Цельсія і прийнята рівною 100 °С.

При збільшені тиску  температура кипіння рідини зростає, а при зменшенні зменшується, як схематично показано на рис. 9.3.

Більшу частину поверхні Землі покривають океани, моря та інші водойми. Тому в атмосфері присутня значна кількість водяної пари, що істотно впливає на клімат та умови життя в різних географічних зонах. Вміст водяної пари в повітрі характеризують вологістю. Розрізняють абсолютну та відносну вологості. У

У фізиці абсолютною вологістю називають масу водяної пари в одиниці об'єму повітря, виражену в (г/м³).

Інакше кажучи, мірою абсолютної вологості є густина \( \rho \) водяної пари у повітрі.

У метеорології абсолютною вологістю називають парціальний тиск Р водяної пари в повітрі, виміряний в мм.рт.ст., який ще називають пружністю пари.

Цікаво, що в інтервалі температур (0 ÷ 30)°С числові значення Р(мм.рт.ст.)  ≈ \(\rho\) (г/м³), (відміна складає  (1 ÷  5)%).

Суб'єктивно сухість та вологість повітря відчувається не за власне вмістом водяної пари, а за тим, наскільки вона далека чи близька до насичення. Тож, окрім абсолютної, широко використовують

відносну вологість – відношення абсолютної вологості до густини (або парціального тиску) насиченої водяної пари при тій самій температурі:

Тиск насиченої пари спадає при зменшенні температури. Тому зниження температури повітря при незмінній абсолютній вологості призводить до збільшення відносної вологості, й може статися, що за певної температури T_р вона досягне 100%, тобто пара стане насиченою. При цьому почнеться конденсація пари в повітрі та на поверхні предметів. Візуально це проявляється як туман, або випадіння роси.

Температуру T_р, при якій водяна пара, що міститься у повітрі, стає насиченою, називають точкою роси.

(Примітка. Величина T_р залежить від вмісту пари у повітрі. При малій абсолютній вологості може статися що T_р < 273 К (0 °С). В такому разі при досягненні температури T = T_р випадає не роса, а іній).