Вы когда-нибудь оставляли бутылку воды на несколько часов под палящим солнцем и слышали «шипящий» звук, открывая ее? Этот звук вызван давлением пара. В химии давление пара – это давление, оказываемое парами жидкости, которая испаряется в герметично закрытом сосуде. Чтобы найти давление пара при данной температуре, воспользуйтесь уравнением Клапейрона-Клаузиуса: .

Шаги

Используя уравнение Клапейрона-Клаузиуса

Запишите уравнение Клапейрона-Клаузиуса, которое используется для расчета давления пара при его изменении с течением времени. Эту формулу можно использовать в большинстве физических и химических задач. Уравнение выглядит следующим образом: ln(P1/P2) = (ΔH vap /R)((1/T2) - (1/T1)) , где:

Подставьте в уравнение Клапейрона-Клаузиуса данные вам значения величин. В большинстве задач даются два значения температуры и значение давления или два значения давления и значение температуры.

• Например, в сосуде находится жидкость при температуре 295 К, а давление ее паров равно 1 атмосфере (1 атм). Найдите давление паров при температуре 393 K. Здесь вам даны два значения температуры и значение давления, поэтому вы можете найти другое значение давления при помощи уравнения Клапейрона-Клаузиуса. Подставив данные вам значения в формулу, вы получите: ln(1/P2) = (ΔH vap /R)((1/393) - (1/295)) .
• Обратите внимание, что в уравнении Клапейрона-Клаузиуса температура всегда измеряется в кельвинах, а давление в любых единицах измерения (но они должны быть одинаковыми для Р1 и Р2).

1. Подставьте константы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса содержит две константы: R и ΔH vap . R всегда равна 8,314 Дж/(К×моль). Значение ΔH vap (энтальпия испарения) зависит от вещества, давление паров которого вы пытаетесь найти; эту константу, как правило, можно найти в таблице в учебниках по химии или на сайтах (например, ).

   • В нашем примере допустим, что в сосуде находится вода. ΔH vap воды равна 40,65 кДж/моль или равна 40650 Дж/моль.
   • Подставьте константы в формулу и получите: ln(1/P2) = (40650/8314)((1/393) - (1/295)).

2. Решите уравнение при помощи алгебраических операций.

   • В нашем примере неизвестная переменная находится под знаком натурального логарифма (ln). Для избавления от натурального логарифма превратите обе стороны уравнения в степень математической константы «е». Другими словами, ln(x) = 2 → e ln(x) = e 2 → x = e 2 .
   • Теперь решите уравнение:
   • ln(1/P2) = (40650/8,314)((1/393) - (1/295))
   • ln(1/P2) = (4889,34)(-0,00084)
   • (1/P2) = e (-4,107)
   • 1/P2 = 0,0165
   • P2 = 0.0165 -1 = 60,76 атм. Это имеет смысл, так как повышение температуры в герметично закрытом сосуде на 100 градусов приведет к увеличению парообразования, что значительно увеличит давление пара.

   Вычисление давления пара в растворах

   1. Запишите закон Рауля. В реальной жизни чистые жидкости встречаются редко; зачастую мы имеем дело с растворами. Раствор получается при добавлении небольшого количества определенного химического вещества, называемого «растворенное вещество», в большее количество другого химического вещества, называемого «растворитель». В случаях растворов пользуйтесь законом Рауля: , где:

      • P раствор – давление паров раствора.
      • P растворитель – давление паров растворителя.
      • X растворитель – мольная доля растворителя.
      • Если вы не знаете, что такое «мольная доля», читайте дальше.

   2. Определите, какое вещество будет растворителем, а какое – растворенным веществом. Напомним, что растворенное вещество – это вещество, растворяемое в растворителе, а растворитель – это вещество, растворяющее растворенное вещество.

      Найдите температуру раствора, так как она будет влиять на давление его пара. Чем выше температура, тем выше давление паров, так как с ростом температуры растет парообразование.

      • В нашем примере допустим, что температура сиропа равна 298 K (около 25˚С).

   3. Найдите давление паров растворителя. В справочниках по химии приводятся значения давления паров многих распространенных химических веществ, но, как правило, такие значения даны при температуре веществ в 25°С/298 К или при их температурах кипения. Если в задаче вам даны такие температуры, используйте значения из справочников; в противном случае вам необходимо вычислить давление паров при данной температуре вещества.

      Найдите мольную долю растворителя. Для этого найдите отношение числа молей вещества к общему числу молей всех веществ, имеющихся в растворе. Другими словами, мольная доля каждого вещества равна (число молей вещества)/(общее число молей всех веществ).

   4. Теперь подставьте данные и найденные значения величин в уравнение Рауля, приведенное в начале этого раздела (P раствор = P растворитель X растворитель ).

      • В нашем примере:
      • P раствор = (23,8 мм рт. ст.)(0,947)
      • P раствор = 22,54 мм рт. ст. Это имеет смысл, так как в большом количестве воды растворено небольшое количество сахара (если измерять в молях; в литрах их количество одинаково), поэтому давление паров незначительно уменьшится.

   Вычисление давления пара в особых случаях

   1. Определение стандартных условий. Зачастую в химии используются значения температуры и давления как своего рода значения «по умолчанию». Такие значения называются стандартными температурой и давлением (или стандартными условиями). В задачах на давление пара часто упоминаются стандартные условия, поэтому лучше запомнить стандартные значения:

      • Температура: 273,15 K/0˚C/32 F
      • Давление: 760 мм рт.ст./1 атм./101,325 кПа

   2. Перепишите уравнение Клапейрона-Клаузиуса так, чтобы найти другие переменные. В первом разделе этой статьи было показано, как вычислять давления паров чистых веществ. Однако не во всех задачах требуется найти давление P1 или P2; во многих задачах нужно вычислить температуру или значение ΔH vap . В таких случаях перепишите уравнение Клапейрона-Клаузиуса, обособив неизвестную величину на одной стороне уравнения.

      • Например, дана неизвестная жидкость, давление пара которой равно 25 торр при 273 К и 150 Торр при 325 К. Нужно найти энтальпию испарения этой жидкости (то есть ΔH vap). Решение этой задачи:
      • ln(P1/P2) = (ΔH vap /R)((1/T2) - (1/T1))
      • (ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = (ΔH vap /R)
      • R × (ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = ΔH vap Теперь подставьте данные вам значения:
      • 8,314 Дж/(K × моль) × (-1,79)/(-0,00059) = ΔH vap
      • 8,314 Дж/(K × моль) × 3033,90 = ΔH vap = 25223,83 Дж/моль

   3. Учтите давления пара растворенного вещества. В нашем примере из второго раздела этой статьи растворенное вещество – сахар – не испаряется, но если растворенное вещество производит пар (испаряется), давление такого пара следует учесть. Для этого воспользуйтесь модифицированным видом уравнения Рауля: P раствор = Σ(P вещество X вещество), где символ Σ (сигма) означает, что необходимо сложить значения давлений паров всех веществ, из которых состоит раствор.

      • Например, рассмотрим раствор, состоящий из двух химических веществ: бензола и толуола. Общий объем раствора 120 миллилитров (мл); 60 мл бензола и 60 мл толуола. Температура раствора равна 25°С, а давление паров при 25°С равно 95,1 мм рт.ст. для бензола и 28,4 мм рт.ст. для толуола. Необходимо вычислить давление паров раствора. Мы можем сделать это при помощи плотностей веществ, их молекулярных масс и значений давления паров:
      • Масса (бензол): 60 мл = 0,06 л × 876,50 кг/1000 л = 0,053 кг = 53 г
      • Масса (толуол): 0,06 л × 866,90 кг/1000 л = 0,052 кг = 52 г
      • Моль (бензол): 53 г × 1 моль/78,11 г = 0,679 моль
      • Моль (толуол): 52 г × 1 моль/92,14 г = 0,564 моль
      • Общее число молей: 0,679 + 0,564 = 1,243
      • Мольная доля (бензол): 0,679/1,243 = 0,546
      • Мольная доля (толуол): 0,564/1,243 = 0,454
      • Решение: P раствор = P бензол X бензол + P толуол X толуол
      • P раствор = (95,1 мм рт. ст.)(0,546) + (28,4 мм рт. ст.)(0,454)
      • P раствор = 51,92 мм рт. ст. + 12,89 мм рт. ст. = 64,81 мм рт. ст.
   • Для использования уравнения Клапейрона Клаузиуса температура должна быть указана в градусах Кельвина (обозначается К). Если у вас дана температура по Цельсию, необходимо конвертировать ее при помощи следующей формулы: T k = 273 + T c
   • Описанный выше метод работает, потому что энергия прямо пропорциональна количеству тепла. Температура жидкости является единственным фактором окружающей среды, от которой зависит давление паров.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости должна зависеть от внешнего давления. Наблюдения подтверждают это.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 · 10 6 Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах - автоклавах (рис. 6.11) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 · 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.

На рисунке 6.13 изображена кривая зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Легко сообразить, что эта кривая является одновременно и кривой, выражающей зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкости своя температура кипения. Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров при одной и той же температуре. Например, пары эфира уже при комнатной температуре имеют давление, большее половины атмосферного. Поэтому, чтобы давление паров эфира стало равным атмосферному, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные пары имеют при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление паров ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до 357 °С). Именно при этой температуре, если внешнее давление равно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температур кипения веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости.

§ 6.6. Теплота парообразования

Требуется ли энергия для превращения жидкости в пар? Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. § 6.1), что испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне теплоту. Конечно, теплота и сама может передаваться жидкости от окружающих тел. Так, вода в стакане испаряется, но температура воды, несколько более низкая, чем температура окружающего воздуха, остается неизменной. Теплота передается от воздуха к воде до тех пор, пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней тоже нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но каждую секунду образуется определенное количество пара.

Таким образом, для превращения жидкости в пар путем испарения или путем кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается объем вещества от объема жидкости до объема насыщенного пара. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, и их потенциальная энергия.

Кроме того, при увеличении объема вещества совершается работа против сил внешнего давления. Эта часть теплоты парообразования при комнатной температуре составляет обычно несколько процентов всей теплоты парообразования.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры. Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельной теплотой парообразования данной жидкости называется отношение теплоты парообразования жидкости к ее массе:

(6.6.1)

где r - удельная теплота парообразования жидкости; т - масса жидкости; Q n - ее теплота парообразования. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,256·10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.

Использование явления охлаждения жидкости при ее испарении; зависимости температуры кипения воды от давления.

При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие - медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этоготемпература испаряющейся жидкости понижается : жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).

В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.

Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.

Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус-аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха,- психрометрах (от греческого «психрос» - холодный). Психрометр состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) - более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.

С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.

Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс - конденсация . Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100°С; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода,где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100°С.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, "как трудно сварить яйцо в кипятке" или "почему кипяток не обжигает". В этих условиях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°С.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100°С только при определенном давлении - 760 мм рт. ст. (или 1 атм).

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 4.2. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82°С.

Рис. 4.2

А вот водой, кипящей при 10-15 мм рт. ст., можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10-15°С.

Можно получить даже "кипяток", имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм рт. ст.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т. е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas - полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200°С, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300°С.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и "перевернуть", сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0°С (т. е. 273 К) упругость пара равна 4,6 мм рт. ст., при 100°С (373 К) она равна 760 мм рт. ст., т. е. возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0°С, т. е. 273 К, до 273°С, т. е. 546 К) упругость пара возрастает с 4,6 мм рт. ст. почти до 60 атм, т. е. примерно в 10 000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое от 0,5 атм до 1 атм температура кипения возрастает от 82°С (355 К) до 100°С (373 К) и при изменении вдвое от 1 до 2 атм - от 100°С (373 К) до 120°С (393 К).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл: это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы, на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз - область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар - жидкость, т. е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других - несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами "газ" и "пар". Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово "газ" мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Существует непосредственная зависимость между температурой насыщения жидкости и окружающим давлением . Как было отмечено ранее, увеличение давления жидкости поднимает температуру насыщения. И наоборот, сокращение давления жидкости понижает температуру насыщенности.

Рассмотрим закрытый сосуд с водой при температуре 22,2°С. На сосуд установлены дроссельный клапан, манометр и два термометра для контроля процесса. Клапан регулирует давление в сосуде. Манометр показывает давление в сосуде, а термометры измеряют температуру пара и жидкой воды. Атмосферное давление вокруг сосуда равно 101,3 кПа.

В сосуде образован вакуум , и закрыт клапан. При внутреннем давлении в 68,9 кПа температура насыщения воды 89,6°С. Это значит, что кипение не произойдет, пока давление пара не достигнет 68,9 кПа. Так как максимальное давление пара при температуре жидкости 22,2°С 2,7 кПа, кипения не будет, если жидкости не сообщить большое количество энергии.

Вместо кипения при данных условиях начнется испарение, так как давление пара жидкости ниже давления насыщенного пара , которое зависит от температуры воды. Так будет продолжаться до тех пор, пока объем над жидкостью не будет насыщенным водным паром. По достижении состояния равновесия температура жидкости и окружающей среды будет одинаковой, теплопередача прекратится, количество молекул пара, отделяющихся от воды и возвращающихся в нее, будет одинаковым, и давление пара будет равно давлению насыщения жидкости, которое зависит от ее температуры. По достижении состояния равновесия давление пара достигнет максимального значения 2,7 кПа, и объем жидкости останется постоянным.

Если по достижении начального состояния равновесия открыть клапан, давление в сосуде быстро вырастет до 101,3 кПа. Следовательно, температура кипения воды вырастет до 100°С . Так как температура воды останется 22,2°С, давление пара воды остается 2,7 кПа. Давление пара воды уменьшится, так как пар выходит из сосуда через клапан, и процесс испарения начинается снова.

При увеличении теплопередачи сосуду в результате сжигания топлива, температура воды начинает повышаться до 100°С. Повышение температуры воды вызывает выделение большего количества молекул пара в результате увеличения кинетической энергии, что повышает давление пара до 101,3 кПа. Увеличение давления пара - это следствие изменения температуры жидкой воды. При увеличении температуры жидкости давление насыщенного пара также повышается. Как только давление пара достигает атмосферного давления, начинается кипение . Основанный на потенциальной энергии процесс изменения состояния в результате кипения происходит при постоянной температуре. Вода будет принудительно изменять состояние на газообразное до тех пор, пока сосуд получает достаточно теплоты.

При отделении молекул пара от поверхности жидкости и движении в сосуде некоторые молекулы теряют кинетическую энергию в результате столкновений и падают в жидкость. Некоторые молекулы выходят из сосуда через открытый клапан и рассеиваются в атмосфере. Пока клапан выпускает пар, давление пара и давление в сосуде останется 101,3 кПа. При этом пар останется насыщенным, и его температура и давление будут такие же, как и у жидкости: 100°С при 101,3 кПа. Плотность пара при такой температуре и давлении 0,596 кг/м3, а его удельный объем обратный плотности, равен 1,669 мг/кг.

Испарение

Испарение - это тонкий термодинамический процесс, вызванный медленной передачей теплоты жидкости от окружающей среды. Процесс испарения производит быстрые изменения объема или массы жидкости. Испарение происходит в результате поглощения молекулами жидкости тепловой энергии из окружающей среды вследствие небольшой разницы температур. Данное увеличение энергии соответственно увеличивает кинетическую энергию жидкости. При передаче кинетической энергии в результате столкновений некоторые молекулы около поверхности достигают скоростей, которые намного выше, чем средняя скорость соседних молекул. При приближении некоторых молекул, обладающих высокой энергией, к поверхности жидкости они нарушают связи, преодолевают силу притяжения и переходят в атмосферу как молекулы пара.

Парообразование испарением происходит, если давление пара над жидкостью ниже, чем давление насыщения, которое соответствует температуре жидкости. Другими словами, испарение происходит, когда линии давления и температуры пара жидкости пересекаются на линии температуры насыщения в точке ниже атмосферного давления. Данные условия находятся на линии температуры насыщения ниже горизонтальной линии давления пара, которое соответствует температуре жидкости.

Объем испаряющейся жидкости непрерывно понижается при отделении молекул от поверхности и внедрении в окружающую атмосферу. После отделения некоторые молекулы пара сталкиваются с другими в атмосфере, передавая часть кинетической энергии. Когда сокращение энергии снижает скорость молекул пара ниже уровня отделения от жидкости, они попадают обратно и таким образом восстанавливают часть потерянного объема. Когда количество молекул, отделяющихся от жидкости, равняется количеству падающих обратно, возникает состояние равновесия . Как только возникает такое состояние, объем жидкости останется неизменным, пока изменения давления пара или температуры не произведут соответствующие изменения интенсивности испарения.

Давление пара

Величину давления пара в атмосферном воздухе можно наглядно иллюстрировать следующим опытом. Если в трубку ртутного барометра снизу впустить пипеткой несколько капель воды, всплывающей кверху, через некоторое время уровень ртути в барометре понизится из-за образования в торричеллиевой пустоте Водяного пара . Последний создает свое парциальное давление рн, действующее равномерно во все стороны, в том числе и на понижающуюся поверхность ртути.

При проведении аналогичного опыта в условиях с большей температурой пара в трубке барометра значение р увеличится (на поверхности ртути должно оставаться немного воды). Такие опыты показывают на повышение давления насыщенного пара с возрастанием его температуры. При температуре пара в трубке 100° С уровень ртути в ней опустится до ее уровня в чашке барометра, так как давление пара будет равно атмосферному давлению . Этим методом изучают функциональную зависимость между указанными параметрами пара.

Давление пара, как и всякого газа, может быть выражено в паскалях. При проведении измерений и расчетов в лесосушильной технике отсчитывают давление пара от нулевого значения давлений. Иногда за начало отсчета давлений принимают избыточное против барометрического. Первое больше второго на 0,1 МПа. Например, 0,6 МПа будет соответствовать 0,5 МПа, отсчитанным по манометру на паровом котле или паропроводе.

Температура насыщения

Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или наоборот, называют температурой насыщения . Жидкость при температуре насыщения называют насыщенной жидкостью , а пар при температуре насыщения называется насыщенным паром . Для любых условий окружающей среды или давления температура насыщения - это максимальная температура, при которой вещество остается в жидкой фазе. Также это минимальная температура, при которой вещество существует как пар. Температура насыщения различных жидкостей различна и зависит от давления жидкости . При стандартном атмосферном давлении железо испаряется приблизительно при 2454°С, медь - при 2343°С, свинец - при 1649°С, вода - при 100°С, а спирт - при 76,7°С. Другие жидкости испаряются при исключительно низких температурах . Аммиак испаряется при −33°С, кислород - при −182°С, а гелий при −269°С при стандартном атмосферном давлении.

Интенсивность испарения

Движение атмосферы над испаряющейся жидкостью напрямую связано с интенсивностью испарения . Если скорость атмосферы над поверхностью жидкости увеличивается, интенсивность испарения также растет, так как молекулы пара не накапливаются над поверхностью жидкости. Следовательно, давление пара над жидкостью остается более низким, что сокращает количество кинетической энергии, которая требуется молекуле для отделения от поверхности и таким образом увеличивает интенсивность испарения . Если поместить над сосудом с водой вентилятор, интенсивность испарения увеличится, и жидкость испарится за более короткое время.

Другой фактор, который затрагивает интенсивность испарения, это площадь поверхности жидкости , которая открыта в атмосферу. При увеличении площади поверхности интенсивность испарения возрастает, так как масса молекул пара распространяется по большей площади, что сокращает давление на жидкость. Сокращение давления пара уменьшает количество кинетической энергии , необходимой молекулам для отделения от поверхности жидкости, что увеличивает интенсивность испарения. Следовательно, если объем воды из сосуда, переместить в бутылку, площадь поверхности жидкости значительно сократится, и потребуется больше времени для испарения воды .

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимо­связанными явлениями – испарением и сгоранием паро­воздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и ки­пение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жид­кости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жид­костью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.

За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация . Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами ис­парения и конденсации.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.

Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде

Давление насыщенного пара (р н.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличива­ется. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказыва­ется обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.

Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всег­да существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равно­весия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщен­ных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:

, (4.1)

или в интегральной форме:

, (4.2)

где р н.п. – давление насыщенного пара, Па;

DН исп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;

Т – температура жидкости, К.

Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:

. (4.3)

Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над по­верхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).

Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.