Насыщенный и ненасыщенный пар примеры. Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

У разных жидкостей динамическое равновесие с паром наступает при различной плотности пара. Причина этого заключается в различии сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы межмолекулярного притяжения велики, например у ртути, только наиболее «быстрые» молекулы, число которых незначительно, могут вылетать из жидкости. Поэтому для таких жидкостей уже при небольшой плотности пара наступает состояние равновесия. У летучих жидкостей с малой силой притяжения молекул, например у эфира, при той же температуре может вылететь за пределы жидкости множество молекул. Поэтому и равновесное состояние наступает только при значительной плотности пара.

Насыщенный пар имеет максимальные плотность и давление при заданной температуре.

§ 6.3. Изотермы реального газа

Для более детального выяснения условий, при которых возможны взаимные превращения газа и жидкости, недостаточно простых наблюдений за испарением жидкости. Нужно внимательно проследить за изменением давления реального газа в зависимости от его объема при различных температурах.

Пусть в цилиндре под поршнем (рис. 6.3) находится углекислый газ. Будем его медленно сжимать, при этом мы совершаем над газом работу, вследствие чего внутренняя энергия газа должна увеличиваться. Если мы хотим провести процесс при постоянной температуре Т, то нужно обеспечить хороший теплообмен между цилиндром и окружающей средой. Для этого можно поместить цилиндр в большой сосуд с жидкостью постоянной температуры (термостат) и сжимать газ настолько медленно, чтобы теплота успевала передаваться от газа к окружающим телам.

Проводя данный опыт, можно заметить, что вначале, когда объем достаточно велик (V > V 2 , см. рис. 6.3), давление углекислого газа с уменьшением объема растет в соответствии с законом Бойля-Мариотта, а затем при дальнейшем увеличении давления наблюдаются небольшие отклонения от этого закона. Данная зависимость между давлением и объемом газа изображена графически на рисунке 6.3 кривой АВ.

При дальнейшем уменьшении объема, начиная со значения V 2 , давление в цилиндре под поршнем перестает меняться. Если заглянуть при этом в цилиндр через специальное смотровое окно, то можно увидеть, что часть объема цилиндра занимает прозрачная жидкость. Это значит, что газ (пар) превратился в насыщенный пар, а часть его превратилась в жидкость, т. е. сконденсировалась.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы заметим, что количество жидкости в цилиндре увеличивается, а пространство, занятое насыщенным паром, уменьшается. Давление, которое показывает манометр, остается постоянным до тех пор, пока все пространство под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Этот процесс изображен на рисунке 6.3 участком ВС графика.

В дальнейшем при незначительном уменьшении объема, начиная со значения V 3, давление очень резко нарастает (участок CD графика; см. рис. 6.3). Это объясняется тем, что жидкости малосжимаемы.

Так как рассмотренный процесс происходил при постоянной температуре Г, график ABCD (см. рис. 6.3), изображающий зависимость давления газа р от объема V , называют изотермой реального газа. Участок АВ (V > V 2 ) соответствует ненасыщенному пару, участок ВС (V 3 < V < V 2 ) - равновесному состоянию жидкости и ее насыщенного пара, а участок CD (V < V 3 ) - жидкому состоянию вещества.

Опыты показывают, что такой же вид имеют изотермы и других веществ, если их температура не слишком велика.

Лужи после дождя при ветре сохнут быстрее, чем при той же темпера туре в безветрие. Это показывает, что для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Если пар совсем не удалять, например, закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится. Так как при этом ни жидкость не превращается в пар, ни пар не конденсируется в жидкость, то говорят, что пар и жидкость находятся в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. Это название передает ту мысль, что в данном объеме при данной температуре не может быть помещено большее количество пара.

В бутылке с жидкостью, кроме пара, над жидкостью находится еще и воздух. Однако нетрудно сделать так, чтобы над жидкостью находился только ее пар, почти без примеси других газов. Для этого пространство над жидкостью следует откачать насосом или изгнать газ продолжительным кипячением жидкости, при котором пар вытесняет газы. Исследуя поведение пара в пространстве, откуда все посторонние газы удалены, мы получаем важные сведения об его свойствах. Исследование можно провести, например, следующим образом.

Круглодонная колба 1, закупоренная резиновой пробкой, сообщается, как показано на рис. 477, со стеклянной трубкой 2, опущенной в сосуд с ртутью. Сквозь другую трубку 3, снабженную краном, из колбы возможно лучше откачивают воздух, причем ртуть в трубке 2 под действием атмосферного давления поднимается. Пар ртути в этих условиях образуется в столь малых количествах, что его присутствием можно пренебречь.

Рис. 477. Первые капли эфира, падающие в колбу 1, испаряются, причем ртуть в трубке 2 быстро опускается. Когда наступает насыщение, падающие в колбу капли эфира не испаряются и уровень ртути больше не изменяется

Из воронки 4, в которую налит эфир, через кран 5 осторожно, по каплям, вводят эфир в колбу 1. Первые капли эфира моментально испаряются, и ртуть в трубке быстро опускается вниз. При этом в колбе находится ненасыщенный пар эфира. При увеличении количества испарившегося эфира увеличивается плотность пара, а вместе с тем и его давление, подобно тому, как при увеличении плотности увеличивается давление всякого газа. Ненасыщенный пар, хотя и не следует точно газовым законам Бойля - Мариотта и Шарля, но, в общем, обладает всеми свойствами газов. Однако, продолжая добавлять эфир в колбу 1, мы заметим, что ртуть в трубке 2 перестает опускаться, а добавляемый эфир более не испаряется: достигнуто насыщение. Сколько ни приливать еще эфира, плотность пара и его давление будут оставаться постоянными. Отметим, что во время опыта температура не должна изменяться.

Повторив тот же опыт с другой жидкостью, например со спиртом, мы увидим, что давление насыщенного пара будет иным, чем у эфира. Давление насыщенного пара эфира при составляет около , спирта - около .

Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей - разными.

Прежде, чем отвечать на вопрос, поставленный в названии статьи, разберемся, что такое пар. Образы, возникающие у большинства людей при этом слове: кипящий чайник или кастрюля, парилка, горячий напиток и еще множество подобных картинок. Так или иначе, в наших представлениях присутствует жидкость и газообразная субстанция, поднимающаяся над ее поверхностью. Если вас попросят привести пример пара, вы сразу вспомните водяной пар, пары спирта, эфира, бензина, ацетона.

Существует еще одно слово для обозначения газообразных состояний – газ . Здесь мы обычно вспоминаем кислород, водород, азот и другие газы, не ассоциируя их с соответствующими жидкостями. При этом хорошо известно, что они существуют и в жидком состоянии. На первый взгляд различия заключаются в том, что пар соответствует естественным жидкостям, а газы надо сжижать специально. Однако это не совсем верно. Более того, образы, возникающие при слове пар – паром не являются. Чтобы дать более точный ответ, разберемся, как возникает пар.

Чем отличается пар от газа?

Агрегатное состояние вещества задается температурой, точнее соотношением между энергией, с которой взаимодействуют его молекулы и энергией их теплового хаотического движения. Приближенно, можно считать, что если энергия взаимодействия значительно больше – твердое состояние, если значительно больше энергия теплового движения — газообразное, если энергии сравнимы – жидкое.

Получается, чтобы молекула могла оторваться от жидкости и участвовать в образовании пара, величина тепловой энергии должна быть больше энергии взаимодействия. Как это может произойти? Средняя скорость теплового движения молекул равна определенному значению, зависящему от температуры. Однако индивидуальные скорости молекул различны: большая их часть обладает скоростями близкими к среднему значению, но некоторая часть имеет скорости больше средней, некоторая — меньше.

Более быстрые молекулы могут иметь тепловую энергию большую, чем энергия взаимодействия, а значит, попав на поверхность жидкости, способны оторваться от нее, образуя пар. Такой способ парообразования называется испарением . Из-за того же распределения скоростей существует и противоположный процесс — конденсация: молекулы из пара переходят в жидкость. Кстати образы, которые обычно возникают при слове пар, это не пар, а результат противоположного процесса — конденсации. Пар увидеть нельзя.

Пар при определенных условиях может стать жидкостью, но для этого его температура не должна превышать определенного значения. Это значение называется критической температурой. Пар и газ — газообразные состояния, отличающиеся температурой, при которой они существуют. Если температура не превышает критической — пар, если превышает – газ. Если поддерживать температуру постоянной и уменьшать объем, пар — сжижается, газ – не сжижается.

Что такое пар насыщенный и ненасыщенный

Само слово «насыщенный» несет определенную информацию, трудно насытить большую область пространства. Значит, чтобы получить насыщенный пар, надо ограничить пространство, в котором находится жидкость . Температура при этом должна быть меньше критической для данного вещества. Теперь испарившиеся молекулы остаются в пространстве, где находится жидкость. Сначала большинство переходов молекул будет происходить из жидкости, при этом плотность пара будет повышаться. Это в свою очередь вызовет большее число обратных переходов молекул в жидкость, что увеличит скорость процесса конденсации.

Наконец, устанавливается состояние, для которого среднее число молекул, переходящих из одной фазы в другую будет равным. Такое состояние называется динамическое равновесие . Для этого состояния характерно одинаковое изменение величины и направления скоростей испарения и конденсации. Это состояние соответствует насыщенному пару. Если состояние динамического равновесия не достигнуто, это соответствует ненасыщенному пару.

Начинают изучение какого-то объекта, всегда с самой простой его модели. В молекулярно-кинетической теории это — идеальный газ. Основные упрощения здесь — пренебрежение собственным объемом молекул и энергией их взаимодействия. Оказывается, подобная модель вполне удовлетворительно описывает ненасыщенный пар. Причем чем менее он насыщен, тем правомернее ее применение. Идеальный газ — это газ, он не может стать ни паром, ни жидкостью. Следовательно, для насыщенного пара подобная модель не является адекватной.

Основные отличия насыщенного пара от ненасыщенного

1. Насыщенный означает, что данный объект имеет самое большое из возможных значений некоторых параметров. Для пара — это плотность и давление . Эти параметры для ненасыщенного пара имеют меньшие значения. Чем дальше пар от насыщения, тем меньше эти величины. Одно уточнение: температура сравнения должна быть постоянной.
2. Для ненасыщенного пара выполняется закон Бойля-Мариотта : если температура и масса газа постоянны, увеличение или уменьшение объема, вызывает уменьшение или увеличение давления во столько же раз, давление и объем — связаны обратно пропорциональной зависимостью. Из максимальности плотности и давления при постоянной температуре вытекает их независимость от объема насыщенного пара, получается, что для насыщенного пара давление и объем — не зависят друг от друга.
3. Для ненасыщенного пара плотность не зависит от температуры , и если объем сохраняется, не меняется и значение плотности. Для насыщенного пара при сохранении объема плотность изменяется, если изменяется температура. Зависимость в данном случае прямая. Если увеличивается температура, увеличивается и плотность, если температура уменьшается, так же изменяется плотность.
4. Если объем постоянен, ненасыщенный пар ведет себя в соответствии с законом Шарля: при увеличении температуры во столько же раз увеличивается и давление. Такая зависимость называется линейной. У насыщенного пара при увеличении температуры давление возрастает быстрее, чем у ненасыщенного пара. Зависимость имеет экспоненциальный характер.

Подводя итог, можно отметить значительные различия свойств сравниваемых объектов. Основное отличие в том, что пар, в состоянии насыщения, нельзя рассматривать в отрыве от его жидкости. Это двухкомпонентная система, к которой нельзя применять большинство газовых законов.

Если в пространстве, содержащем пары какой-нибудь жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, называется ненасыщенным паром.

Изменяя объём ненасыщенного пара, мы заметим, что давление его также изменяется: при уменьшении объёма давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается.

Пусть трубка В поднята так высоко, что в ней находится ненасыщенный пар. Давление этого пара равно Н – h, где Н – атмосферное давление. Если после этого опускать трубку, то уровень ртути в ней будет понижаться: h 1 < h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h 1 > H - H). Давление пара будет возрастать до тех пор, пока пар не станет насыщающим. Над ртутью при этом появится жидкость. С момента насыщения пара его давление станет постоянным и равным Н – h 2 . Это будет наибольшее давление пара при данной температуре.?

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения.

Графически переход ненасыщенного пара в жидкость путём уменьшения его объёма без изменения температуры представляется кривой ABCD. Часть АВ этой кривой соответствует ненасыщенному пару, точка В – состоянию насыщения, линия ВС – конденсации пара и CD – жидкости. Кривая ABCD называется изотермой пара и жидкости.

Ненасыщенный пар можно привести в состояние насыщения не только путём уменьшения объёма, но и путём понижения его температуры. Так, если полить эфиром наружную часть трубки В, то эфир, испаряясь, охладит её, вследствие чего ненасыщенный пар перейдёт в состояние насыщения, частично обратившись при этом в жидкость.

Этим свойством пара объясняется запотевание холодных предметов, внесённых в тёплую комнату, образование тумана, росы и т. д. Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное достигается двумя путями: 1) понижением температуры и 2) повышением давления (уменьшением объёма).

Обратно переход из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается: 1) без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) и 2) повышением температуры пара.

Если осторожно нагревать трубку, содержащую насыщающий пар, то жидкость, находящаяся над ртутью, постепенно испарится, и при дальнейшем нагревании над ртутью будет уже ненасыщенный пар.

В технике ненасыщенный пар, получаемый путём перегрева насыщенного пара, называется перегретым паром. Для работы паровых двигателей в настоящее время применяют исключительно перегретый пар, имеющий температуру от 150 до 600° С.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Испарение - это процесс превращения жидкости в пар.

В жидкости (или твердом теле) при любой температуре существует некоторое количество «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с остальными частицами вещества. Если такие молекулы оказываются вблизи поверхности, то они могут преодолеть притяжение остальных молекул и вылететь за пределы жидкости, образуя над ней пар. Испарение твердых тел также часто называют возгонкой или сублимацией .

Испарение происходит при любой температуре, при которых данное вещество может находиться в жидком или твердом состояниях. Однако интенсивность испарения зависит от температуры. При повышении температуры количество «быстрых» молекул увеличивается, и, следовательно, интенсивность испарения возрастает. Скорость испарения также зависит от площади свободной поверхности жидкости от вида вещества. Так, например, вода, налитая в блюдце, испарится быстрее воды, налитой в стакан. Спирт испаряется быстрее воды и т.д.

Конденсация

Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но в плотно закрытом сосуде этого не происходит. Объясняется это тем, что одновременно с испарением в жидкости (или твердом теле) происходит обратный процесс. Молекулы пара движутся над жидкостью хаотически, поэтому часть из них под действием притяжения молекул свободной поверхности попадает обратно в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения пара в твердое тело обычно называют кристаллизацией из пара.

После того, как мы нальем жидкость в сосуд и плотно его закроем, жидкость начнет испаряться, и плотность пара над свободной поверхностью жидкости будет увеличиваться. Однако, одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В открытом сосуде ситуация иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость. В закрытом сосуде с течением времени устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется состоянием динамического равновесия (рис.1). В состоянии динамического равновесия между жидкостью и паром одновременно происходит и испарение и конденсация, и оба процесса компенсируют друг друга.

Рис.1. Жидкость в состоянии динамического равновесия

Насыщенный и ненасыщенный пар

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Насыщенный пар - это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.

Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Насыщенный пар имеет максимальную плотность при данной температуре, а, следовательно, оказывает максимальное давление на стенки сосуда.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ненасыщенный пар - пар, не достигший состояния динамического равновесия.

У разных жидкостей насыщение пара происходит при различных плотностях, что обусловлено различием в молекулярной структуре, т.е. различием сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы взаимодействия молекул велики (например, в ртути), состояние динамического равновесия достигается при небольших плотностях пара, так как количество молекул, способных покинуть поверхность жидкости, невелико. Наоборот, у летучих жидкостей с малыми силами притяжения молекул, при тех же температурах из жидкости вылетает значительное количество молекул и насыщение пара достигается при большой плотности. Примерами таких жидкостей являются этанол, эфир и др.

Так как интенсивность процесса конденсации пара пропорциональна концентрации молекул пара, а интенсивность процесса испарения зависит только от температуры и резко возрастает с ее ростом, то концентрация молекул в насыщенном паре зависит только от температуры жидкости. Поэтому давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объема. Причем с ростом температуры величина концентрации молекул насыщенного пара и, следовательно, плотность и давление насыщенного пара быстро растут. Конкретные зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры различны для разных веществ и могут быть найдены из справочных таблиц. При этом оказывается, что насыщенный пар, как правило, хорошо описывается уравнением Клайперона-Менделеева. Однако, при сжатии или нагревании масса насыщенного пара изменяется.

Ненасыщенный пар с достаточной степенью точности подчиняется законам идеального газа.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2