Насичена і ненасичена пара приклади. Чим відрізняється насичена пара від ненасиченої

Пара, що не перебуває у стані рівноваги зі своєю рідиною, називається ненасиченою.

У різних рідин динамічна рівновага з парою настає за різної щільності пари. Причина цього полягає у відмінності сил міжмолекулярної взаємодії. У рідинах, у яких сили міжмолекулярного тяжіння великі, наприклад, у ртуті, лише найбільш «швидкі» молекули, кількість яких незначна, можуть вилітати з рідини. Тому для таких рідин вже при невеликій щільності пари настає стан рівноваги. У летких рідин з малою силою тяжіння молекул, наприклад, у ефіру, при тій же температурі може вилетіти за межі рідини безліч молекул. Тому й рівноважний стан настає лише за значної щільності пари.

Насичена пара має максимальну щільність і тиск при заданій температурі.

§ 6.3. Ізотерми реального газу

Для більш детального з'ясування умов, за яких можливі взаємні перетворення газу та рідини, недостатньо простих спостережень за випаровуванням рідини. Потрібно уважно простежити за зміною тиску реального газу залежно від його обсягу за різних температур.

Нехай у циліндрі під поршнем (мал. 6.3) знаходиться вуглекислий газ. Будемо його повільно стискати, при цьому ми робимо над газом роботу, внаслідок чого внутрішня енергія газу має збільшуватися. Якщо ми хочемо провести процес за постійної температури Т,потрібно забезпечити хороший теплообмін між циліндром і навколишнім середовищем. Для цього можна помістити циліндр у велику посудину з рідиною постійної температури (термостат) і стискати газ настільки повільно, щоб теплота встигала передаватися від газу до оточуючих тіл.

Проводячи цей досвід, можна побачити, що спочатку, коли обсяг досить великий ( V > V 2 , див. рис. 6.3) тиск вуглекислого газу зі зменшенням обсягу зростає відповідно до закону Бойля-Маріотта, а потім при подальшому збільшенні тиску спостерігаються невеликі відхилення від цього закону. Дана залежність між тиском та обсягом газу зображена графічно на малюнку 6.3 кривою АВ.

При подальшому зменшенні обсягу, починаючи зі значення V 2 , тиск у циліндрі під поршнем перестає змінюватись. Якщо зазирнути у циліндр через спеціальне оглядове вікно, можна побачити, що частина обсягу циліндра займає прозора рідина. Це означає, що газ (пар) перетворився на насичену пару, а частина її перетворилася на рідину, тобто сконденсувалася.

Продовжуючи стискати вміст циліндра, ми зауважимо, що кількість рідини в циліндрі збільшується, а простір, зайнятий насиченою парою, зменшується. Тиск, який показує манометр, залишається постійним, доки весь простір під поршнем не виявиться заповненим рідиною. Цей процес зображено на малюнку 6.3 ділянкою НДграфіка.

Надалі при незначному зменшенні обсягу, починаючи зі значення V3, тиск дуже різко наростає (ділянка CD графіка; див. рис. 6.3). Це пояснюється тим, що рідини малостисливі.

Оскільки розглянутий процес відбувався за постійної температури Г, графік ABCD (див. рис. 6.3), що зображує залежність тиску газу рвід обсягу V, називають ізотермою реального газу. Ділянка АВ (V > V 2 ) відповідає ненасиченому пару, ділянка НД (V 3 < V < V 2 ) - рівноважному стану рідини та її насиченої пари, а ділянка CD (V < V 3 ) - Рідкого стану речовини.

Досліди показують, що такий самий вид мають ізотерми та інших речовин, якщо їхня температура не надто велика.

Калюжі після дощу при вітрі сохнуть швидше, ніж за тієї ж температури в безвітря. Це показує, що для випаровування рідини потрібно, щоб пар, що утворюється, видалявся. Якщо пара зовсім не видаляти, наприклад, закупорити пробкою пляшку з рідиною, то випаровування скоро припиниться. Так як при цьому ні рідина не перетворюється на пару, ні пар не конденсується на рідину, то кажуть, що пара і рідина знаходяться в рівновазі. Пара, що знаходиться в рівновазі з рідиною, називають насиченою парою. Ця назва передає ту думку, що в даному обсязі за даної температури не може бути вміщена більша кількість пари.

У пляшці з рідиною, крім пари над рідиною знаходиться ще й повітря. Проте неважко зробити так, щоб над рідиною знаходилася лише її пара, майже без домішки інших газів. Для цього простір над рідиною слід відкачати насосом або вигнати газ тривалим кип'ятінням рідини, при якому пара витісняє гази. Досліджуючи поведінку пари в просторі, звідки всі сторонні гази видалені, ми отримуємо важливу інформацію про її властивості. Дослідження можна провести, наприклад, в такий спосіб.

Круглодонна колба 1, закупорена гумовою пробкою, повідомляється, як показано на рис. 477 зі скляною трубкою 2, опущеної в посудину з ртуттю. Крізь іншу трубку 3, з краном, з колби можливо краще відкачують повітря, причому ртуть в трубці 2 під дією атмосферного тиску піднімається. Пара ртуті у умовах утворюється у настільки малих кількостях, що його присутністю можна знехтувати.

Рис. 477. Перші краплі ефіру, що падають у колбу 1, випаровуються, причому ртуть у трубці 2 швидко опускається. Коли настає насичення, краплі ефіру, що падають у колбу, не випаровуються і рівень ртуті більше не змінюється

З воронки 4, яку налити ефір, через кран 5 обережно, по краплях, вводять ефір в колбу 1. Перші краплі ефіру моментально випаровуються, і ртуть у трубці швидко опускається вниз. При цьому в колбі знаходиться ненасичена пара ефіру. При збільшенні кількості ефіру, що випарувався, збільшується щільність пари, а разом з тим і його тиск, подібно тому, як при збільшенні щільності збільшується тиск будь-якого газу. Ненасичена пара, хоча і не слід точно газовим законам Бойля - Маріотта і Шарля, але, загалом, має всі властивості газів. Однак, продовжуючи додавати ефір в колбу 1, ми помітимо, що ртуть у трубці 2 перестає опускатися, а ефір, що додається, більше не випаровується: досягнуто насичення. Скільки не приливатиме ще ефіру, щільність пари та її тиск залишатимуться постійними. Зазначимо, що під час досвіду температура не повинна змінюватись.

Повторивши той же досвід з іншою рідиною, наприклад, зі спиртом, ми побачимо, що тиск насиченої пари буде іншим, ніж у ефіру. Тиск насиченої пари ефіру при становить близько, спирту - близько.

Отже, щільність і тиск насиченої пари за постійної температури є постійними величинами, в різних рідин - різними.

Перш ніж відповідати на запитання, поставлене у назві статті, розберемося, що таке пара. Образи, що виникають у більшості людей при цьому слові: киплячий чайник або каструля, парильня, гарячий напій і ще безліч подібних картинок. Так чи інакше, в наших уявленнях є рідина і газоподібна субстанція, що піднімається над її поверхнею. Якщо вас попросять навести приклад пари, ви відразу згадаєте водяну пару, пари спирту, ефіру, бензину, ацетону.

Існує ще одне слово для позначення газоподібних станів. газ. Тут ми згадуємо кисень, водень, азот та інші гази, не асоціюючи їх із відповідними рідинами. При цьому добре відомо, що вони існують у рідкому стані. На перший погляд відмінності полягають у тому, що пара відповідає природним рідинам, а гази треба зріджувати спеціально. Однак це не зовсім правильно. Понад те, образи, що виникають за слові пар – пором є. Щоб дати більш точну відповідь, розберемося, як з'являється пара.

Чим відрізняється пара від газу?

Агрегатний стан речовини задається температурою, точніше співвідношенням між енергією, з якою взаємодіють його молекули та енергією їхнього теплового хаотичного руху. Приблизно, можна вважати, що якщо енергія взаємодії значно більша – твердий стан, якщо значно більша енергія теплового руху – газоподібний, якщо енергії можна порівняти – рідке.

Виходить, щоб молекула могла відірватися від рідини та брати участь в утворенні пари, величина теплової енергії має бути більшою за енергію взаємодії. Як це може статися? Середня швидкість теплового руху молекул дорівнює певному значенню, що залежить від температури. Однак індивідуальні швидкості молекул різні: більша їх частина має швидкості близькі до середнього значення, але деяка частина має швидкості більше середньої, деяка - менше.

Швидші молекули можуть мати велику теплову енергію, ніж енергія взаємодії, а значить, потрапивши на поверхню рідини, здатні відірватися від неї, утворюючи пару. Такий спосіб пароутворення називається випаровуванням. Через той самий розподіл швидкостей існує й протилежний процес — конденсація: молекули з пари переходять у рідину. До речі, образи, які зазвичай виникають при слові пар, це не пара, а результат протилежного процесу — конденсації. Пара побачити не можна.

Пара за певних умов може стати рідиною, але для цього її температура не повинна перевищувати певного значення. Це значення називається критичною температурою. Пар і газ - газоподібні стани, що відрізняються температурою, за якої вони існують. Якщо температура не перевищує критичної – пара, якщо перевищує – газ. Якщо підтримувати постійну температуру і зменшувати об'єм, пара — зріджується, газ — не зріджується.

Що таке пара насичена і ненасичена

Саме слово «насичений» несе певну інформацію, важко наситити велику область простору. Отже, щоб отримати насичену пару, треба обмежити простір, в якому знаходиться рідина. Температура при цьому повинна бути меншою за критичну для даної речовини. Тепер молекули, що випарувалися, залишаються в просторі, де знаходиться рідина. Спочатку більшість переходів молекул відбуватиметься з рідини, при цьому щільність пари підвищуватиметься. Це, у свою чергу, викличе більшу кількість зворотних переходів молекул у рідину, що збільшить швидкість процесу конденсації.

Нарешті, встановлюється стан, котрому середнє число молекул, що з однієї фази до іншої буде рівним. Такий стан називається динамічна рівновага. Для цього стану характерна однакова зміна величини та напрямки швидкостей випаровування та конденсації. Цей стан відповідає насиченій парі. Якщо стан динамічної рівноваги не досягнуто, це відповідає ненасиченій парі.

Починають вивчення якогось об'єкта, завжди із найпростішої його моделі. У молекулярно-кінетичній теорії це ідеальний газ. Основні спрощення тут — нехтування власним обсягом молекул та енергією їхньої взаємодії. Виявляється, подібна модель цілком задовільно описує ненасичену пару. Причому що менш насичений, тим правомірніше її застосування. Ідеальний газ — це газ, він може стати ні парою, ні рідиною. Отже, для насиченої пари подібна модель не є адекватною.

Основні відмінності насиченої пари від ненасиченої

1. Насичений означає, що цей об'єкт має найбільшу з можливих значень деяких параметрів. Для пари це щільність та тиск. Ці параметри для ненасиченої пари мають менші значення. Що далі пар від насичення, то менші ці величини. Одне уточнення: температура порівняння має бути постійною.
2. Для ненасиченої пари виконується закон Бойля-Маріотта: якщо температура і маса газу постійні, збільшення або зменшення об'єму, викликає зменшення або збільшення тиску в стільки ж разів, тиск і об'єм - пов'язані пропорційною залежністю. З максимальності щільності і тиску при постійній температурі випливає їхня незалежність від об'єму насиченої пари, виходить, що для насиченої пари тиск і об'єм не залежать один від одного.
3. Для ненасиченої пари щільність не залежить від температури, і якщо обсяг зберігається, не змінюється значення щільності. Для насиченої пари за збереження об'єму щільність змінюється, якщо змінюється температура. Залежність у разі пряма. Якщо температура збільшується, збільшується і щільність, якщо температура зменшується, так само змінюється щільність.
4. Якщо обсяг постійний, ненасичена пара веде себе відповідно до закону Шарля: зі збільшенням температури у стільки ж разів збільшується тиск. Така залежність називається лінійною. У насиченої пари зі збільшенням температури тиск зростає швидше, ніж у ненасиченої пари. Залежність має експонентний характер.

Підсумовуючи, можна назвати значні відмінності якостей порівнюваних об'єктів. Основна відмінність у тому, що пара, у стані насичення, не можна розглядати у відриві від його рідини. Це двокомпонентна система, яку не можна застосовувати більшість газових законів.

Якщо в просторі, що містить пари якоїсь рідини, може відбуватися подальше випаровування цієї рідини, то пара, що знаходиться в цьому просторі, називається ненасиченою парою.

Змінюючи обсяг ненасиченої пари, ми зауважимо, що тиск його також змінюється: при зменшенні обсягу тиск збільшується, а при збільшенні обсягу тиск зменшується.

Нехай трубка піднята так високо, що в ній знаходиться ненасичена пара. Тиск цієї пари дорівнює Н – h, де Н – атмосферний тиск. Якщо після цього опускати трубку, рівень ртуті в ній буде знижуватися: h 1< h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h 1 >H – H). Тиск пари зростатиме до тих пір, поки пара не стане насичуючим. Над ртуттю з'явиться рідина. З моменту насичення пари його тиск стане постійним та рівним Н – h 2 . Це буде найбільший тиск пари при даній температурі?

Найбільший тиск при даній температурі пар виробляє насичення.

Графічно перехід ненасиченої пари в рідину шляхом зменшення його обсягу без зміни температури представляється кривою ABCD. Частина АВ цієї кривої відповідає ненасиченій парі, точка В – станом насичення, лінія ВС – конденсації пари та CD – рідини. Крива ABCD називається ізотермою пари та рідини.

Ненасичену пару можна привести у стан насичення як шляхом зменшення обсягу, а й шляхом зниження його температури. Так, якщо полити ефіром зовнішню частину трубки, то ефір, випаровуючись, охолодить її, внаслідок чого ненасичена пара перейде в стан насичення, частково звернувшись при цьому в рідину.

Цією властивістю пари пояснюється запотівання холодних предметів, внесених у теплу кімнату, утворення туману, роси і т. д. Таким чином, перехід пари з ненасиченого стану до насиченого досягається двома шляхами: 1) зниженням температури і 2) підвищенням тиску (зменшенням обсягу).

Назад перехід із насиченого в ненасичений стан досягається: 1) без зміни температури зменшенням тиску (збільшенням обсягу) та 2) підвищенням температури пари.

Якщо обережно нагрівати трубку, що містить насичувальну пару, то рідина, що знаходиться над ртуттю, поступово випарується, і при подальшому нагріванні над ртуттю буде вже ненасичена пара.

У техніці ненасичена пара, одержувана шляхом перегріву насиченої пари, називається перегрітою парою. Для роботи парових двигунів в даний час застосовують виключно перегрітий пар, що має температуру від 150 до 600 ° С.

ВИЗНАЧЕННЯ

Випаровування- це процес перетворення рідини на пару.

У рідині (або твердому тілі) при будь-якій температурі існує деяка кількість «швидких» молекул, кінетична енергія яких більша за потенційну енергію їх взаємодії з іншими частинками речовини. Якщо такі молекули опиняються поблизу поверхні, вони можуть подолати тяжіння інших молекул і вилетіти межі рідини, утворюючи з неї пар. Випаровування твердих тіл також часто називають сублімацією або сублімацією.

Випаровування відбувається за будь-якої температури, при яких ця речовина може перебувати в рідкому або твердому станах. Проте інтенсивність випаровування залежить від температури. При підвищенні температури кількість «швидких» молекул збільшується, отже, інтенсивність випаровування зростає. Швидкість випаровування залежить від площі вільної поверхні рідини від виду речовини. Так, наприклад, вода, налита в блюдце, випарується швидше за воду, налиту в склянку. Спирт випаровується швидше за воду і т.д.

Конденсація

Кількість рідини у відкритій посудині внаслідок випаровування безперервно зменшується. Але в щільно закритій посудині цього не відбувається. Пояснюється це тим, що одночасно з випаровуванням у рідині (або твердому тілі) відбувається зворотний процес. Молекули пари рухаються над рідиною хаотично, тому частина їх під впливом тяжіння молекул вільної поверхні потрапляє у рідину. Процес перетворення пари на рідину називається конденсацією. Процес перетворення пари на тверде тіло зазвичай називають кристалізацією з пари.

Після того, як ми наллємо рідину в посудину і щільно закриємо, рідина почне випаровуватися, і щільність пари над вільною поверхнею рідини буде збільшуватися. Однак, одночасно з цим зростатиме кількість молекул, що повертаються назад у рідину. У відкритій посудині ситуація інша: молекули, що залишили рідину, можуть не повертатися в рідину. У закритому посудині з часом встановлюється рівноважний стан: число молекул, що залишають поверхню рідини, стає рівним числу молекул пари, що повертаються в рідину. Такий стан називається станом динамічної рівноваги(Рис.1). У стані динамічної рівноваги між рідиною і парою одночасно відбувається випаровування і конденсація, і обидва процеси компенсують один одного.

Рис.1. Рідина у стані динамічної рівноваги

Насичена та ненасичена пара

ВИЗНАЧЕННЯ

Насичиний пар- це пара, що у стані динамічного рівноваги зі своєю рідиною.

Назва "насичений" підкреслює, що в даному обсязі при даній температурі не може бути більша кількість пари. Насичена пара має максимальну щільність при даній температурі, а, отже, чинить максимальний тиск на стінки судини.

ВИЗНАЧЕННЯ

Ненасичена пара- пара, що не досягла стану динамічної рівноваги.

У різних рідин насичення пари відбувається за різних щільності, що з різницею в молекулярної структурі, тобто. відмінністю сил міжмолекулярної взаємодії. У рідинах, у яких сили взаємодії молекул великі (наприклад, у ртуті), стан динамічної рівноваги досягається при невеликих густинах пари, оскільки кількість молекул, здатних залишити поверхню рідини, невелика. Навпаки, у летких рідин з малими силами тяжіння молекул, за тих же температурах з рідини вилітає значна кількість молекул і насичення пари досягається за великої щільності. Прикладами таких рідин є етанол, ефір та ін.

Так як інтенсивність процесу конденсації пари пропорційна концентрації молекул пари, а інтенсивність процесу випаровування залежить тільки від температури і різко зростає з її зростанням, то концентрація молекул у насиченій парі залежить тільки від температури рідини. Тому тиск насиченої пари залежить тільки від температури та не залежить від об'єму.Причому зі зростанням температури величина концентрації молекул насиченої пари і, отже, щільність та тиск насиченої пари швидко зростають. Конкретні залежності тиску та щільності насиченої пари від температури різні для різних речовин і можуть бути знайдені з довідкових таблиць. При цьому виявляється, що насичена пара, як правило, добре описується рівнянням Клайперона-Менделєєва. Однак, при стисканні або нагріванні маса насиченої пари змінюється.

Ненасичена пара з достатньою мірою точності підпорядковується законам ідеального газу.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2