Залежність тиску пари від температури. Тиск насиченої пари

Досі ми розглядали явища випаровування та конденсації за постійної температури. Тепер займемося питанням про вплив температури. Легко помітити, що вплив температури дуже сильний. У спекотний день або поблизу печі все сохне набагато швидше, ніж на холоді. Отже, випаровування теплої рідини йде інтенсивніше, ніж холодної. Це легко зрозуміло. У теплій рідині більше молекул має швидкістю, достатньою для того, щоб подолати сили зчеплення і вирватися за межі рідини. Тому при підвищенні температури разом зі збільшенням швидкості випаровування рідини збільшується тиск насиченої пари.

Збільшення тиску пари легко виявити за допомогою приладу, описаного в § 291. Опустимо колбу з ефіром у теплу воду. Ми побачимо, що манометр покаже різке збільшення тиску. Опустивши ту ж колбу в холодну воду або краще в суміш снігу із сіллю (§ 275), помітимо, навпаки, зниження тиску.

Отже, тиск насиченої пари сильно залежить від температури. У табл. 18 наведено тиск насиченої пари води та ртуті при різних температурах. Звернімо увагу на незначний тиск пари ртуті при кімнатній температурі. Згадаймо, що за відліку барометра цим тиском нехтують.

Таблиця 18. Тиск насиченої пари води та ртуті за різних температур (в мм рт. ст.)

Температура,			Температура,

З графіка залежності тиску насиченої пари води від температури (рис. 481) видно, що збільшення тиску, що відповідає збільшенню температури на , зростає з температурою. У цьому полягає відмінність насиченої пари від газів, тиск яких при нагріванні на однаково збільшується при низьких і при високих температурах (на 1/273 тиску при ). Ця відмінність стане цілком зрозумілою, якщо згадати, що при нагріванні газів при постійному обсязі змінюється лише швидкість молекул. При нагріванні системи рідина - пара змінюється, як ми вказали, як швидкість молекул, а й їх число одиниці обсягу, т. е. за більшої температури ми маємо пар більшої щільності.

Рисунок 481. Залежність тиску насиченої пари води

293.1. Чому газовий термометр (§ 235) дає правильні показання тільки при сухому газі?

293.2. Припустимо, що в замкнутій посудині, крім рідини та пари, знаходиться ще повітря. Як це вплине на зміну тиску з підвищенням температури?

293.3. Зміна тиску пари в замкнутій посудині при підвищенні температури зображується графіком, показаним на рис. 482. Який висновок можна вивести щодо процесів випаровування всередині судини?

Рис. 482. До вправи 293.3

« Фізика – 10 клас»

Як ви думаєте, що відбуватиметься з насиченою парою, якщо зменшити об'єм, який він займає: наприклад, якщо стискати пару, що знаходиться в рівновазі з рідиною в циліндрі під поршнем, підтримуючи температуру постійного вмісту циліндра?

При стисканні пари рівновага почне порушуватися. Щільність пари в перший момент трохи збільшиться, і з газу в рідину почне переходити більше молекул, ніж з рідини в газ. Адже кількість молекул, що залишають рідину в одиницю часу, залежить тільки від температури, і стиснення пари це число не змінює. Процес триває до того часу, поки знову не встановиться динамічна рівновага і щільність пари, отже, і концентрація його молекул приймуть колишніх своїх значень. Отже,

Концентрація молекул насиченої пари при постійній температурі не залежить від її об'єму.

Так як тиск пропорційно концентрації молекул (р = nkT), то з цього визначення випливає, що тиск насиченої пари не залежить від об'єму, який він займає.

Тиск р н. п пара, при якому рідина знаходиться в рівновазі зі своєю парою, називають тиском насиченої пари.

При стисканні насиченої пари все більша частина його переходить у рідкий стан. Рідина даної маси займає менший обсяг, ніж пара тієї ж маси. В результаті обсяг пари при незмінній його густині зменшується.

Газові закони для насиченої пари несправедливі (при будь-якому об'ємі при постійній температурі тиск насиченої пари однаковий). У той же час стан насиченої пари досить точно описується рівнянням Менделєєва-Клапейрона.

Ненасичена пара

>Якщо пара поступово стискають при постійній температурі, а перетворення його на рідину не відбувається, то таку пару називають ненасиченим.

При зменшенні об'єму (рис. 11.1) тиск ненасиченої пари збільшується (ділянка 1-2) подібно до того, як змінюється тиск при зменшенні об'єму ідеального газу. При певному обсязі пар стає насиченим, і при подальшому його стисканні відбувається перетворення його на рідину (ділянка 2-3). У цьому випадку над рідиною вже перебуватиме насичена пара.

Як тільки вся пара перетвориться на рідину, подальше зменшення об'єму викличе різке збільшення тиску (рідина малостислива).

Однак пара перетворюється на рідину не за будь-якої температури. Якщо температура вища за деяке значення, то, як би ми не стискали газ, він ніколи не перетвориться на рідину.

>Максимальна температура, за якої пара ще може перетворитися на рідину, називається критичною температурою.

Кожній речовині відповідає своя критична температура у гелію T кр = 4 К, у азоту T кр = 126 К.

Стан речовини при температурі вище критичної називається газом; при температурі нижче критичної, коли пара має можливість перетворитися на рідину, - пором.

Властивості насиченої та ненасиченої пари різні.

Залежність тиску насиченої пари від температури.

Стан насиченої пари, як показує досвід, наближено описується рівнянням стану ідеального газу (10.4), яке тиск визначається формулою

р н. п = nkT. (11.1)

Зі зростанням температури тиск зростає

Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, отже, воно залежить тільки від температури.

Однак залежність тиску р н. від температури Т, знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як у ідеального газу при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реальної насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (рис. 11.2, ділянка кривої АВ). Це стає очевидним, якщо провести ізохори ідеального газу через точки А та В (штрихові прямі). Чому це відбувається?

При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою (11.1) тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, а й внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари.

В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається збільшенням концентрації. Головна відмінність у поведінці ідеального газу та насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари.

Чому складаються таблиці залежності тиску насиченої пари від температури і немає таблиць залежності тиску газу від температури?

Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пара частково конденсується. Із ідеальним газом нічого подібного не відбувається.

Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі зростатиме прямо пропорційно до абсолютної температури (див. рис. 11.2, ділянка кривої ВС).

Кипіння.

У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Зрештою, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню.

Кипіння- Це процес пароутворення, що відбувається по всьому об'єму рідини при температурі кипіння.

За яких умов починається кипіння?

На що витрачається при кипінні тепло, що підводиться до рідини з точки зору молекулярно-кінетичної теорії?

Температура кипіння рідини залишається незмінною. Це тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару.

У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні та стінках судини, а також на зважених у рідині порошинках, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує, вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають нижчу температуру, то цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Захлопування відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, виробляють щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина досить прогріється, бульбашки перестануть захлопуватись і спливуть на поверхню. Рідина закипить.

Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску її поверхню. Бульбашка пара може зростати, коли тиск насиченої пари всередині його трохи перевершує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) та гідростатичного тиску стовпа рідини.

Звернемо увагу на те, що випаровування рідини відбувається і при температурах, менших за температуру кипіння, але тільки з поверхні рідини, при кипінні ж утворення пари відбувається по всьому об'єму рідини.

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється і стає трохи більше тиску в рідині.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння.

Так, у паровому котлі при тиску, що досягає 1,6 10 6 Па вода не кипить і при температурі 200 °С. У медичних закладах у герметично закритих судинах - автоклавах (рис. 11.3) кипіння води відбувається при підвищеному тиску. Тому температура кипіння рідини значно вища за 100 °С. Автоклави застосовують, наприклад, для стерилізації хірургічних інструментів, прискорення приготування (скороварка), консервації їжі, проведення хімічних реакцій.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, тим самим знижуємо температуру кипіння.

Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти за кімнатної температури. При підйомі гори атмосферний тиск зменшується, тому зменшується температура кипіння. На висоті 7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск приблизно дорівнює 4 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипить там приблизно за 70 °С. Зварити м'ясо у умовах неможливо.

Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від властивостей рідини. При одній і тій же температурі тиск насиченої пари різних рідин по-різному.

Наприклад, при температурі 100 °С тиск насичених парів води дорівнює 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а парів ртуті - лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Так як кипіння відбувається при тій же температурі, при якій тиск насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску, вода при 100 ° С закипає, а ртуть немає. Кипить ртуть за нормальної температури 357 °З нормальному тиску.

Залежність тиску насиченої пари від температури.Стан насиченої пари наближено описується рівнянням стану ідеального газу (3.4), яке тиск наближено визначається формулою

Зі зростанням температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то отже, воно залежить тільки від температури.

Однак ця залежність знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як ідеальний газ при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (рис. 52, ділянка кривої АВ).

Це відбувається з наступної причини. При нагріванні рідини з парою в закритій посудині частина рідини перетворюється на пару. В результаті згідно з формулою (5.1) тиск пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури, а й внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пари. Основна відмінність у поведінці ідеального газу та насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні об'єму при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару або, навпаки, пар частково конденсується. Із ідеальним газом нічого подібного не відбувається.

Коли вся рідина випарується, пара при подальшому нагріванні перестане бути насиченою і її тиск при постійному обсязі зростатиме прямо пропорційно до абсолютної температури (ділянка ВС на малюнку 52).

Кипіння.Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються бульбашки пари, що швидко ростуть, які спливають на поверхню. Очевидно, що бульбашка пари може зростати, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевищує тиск у рідині, який складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) та гідростатичного тиску стовпа рідини.

Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Так, при тиску в паровому котлі, що досягає Па вода не кипить і при температурі 200°С. У медичних установах кипіння води в герметично закритих судинах - автоклавах (рис. 53) - також відбувається за підвищеного тиску. Тому температура кипіння значно вища за 100°С. Автоклави застосовують для стерилізації хірургічних інструментів, перев'язувального матеріалу тощо.

Навпаки, зменшуючи тиск, тим самим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря та пари води з колби, можна змусити воду кипіти за кімнатної температури (рис. 54). При підйомі гори атмосферний тиск зменшується. Тому зменшується температура кипіння. На висоті

7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск приблизно дорівнює Па (300 мм рт. ст.). Температура кипіння води становить приблизно 70 °С. Зварити, наприклад, м'ясо за цих умов неможливо.

Відмінність температур кипіння рідин визначається різницею тиску їх насичених парів. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння відповідної рідини, так як при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному. Наприклад, при 100 °С тиск насичених парів води дорівнює (760 мм рт. ст.), а парів ртуті лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипить ртуть при 357 ° при нормальному тиску.

Критична температура.При збільшенні температури одночасно зі збільшенням тиску насиченої пари зростає також її щільність. Щільність рідини, що знаходиться в рівновазі зі своєю парою, навпаки, зменшується внаслідок розширення рідини при нагріванні. Якщо одному малюнку накреслити криві залежності щільності рідини та її пари від температури, то рідини крива піде вниз, а пари - вгору (рис. 55).

При деякій температурі, званої критичної, обидві криві зливаються, тобто щільність рідини стає рівною щільності пари.

Критичною називається температура, при якій зникають відмінності у фізичних властивостях між рідиною та її насиченою парою.

При критичній температурі щільність (і тиск) насиченої пари стає максимальною, а щільність рідини, що знаходиться в рівновазі з парою, - мінімальною. Питома теплота пароутворення зменшується зі зростанням температури і за критичної температури стає рівною нулю.

Кожна речовина характеризується своєю критичною температурою. Наприклад, критична температура води , а рідкого оксиду вуглецю (IV)

Оскільки насичена пара є одним із компонентів термодинамічно рівноважної системи гомогенного за складом, але різної по фазових фракціях речовини, то розуміння впливу окремих фізичних факторів на величину створюваного ним тиску дозволяють використовувати ці знання в практичній діяльності, наприклад, при визначенні швидкості вигоряння тих чи інших рідин у разі займання та ін.

Залежність тиску насиченої пари від температури

Тиск насиченої пари стає тим більшим, чим більше збільшується температура. У цьому зміна величин перестав бути прямо пропорційним, а відбувається значно швидше. Це з тим, що з підвищенням температури прискорюється рух молекул щодо одне одного і їм легше подолати сили взаємного тяжіння і перейти на іншу фазу, тобто. кількість молекул у рідкому стані зменшується, а в газоподібному зростає доти, доки вся рідина не перетвориться на пару. Це тиск, що збільшується, і зумовлює піднімання кришки в каструлі або , коли починає закипати вода.

Залежність тиску насиченої пари від інших факторів

На величину тиску насиченої пари впливає і кількість молекул, що перейшли в газоподібний стан, так як їх число визначає масу утворюється пари в закритій посудині. Ця величина не є постійною, так як при різниці температур дна судини і кришки, що закриває його, постійно відбуваються два взаємно протилежних процесу - пароутворення і конденсація.

Оскільки для кожної речовини за певної температури існують відомі показники переходу певної кількості молекул з однієї фази стану речовини в іншу, то змінити величину тиску насиченої пари можна шляхом зміни об'єму судини. Так, той самий об'єм води, наприклад 0,5 л, створить різний за величиною тиск у п'ятилітровій каністрі та чайнику.

Визначальним фактором для визначення довідкової величини тиску насиченої пари при незмінному обсязі та поступовому підвищенні температури є молекулярна структура самої рідини, що піддається нагріванню. Так, показники для ацетону, спирту та звичайної води істотно відрізнятимуться один від одного.

Щоб побачити процес кипіння рідини необхідно як довести тиск насиченої пари до певних меж, а й співвіднести цю величину із зовнішнім атмосферним тиском, оскільки процес кипіння можливий лише тому випадку, коли тиск зовні вище тиску всередині судини.

На цьому уроці ми розберемо властивості дещо специфічного газу – насиченої пари. Ми дамо визначення цього газу, вкажемо, чим він відрізняється від ідеальних газів, розглянутих нами раніше, і, конкретніше, ніж відрізняється залежність тиску насиченого газу. Також у цьому уроці буде розглянуто та описано такий процес, як кипіння.

Для розуміння відмінностей насиченої пари від ідеального газу потрібно уявити два досвіду.

По-перше, візьмемо герметично закриту посудину з водою і почнемо її нагрівати. Зі збільшенням температури молекули рідини матимуть все більшу кінетичну енергію, і все більша кількість молекул зможе вирватися з рідини (див. рис. 2), отже, зростатиме концентрація пари і, отже, її тиск. Отже, перше становище:

Тиск насиченої пари залежить від температури

Рис. 2.

Однак, це становище цілком очікуване і не таке цікаве, як наступне. Якщо помістити рідину з її насиченою парою під рухомий поршень і почати опускати цей поршень, то, безсумнівно, концентрація насиченої пари збільшиться через зменшення об'єму. Однак через деякий час пара перейде з рідиною до нової динамічної рівноваги шляхом конденсації зайвої кількості пари, і тиск зрештою не зміниться. Друге положення теорії насиченої пари:

Тиск насиченої пари не залежить від обсягу

Тепер слід відзначити той факт, що тиск насиченої пари хоч і залежить від температури, як і ідеальний газ, але характер цієї залежності дещо інший. Справа в тому, що, як ми знаємо з основного рівняння МКТ, тиск газу залежить як від температури, так і концентрації газу. І тому тиск насиченої пари залежить від температури нелінійно доти, доки збільшується концентрація пари, тобто поки вся рідина не випарується. На наведеному нижче графіку (рис. 3) показаний характер залежності тиску насиченої пари від температури,

Рис. 3

причому перехід від нелінійної ділянки до лінійної якраз і означає точку випаровування всієї рідини. Так як тиск насиченого газу залежить тільки від температури, можна абсолютно однозначно встановити, який буде тиск насиченої пари при заданій температурі. Ці співвідношення (а також значення щільності насиченої пари) занесені до спеціальної таблиці.

Звернемо тепер нашу увагу на такий важливий фізичний процес як кипіння. У восьмому класі вже давалося визначення кипіння як процесу пароутворення більш інтенсивному, ніж випаровування. Тепер ми дещо доповнимо це поняття.

Визначення. Кипіння- процес пароутворення, що протікає по всьому об'єму рідини. Який механізм кипіння? Справа в тому, що у воді завжди є розчинене повітря, а в результаті збільшення температури його розчинність зменшується, і утворюються мікробульбашки. Так як дно і стінки судини не ідеально гладкі, ці бульбашки чіпляються через нерівність внутрішньої сторони судини. Тепер розділ вода-повітря існує не тільки біля поверхні води, а й усередині об'єму води, і бульбашки починають переходити молекули води. Таким чином, усередині бульбашок з'являється насичена пара. Далі ці бульбашки починають спливати, збільшуючись в об'ємі і приймаючи більшу кількість молекул води всередину себе, а біля поверхні лопаються, викидаючи насичену пару в довкілля (рис. 4).

Рис. 4. Процес кипіння ()

Умовою ж утворення та спливання цих бульбашок є така нерівність: тиск насиченої пари має бути більшим або дорівнювати атмосферному тиску.

Таким чином, оскільки тиск насиченої пари залежить від температури, температура кипіння визначається тиском навколишнього середовища: чим воно менше, тим при нижчій температурі закипає рідина, і навпаки.

На наступному уроці ми почнемо розглядати властивості твердих тіл.

Список літератури

1. Мякішев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярна фізика Термодинаміка. - М: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М: Ілекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Фізика 10 клас. - М: Дрофа, 2010.

1. Physics.ru ().
2. Chemport.ru().
3. Narod.ru ().

Домашнє завдання

1. Стор. 74: №546-550. фізика. Задачник. 10-11 класи. Римкевич А.П. - М: Дрофа, 2013. ()
2. Чому альпіністи не можуть зварити яйця на висоті?
3. Які ви можете навести способи остудити чай? Обґрунтуйте їх із погляду фізики.
4. Чому слід послаблювати газовий тиск на конфорці після закипання води?
5. * Яким чином можна досягти нагрівання води вище ста градусів за Цельсієм?