Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
этом число молекул, испаряющихся с поверхности жидкости, превысит число
молекул, возвращающихся в нее: возникнет дополнительный поток молекул из
жидкости, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока пар и
жидкость снова не придут в равновесное состояние. Разумеется, это
справедливо, если в сосуде жидкости достаточное количество для достижения
насыщения. В противном случае вся жидкость испарится и пар будет
ненасыщенным. Если объем пространства над жидкостью не меняется, а
температура возрастает, то упругость насыщенного пара будет
увеличиваться, так как при более высоких температурах больше молекул
имеют энергию, достаточную для перехода из жидкого состояния в
газообразное. Следовательно, состояние равновесия будет до-
331
стигнуто при более высоком давлении. Поэтому кривую равновесия жидкость -
пар (см. рис. 11.1) можно рассматривать и как кривую зависимости
упругости насыщенного пара от температуры.
Следует отметить, что насыщенный пар не является идеальным газом. Поэтому
законы идеального газа для изопроцессов можно применять к ненасыщенным
парам только в случае, если пар далек от насыщения. Для насыщенного пара
использование этих законов приводит к абсурду. Однако уравнение
Менделеева - Клапейрона можно применять для нахождения массы или
плотности насыщенных паров, если известна их упругость, и наоборот, зная
массу или плотность насыщенного пара, можно найти его упругость. Таким
образом, уравнение Менделеева - Клапейрона
PV= - RT, или о = (11.8)
ц ц
справедливо для конкретной температуры и конкретного объема пара и не
выражает зависимость давления от температуры при постоянном объеме и
давления от объема при постоянной температуре, так как при этом меняется
масса насыщенных паров и их плотность.
Другим видом парообразования является кипение. Кипением называется
парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости и при
постоянной температуре.
Выясним особенности процесса кипения жидкости. При нагревании жидкости на
дне и на стенках сосуда образуются пузырьки растворенного в жидкости
воздуха, содержащие также пары жидкости. В момент образования пузырька
суммарное давление воздуха и пара в нем равно внешнему давлению
P = Po + Pgh.
где р0 - атмосферное давление; р gh - гидростатическое давление
вышележащих слоев жидкости (при записи выражения для давления мы
пренебрегли так называемым лапласовским давлением, связанным с кривизной
поверхности пузырька).
При нагревании жидкости давление насыщенных паров в пузырьках возрастает,
поэтому увеличивается объем пузырьков. При достаточно большом объеме
пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности
сосуда и поднимает вверх. Если нагрев жидкости осуществляется снизу, то
при подъеме пузырька, вследствие того, что верхние слои жидкости холоднее
нижних, насыщенный пар в нем конденсируется и объем пузырька уменьшается.
Поэтому многие из пузырьков, не достигнув поверхности жидкости,
охлопываются.
Когда температура всей жидкости выравнивается, объем пузырьков при
подъеме будет уже возрастать, так как давление насыщенного пара внутри
пузырька не меняется, а гидростатическое давление уменьшается. При росте
размеров пузырька все пространство внутри него заполняется насыщенным
паром. Когда такой пузырек достигнет поверхности, то давление насыщенного
пара в нем практически станет равным атмосферному
332
давлению на поверхности жидкости, поскольку давление воздуха в пузырьке в
этот момент мало и им можно пренебречь. На поверхности жидкости пузырек
лопается, а находящийся в нем насыщенный пар выходит в окружающую среду.
Это и есть кипение. Таким образом, кипение жидкости происходит при
одинаковой температуре всей жидкости, когда давление насыщенного пара
этой жидкости равно внешнему давлению.
Опыт показывает, что температура кипящей жидкости и температура пара над
ее поверхностью одинаковы. Поэтому температурой кипения жидкости
называется такая температура, при которой давление насыщенных паров этой
жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности. При уменьшении
внешнего давления температура кипения уменьшается, а при увеличении
давления - увеличивается. Температура кипения жидкости при нормальном
атмосферном давлении называется точкой кипения. Например, вода закипает
при t= 100°С при атмосферном давлении р = Ю5 Па.
Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа, а также
примесей в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ,
например, предварительным продолжительным кипячением, то можно нагревать
эту жидкость до температуры, превышающей температуру ее кипения. Такую
жидкость называют перегретой.
Обратимся снова к фазовой диаграмме р-Т на рис. 11.1. По мере повышения
температуры Т давление (упругость) насыщенного пара рн быстро возрастает,
что приводит к увеличению плотности насыщенного пара, которая
приближается к плотности жидкости. При некоторой температуре эти
плотности выравниваются и пар становится неотличимым от жидкости, т.е.
