Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
молекул, покидающих жидкость за некоторое время, равно числу молекул,
возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние
динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с
жидкостью называется насыщенным.
Из этой картины совершенно очевидно, что с повышением температуры
плотность, а следовательно, и давление насыщенного пара увеличиваются
(табл. 3 и 4), как это и было показано при рассмотрении изотерм реального
газа. С увеличением плотности насыщенных паров поверхностное натяжение
жидкости уменьшается, поскольку. силы, направленные внутрь жидкости,
умень-
Таблица 4
Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры
г. °С -5 -3 -1 0 1 3 5 9 15 20 25
р, кПа 0,401 0,463 0,563 0,611 0,656 0,757 0,872 1,148 1,704 2,337 3,168
272 4. Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости
шаются ввиду роста противоположно направленных сил со стороны насыщенного
пара. Отсюда же следует, что скрытая теплота парообразования с повышением
температуры уменьшается. При критической температуре плотность насыщенных
паров становится равной плотности жидкости и различие между ними
исчезает. Это означает, что и поверхность исчезает, и, следовательно,
поверхностное натяжение и скрытая теплота парообразования при критической
температуре обращаются в нуль.
Пар не является газом в строгом смысле этого слова. Газ - это агрегатное
состояние вещества при данных температуре и давлении. Пар же не является
агрегатным состоянием вещества, потому что агрегатным состоянием вещества
при данных температуре и давлении является жидкое состояние. В связи с
этим поведение пара отличается от поведения газа. В частности, у
идеальных газов давление точно обратно пропорционально объему, а у
реальных газов - с достаточно большой точностью. У паров же, близких к
насыщению, давление незначительно изменяется с объемом, а у насыщенных
паров совсем не изменяется. В грубом приближении газовые законы могут
быть применены к ненасыщенным парам. Если же пары очень далеки от
насыщения, то газовые законы для их описания являются хорошим
приближением.
Давление насыщенных паров вблизи искривленной поверхности жидкости.
Вблизи искривленной поверхности жидкости давление насыщенных паров
отличается от их давления вблизи плоской поверхности. Чтобы выяснить
характер этой зависимости, необходимо рассмотреть условия динамического
равновесия пара и жидкости. Условия динамического равновесия вблизи
искривленной поверхности по своему физическому содержанию одинаковы с
условиями у плоской поверхности, т. е. состоят в том, что интенсивности
перехода молекул из жидкости в газ и обратно одинаковы. Однако в случае
искривленной поверхности интенсивность обмена молекулами зависит от
кривизны поверхности. Учет этой зависимости позволяет определить давление
насыщенных паров вблизи искривленной поверхности. На рис. 83 изображены
различные искривления поверхности жидкости (буквой А обозначена молекула
вблизи поверхности жидкости, которую притягивают молекулы жидкости).
Очевидно, что в случае б сила больше, чем в а, а в случае в меньше, чем в
а. Поэтому в случае б, с одной стороны, молекулам труднее покинуть
жидкость, а с другой стороны, молекулы пара более энергично втягиваются в
жидкость,
83
А
в)
83. Схема, поясняющая зависимость давления насыщенных паров от формы
поверхности жидкости
§ 35. Испарение и кипение жидкостей 273
чем в случае а. Это означает, что давление насыщенных паров в случае
вогнутой поверхности жидкости меньше, чем в случае плоской. В случае в
выпуклой поверхности жидкости давление насыщенных паров увеличивается,
как это сразу следует из аналогичных рассуждений.
Имеется еще одна причина, усиливающая это изменение давления насыщенных
паров из-за кривизны поверхности. В случае б давление за счет
поверхностного натяжения направлено наружу жидкости, благодаря чему
давление внутри жидкости вблизи ее поверхности уменьшается, столкновения
между частицами становятся реже, а это еще больше уменьшает число частиц,
покидающих жидкость, т. е. еще сильнее снижает давление насыщенных паров
вблизи вогнутой поверхности жидкости. В случае в аналогичные причины
действуют в противоположном направлении и увеличивают давление насыщенных
паров вблизи выпуклой поверхности жидкости.
Чтобы найти выражение для изменения давления Ар насыщенных паров из-за
искривления поверхности жидкости, обратимся к рис. 84. Если жидкость и
трубка помещены в замкнутый сосуд, в пространстве над жидкостью будет
находиться насыщенный пар. Высота h столба жидкости в капилляре и радиус
R кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубке зависят от
поверхностного натяжения, плотности жидкости и насыщенного пара. Давление
на уровне поверхности жидкости одинаково как внутри капилляра, так и вне
капилляра Давление насыщенных паров на высоте h во всем сосуде также
одинаково. Если бы это было не так, то возникали бы горизонтальные потоки
насыщенного пара. Чтобы при этом процесс был стационарным, должны были бы
