Испарение и конденсация

В жидких и твердых телах при любой температуре имеется не­которое количество молекул, энергия которых оказывается доста­точной для того, чтобы преодолеть притяжение к другим молекулам, покинуть поверхность жидкости или твердого тела и перейти в га­зообразную фазу. Переход жидкости в газообразное состояние назы­вается испарением, переход в газообразное состояние твер­дого тела носит название сублимации.

При испарении и сублимации тело поки­дают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя энергия оставшихся молекул уменьшается и тело охлаждается. Чтобы под­держивать температуру испаряющегося (или сублимирующегося) тела неизменной, к нему нужно непрерывно подводить тепло. Тепло q, которое необходимо сообщить единице массы вещества для того, чтобы превратить ее в пар, находящийся при той же темпе­ратуре, какую имело вещество до испарения, называется удель­ной теплотой испарения (или сублимации).

При конденсации тепло, затраченное при испарении, отдается обратно: образующаяся при конденсации жидкость (или твердое тело) нагревается.

Рассмотрим процесс установления равновесия между жидкостью и ее паром. Возьмем герметичный сосуд, частично заполненный жидкостью (рис.7.1), и допустим, что первоначально из простран­ства над жидкостью вещество было полностью удалено. Вследствие процесса испарения пространство над жидкостью станет напол­няться молекулами. Молекулы, перешедшие в газообразную фазу, двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости, причем часть таких ударов будет сопровождаться переходом молекул в жидкую фазу. Количество молекул, переходящих в единицу времени в жидкую фазу, очевидно, пропорционально количеству ударяю­щихся о поверхность молекул, которое в свою очередь пропорцио­нально , т. е. растет с давлением р. Следовательно, наряду с испарением протекает обратный процесс перехода моле­кул из газообразной в жидкую фазу, причем интенсивность его ра­стет по мере увеличения плотности молекул в пространстве над жидкостью. При достижении некоторого, вполне определенного (для данной темпера­туры) давления количества молекул, покидаю­щих жидкость и возвращающихся в нее, станут равны. Начиная с этого момента, плотность пара перестает изменяться. Между жидкостью и паром установится подвижное равновесие, которое будет существовать до тех пор, пока не изменится объем или темпе­ратура системы. Пар, находящийся в равно­весии со своей жидкостью, называется насыщенным. Давление, при котором наблю­дается равновесие, называется давлением (или упругостью) насыщенного пара. Количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, растет с температурой.

Количество молекул, ударяющихся о поверхность жидкости, зависит от температуры в меньшей степени (через как ). Поэтому при повышении температуры равнове­сие между фазами нарушается, и в течение некоторого времени по­ток молекул в направлении жидкость → пар будет превышать по­ток в направлении пар → жидкость. Это продолжается до тех пор, пока возрастание давления не приведет снова к установлению по­движного равновесия. Таким образом, давление, при котором уста­навливается подвижное равновесие между жидкостью и паром, т. е. давление насыщенных паров, оказывается зависящим от тем­пературы. Вид этой зависимости показан на рис.7.2.

Если увеличить объем сосуда, давление пара упадет и равнове­сие будет нарушено. В результате превратится в пар дополнительное количество жидкости такое, чтобы давление снова стало равным p_н.п. Аналогично уменьшение объема приведет к превращению неко­торого количества пара в жидкость.

7.3. Равновесие жидкости и насыщенного пара

Рассмотрим процесс сжатия вещества при постоянной темпера­туре. Первоначально вещество предполагается газообразным. Вна­чале по мере уменьшения объема давление газа будет расти (рис.7.3). По достижении объема V_г давление перестает изме­няться, а вещество перестает быть однородным — часть газа кон­денсируется в жидкость. Происходит расслоение вещества на две фазы: жидкую и газообразную. По мере дальнейшего уменьшения объема все большая часть вещества переходит в жидкую фазу, причем переход осуществ­ляется при постоянном давлении p_н.п (давлении насыщенного пара). После того как процесс конденсации вещества заканчивается (это происходит при до­стижении объема V_ж), дальнейшее уменьшение объема начинает сопровож­даться быстрым ростом давления.

На рис.7.3 V_г есть объем, занимае­мый веществом в газообразном состоянии при давлении р_н.п, V_ж —объем вещества в жидком состоянии при том же давлении. При любом промежуточном значении объема V часть вещества с массой m_ж будет находиться в жидком, а часть с массой т_п — в парообразном состоянии. Найдем отношение т_ж/т_п.

Назовем удельным объемом объем единицы массы вещества. Тогда, если масса вещества равна т, то удельные объемы насы­щенного пара и жидкости при давлении р_н.п будут равны

.

В состоянии, при котором масса жидкой фазы равна т_ж, а масса пара равна т_п, на долю жидкости будет приходиться объем , а на долю насыщенного пара — объем . В сумме оба эти объема должны быть равны объему V

Подставив выражения для удельных объемов и заменив массу m = m_ж + m_п, получим:

Тогда - отношение масс жидкости и насыщенного пара в двухфазном состоянии равно отношению отрезков, на которые делит горизонтальный участок изотермы точка, изображающая состояние.

Итак, на диаграмме р,V состояниям равновесия между жидкостью и ее насыщенным паром соответствует горизонтальный участок изотермы. Концы этого участка отвечают объемам V₁ и V₂ , занимаемым веществом в первой и второй фазах. Этими фазами могут быть жидкость и насыщенный пар, либо жидкость и кристаллы, либо две кристаллические модификации одного и того же вещества. Во всех случаях справедливо соотношение

(m₁ и m₂ — массы вещества в первой и второй фазах).