Випаровування рідин. Насичена і ненасичена пара. Тиск насичуючої пари. Вологість повітря, її вимірювання

 

Пароутворення – процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний.

Пара – сукупність молекул, що вилетіли з рідини при пароутворенні.

Випаровування (рос. - испарение):

1) це пароутворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини.

2) з точки зору молекулярно-кінетичної теорії – це процес, при якому з поверхні рідини вилітають найбільш швидкі молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію їх зв'язку з останніми молекулами рідини. Це приводить до зменшення середньої кінетичної енергії молекул, що залишилися, тобто до охолоджування рідини (якщо немає підведення енергії від навколишніх тіл).

Для того щоб температура рідини при випаровуванні не знижувалась, до неї треба підводити тепло.

Мірою процесу пароутворення є швидкість пароутворення - кількість рідини, що переходить в пару за одиницю часу з одиниці площини поверхні рідини.

Швидкість випаровування залежить від:

1. виду рідини (якщо в однакові судини налити різні рідини однакового об'єму, то швидкість випаровування буде різною);

2. температури рідини (чим вище температура, тим швидше випаровувається рідина);

3. площі вільної поверхні (чим більша площина поверхні, тим швидке буде здійснюватися випаровування);

4. наявності вітру.

Випарування може відбуватися не лише з поверхні, але і в об'ємі рідини. У рідині завжди є найдрібніші бульбашки газу. Якщо тиск газу у бульбашках рідини дорівнює зовнішньому тиску або перевищує його, рідина випаровуватиметься всередину бульбашок. Бульбашки, наповнені парою, розширюються і спливають на поверхню.

Одночасно з випаровуванням здійснюється зворотній процес – конденсація

Конденсація – це процес перетворення пари на рідину.

Швидкість конденсації визначаєтся кількістю молекул, що переходить із пари в рідину через одиницю площини поверхні рідини в одиницю часу.

 

Розглянемо плотно закриту судину з рідиною. Спочатку рідина буде випаровуватися і одночасно буде здійснюватися конденсація. Але з часом зменшення рідини зупиниться, тобто між процесами випаровування і конденсації наступить динамічна (рухома) рівновага – швидкість пароутворення дорівнює швидкості конденсації (коли число молекул, що вилітають з рідини, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину з пари). Пара в цьому випадку має максимальну густину.

Насичена пара – пара, яка перебуває в динамічній (рухомій) рівновазі зі своєю рідиною.

Ненасичена пара – пара, яка знаходиться над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією, та пара за відсутністю рідини.

Звідси можна побачити, що при визначеній температурі пари будь-якої речовини мають найбільш можливу густину і найбільш можливий тиск, коли вони насичують простір.

Розглянемо поведінку насиченої пари при ізохорному процесі. Для цього візьмемо герметично замкнену судину з манометром. Перед тим як замкнути судину, наллємо до неї рідину і відкачаємо повітря. Простір над рідиною буде заповнен тільки парами цієї рідини. Помістимо судину до водяної бані і будемо нагрівати її та записувати температуру і тиск насиченої пари. По закінченню нагріву судини, почнемо її охолоджувати і знову запишемо температуру і тиск насиченої пари. Порівняємо дані маномерта при однакових температурах і побачимо, що вони однакові. Тому робимо висновок: тиск насиченої пари p₀ даної речовини залежить лише від його температури і не залежить від об'єму.

При підвищенні температури тиск насиченої пари і його густина r₀ зростають, а густина рідини r_рід зменшується із-за теплового розширення. За деякої температури, яку називають критичною, r₀ = r_рід (рис.3.3.5).

 

Критична температура - це температура, за якої зникає відмінність у фізичних властивостях рідини й її насиченої пари. Цей стан називають критичним станом речовини. В Україні вперше дослідив цей стан професор Київського університету М. П. Авенаріус за методом зникнення меніска.

У разі критичної температури густина і тиск насиченої пари стають максимальними, а густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною. Питома теплота пароутворення зменшується із зростання температури і за критичної температури дорівнює нулю.

Кожна речовина має свою критичну температуру. Наприклад, критична температура води приблизно дорівнює 375 ºС.

Особливе значення критичної температури полягає в тому, що якщо температури вищі за критичну, газ не можна перетворити в рідину ні за яких значень тиску.

 

Атмосфера складається з суміші газів, що називається повітрям, у якому знаходяться в завислому стані рідкі і тверді частинки. Загальна маса останніх незначна в порівнянні з усією масою атмосфери. Атмосферне повітря в земної поверхні, як правило, є вологим. Це значить, що до його складу, разом з іншими газами, входить водяна пара, тобто вода в газоподібному стані (H2О). Утримання водяної пари в повітрі змінюється в значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: у земної поверхні воно коливається між сотими частками відсотка і декількома відсотками.

Водяна пара безперервно поступає в атмосферу в результаті випару з поверхні водоймищ, ґрунту, рослинного, снігового і крижаного покриву. Кількість водяної пари залежить від фізіко-географічніх умов місцевості, пори року і доби. Процес випару полягає в тому, що молекули води, що володіють найбільшими швидкостями, долають сили молекулярного зчеплення і відриваються від водної або іншій випарювальній поверхні. Потім вони швидко поширюються в довкілля в результаті молекулярної дифузії.

 

Парціальний тиск водяної пари — тиск, який виробляла б водяна пара, якби всі останні гази були відсутні.

 

Вологість повітря характеризує кількість водяної пари в повітрі.

Розрізняють абсолютну і відносну вологість.

 

Абсолютна вологість – це парціальний тиск водяної пари, наявної в повітрі при даній температурі р_а, або густина водяної пари ρ_а

 

Абсолютну вологість повітря вимірюють густиною водяної пари ρ_а, що знаходиться в повітрі, або його тиском р_а

Відносна вологість повітря φ показує, наскільки близька водяна пара до насиченості. Відносна вологість вимірюється у відсотках.

Відносна вологість повітря — відношення тиску пари, що міститься в повітрі, до тиску насиченої пари при тій же температурі, виражене у відсотках.

 

Точка роси — одна з основних характеристик вологості повітря.

Точкою роси при даному тиску називається температура, до якої повинне охолодитися повітря, щоб водяна пара, що міститься в нім, досягла стану насичення і почала конденсуватися в росу.

Точка роси визначає відносну вологість. Чим вище відносна вологість, тим точка роси вище і ближче до фактичної температури повітря. Чим нижче відносна вологість, тим точка роси нижча за фактичну температуру. Якщо відносна вологість складає 100 %, то точка роси збігається з фактичною температурою.

 

Вологість повітря визначають за допомогою приладів: психрометра та гігрометра.