Прежде, чем отвечать на вопрос, поставленный в названии статьи, разберемся, что такое пар. Образы, возникающие у большинства людей при этом слове: кипящий чайник или кастрюля, парилка, горячий напиток и еще множество подобных картинок. Так или иначе, в наших представлениях присутствует жидкость и газообразная субстанция, поднимающаяся над ее поверхностью. Если вас попросят привести пример пара, вы сразу вспомните водяной пар, пары спирта, эфира, бензина, ацетона.

Существует еще одно слово для обозначения газообразных состояний – газ . Здесь мы обычно вспоминаем кислород, водород, азот и другие газы, не ассоциируя их с соответствующими жидкостями. При этом хорошо известно, что они существуют и в жидком состоянии. На первый взгляд различия заключаются в том, что пар соответствует естественным жидкостям, а газы надо сжижать специально. Однако это не совсем верно. Более того, образы, возникающие при слове пар – паром не являются. Чтобы дать более точный ответ, разберемся, как возникает пар.

Чем отличается пар от газа?

Агрегатное состояние вещества задается температурой, точнее соотношением между энергией, с которой взаимодействуют его молекулы и энергией их теплового хаотического движения. Приближенно, можно считать, что если энергия взаимодействия значительно больше – твердое состояние, если значительно больше энергия теплового движения — газообразное, если энергии сравнимы – жидкое.

Получается, чтобы молекула могла оторваться от жидкости и участвовать в образовании пара, величина тепловой энергии должна быть больше энергии взаимодействия. Как это может произойти? Средняя скорость теплового движения молекул равна определенному значению, зависящему от температуры. Однако индивидуальные скорости молекул различны: большая их часть обладает скоростями близкими к среднему значению, но некоторая часть имеет скорости больше средней, некоторая — меньше.

Более быстрые молекулы могут иметь тепловую энергию большую, чем энергия взаимодействия, а значит, попав на поверхность жидкости, способны оторваться от нее, образуя пар. Такой способ парообразования называется испарением . Из-за того же распределения скоростей существует и противоположный процесс — конденсация: молекулы из пара переходят в жидкость. Кстати образы, которые обычно возникают при слове пар, это не пар, а результат противоположного процесса — конденсации. Пар увидеть нельзя.

Пар при определенных условиях может стать жидкостью, но для этого его температура не должна превышать определенного значения. Это значение называется критической температурой. Пар и газ — газообразные состояния, отличающиеся температурой, при которой они существуют. Если температура не превышает критической — пар, если превышает – газ. Если поддерживать температуру постоянной и уменьшать объем, пар — сжижается, газ – не сжижается.

Что такое пар насыщенный и ненасыщенный

Само слово «насыщенный» несет определенную информацию, трудно насытить большую область пространства. Значит, чтобы получить насыщенный пар, надо ограничить пространство, в котором находится жидкость . Температура при этом должна быть меньше критической для данного вещества. Теперь испарившиеся молекулы остаются в пространстве, где находится жидкость. Сначала большинство переходов молекул будет происходить из жидкости, при этом плотность пара будет повышаться. Это в свою очередь вызовет большее число обратных переходов молекул в жидкость, что увеличит скорость процесса конденсации.

Наконец, устанавливается состояние, для которого среднее число молекул, переходящих из одной фазы в другую будет равным. Такое состояние называется динамическое равновесие . Для этого состояния характерно одинаковое изменение величины и направления скоростей испарения и конденсации. Это состояние соответствует насыщенному пару. Если состояние динамического равновесия не достигнуто, это соответствует ненасыщенному пару.

Начинают изучение какого-то объекта, всегда с самой простой его модели. В молекулярно-кинетической теории это — идеальный газ. Основные упрощения здесь — пренебрежение собственным объемом молекул и энергией их взаимодействия. Оказывается, подобная модель вполне удовлетворительно описывает ненасыщенный пар. Причем чем менее он насыщен, тем правомернее ее применение. Идеальный газ — это газ, он не может стать ни паром, ни жидкостью. Следовательно, для насыщенного пара подобная модель не является адекватной.

Основные отличия насыщенного пара от ненасыщенного

1. Насыщенный означает, что данный объект имеет самое большое из возможных значений некоторых параметров. Для пара — это плотность и давление . Эти параметры для ненасыщенного пара имеют меньшие значения. Чем дальше пар от насыщения, тем меньше эти величины. Одно уточнение: температура сравнения должна быть постоянной.
2. Для ненасыщенного пара выполняется закон Бойля-Мариотта : если температура и масса газа постоянны, увеличение или уменьшение объема, вызывает уменьшение или увеличение давления во столько же раз, давление и объем — связаны обратно пропорциональной зависимостью. Из максимальности плотности и давления при постоянной температуре вытекает их независимость от объема насыщенного пара, получается, что для насыщенного пара давление и объем — не зависят друг от друга.
3. Для ненасыщенного пара плотность не зависит от температуры , и если объем сохраняется, не меняется и значение плотности. Для насыщенного пара при сохранении объема плотность изменяется, если изменяется температура. Зависимость в данном случае прямая. Если увеличивается температура, увеличивается и плотность, если температура уменьшается, так же изменяется плотность.
4. Если объем постоянен, ненасыщенный пар ведет себя в соответствии с законом Шарля: при увеличении температуры во столько же раз увеличивается и давление. Такая зависимость называется линейной. У насыщенного пара при увеличении температуры давление возрастает быстрее, чем у ненасыщенного пара. Зависимость имеет экспоненциальный характер.

Подводя итог, можно отметить значительные различия свойств сравниваемых объектов. Основное отличие в том, что пар, в состоянии насыщения, нельзя рассматривать в отрыве от его жидкости. Это двухкомпонентная система, к которой нельзя применять большинство газовых законов.

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Давление насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара, температура которого под-держивается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восста-новится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление р 0 , при котором жидкость находит-ся в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара .

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением р 0 эта зависимость выражается равенством:

p 0 =nkT.

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следова-тельно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость p 0 (T) отличается от зави-симости (p 0 =nkT ) для идеального газа.

С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального га-за (участок кривой АВ на рисунке). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку A (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет. Поэтому, согласно формуле (p 0 =nkT ), давление насы-щенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в из-менении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (молекулярно-кинетическая теория идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок ВС кривой на рисунке выше).

Ненасыщенный пар.

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Процессы испарения и конденсации идут непрерывно и параллельно друг другу.

В открытом сосуде количество жидкости со временем уменьшается, т.к. испарение преобладает над конденсацией.

Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией или пар при отсутствии жидкости, называется ненасыщенным.

В герметически закрытом сосуде уровень жидкости со временем не изменяется, т.к. испарение и конденсация компенсируют друг друга: сколько молекул вылетает из жидкости, столько же их за тоже время возвращается в неё, наступает динамическое (подвижное) равновесие между паром и его жидкостью.

Пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

При данной температуре насыщенный пар какой-либо жидкости имеет наибольшую плотность ( ) и создаёт максимальное давление ( ), которое может иметь пар этой жидкости при этой температуре.

Давление и плотность насыщенного пара при одной и той же температуре зависит от рода вещества: большее давление создаёт насыщенный пар той жидкости, которая быстрее испаряется. Например, и

Свойства ненасыщенных паров: Ненасыщенные пары подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, к ним можно применять уравнение состояния идеального газа.

Свойства насыщенных паров: 1. При неизменном объёме с возрастанием температуры давление насыщенного пара увеличивается, но не прямо пропорционально (закон Шарля не выполняется), давление растёт быстрее, чем у идеального газа. , при возрастании температуры () , увеличивается масса пара, а поэтому возрастает концентрация молекул пара () и давление насыщенного пара растает по двум причинам (

3 1 – ненасыщенный пар (идеальный газ);

2 2 – насыщенный пар; 3 – ненасыщенный пар,

1 полученный из насыщенного пара в том же

Объёме при нагревании.

2. Давление насыщенного пара при неизменной температуре не зависит от занимаемого им объёма.

С увеличением объёма масса пара увеличивается, а масса жидкости уменьшается (часть жидкости переходит в пар), при уменьшении объёма пара становится меньше, а жидкости больше (часть пара переходит в жидкость), плотность же и концентрация молекул насыщенного пара остаются постоянными, следовательно, и давление остаётся постоянным ().

жидкость

(насыщ. пар + жидкость )

Ненасыщ. пар

Насыщенные пары не подчиняются газовым законам Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, т.к. масса пара в процессах не остаётся постоянной, а все газовые законы получены для неизменной массы. К насыщенному пару можно применять уравнение состояния идеального газа.

Итак, насыщенный пар можно перевести в ненасыщенный пар, либо нагревая его при постоянном объёме, либо увеличивая его объём при постоянной температуре. Ненасыщенный пар можно перевести в насыщенный пар, либо охлаждая его при постоянном объёме, либо сжимая его при постоянной температуре.

Критическое состояние

Наличие свободной поверхности у жидкости даёт возможность указать, где находится жидкая фаза вещества, а где газообразная. Резкое различие между жидкостью и её паром объясняется тем, что плотность жидкости во много раз больше, чем у пара. Если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения её плотность будет уменьшаться, а плотность пара над ней увеличиваться. Это означает, что различие между жидкостью и её насыщенным паром сглаживается и при достаточно высокой температуре исчезает совсем. Температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и её насыщенным паром, и их плотности становятся одинаковыми, называется критической температурой.

Критическая точка

Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость. Критическая температура зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и поэтому различна для разных газов. Из-за сильного взаимодействия молекул воды водяной пар можно превратить в воду даже при температуре . В то же время сжижение азота происходит лишь при температуре, меньшей =-147˚ , т.к. молекулы азота слабо взаимодействуют между собой.

Другим макроскопическим параметром, влияющим на переход пар - жидкость, является давление. С ростом внешнего давления при сжатии газа уменьшается среднее расстояние между частицами, возрастает сила притяжения между ними и соответственно средняя потенциальная энергия их взаимодействия.

Давление насыщенного пара при его критической температуре называется критическим . Это наибольшее возможное давление насыщенного пара данного вещества.

Состояние вещества с критическими параметрами называется критическим (критическая точка). У каждого вещества свои критические температура и давление.

В критическом состоянии обращаются в нуль удельная теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения жидкости. При температурах выше критической, даже при очень больших давлениях невозможно превращение газа в жидкость, т.е. выше критической температуры жидкость не может существовать. При сверхкритических температурах возможно только парообразное состояние вещества.

Сжижение газов возможно лишь при температурах ниже критической температуры. Для сжижения газы охлаждают до критической температуры, например, при адиабатном расширении, а затем изотермически сжимают.

Кипение

Внешне явление выглядит так: со всего объёма жидкости к поверхности поднимаются быстро растущие пузырьки, на поверхности они лопаются, и пар выбрасывается в окружающую среду.

МКТ объясняет кипение так: в жидкости всегда есть пузырьки воздуха, в них из жидкости происходит испарение. Замкнутый объём пузырьков оказывается заполненным не только воздухом, но и насыщенным паром. Давление насыщенного пара в них при нагревании жидкости растёт быстрее, чем давление воздуха. Когда в достаточно нагретой жидкости давление насыщенного пара в пузырьках становится больше внешнего давления, они увеличиваются в объёме, и выталкивающая сила, превосходящая их силу тяжести, поднимает пузырьки к поверхности. Всплывшие пузырьки начинают лопаться, когда при определённой температуре давление насыщенного пара в них превосходит давление над жидкостью. Температура жидкости, при которой давление её насыщенного пара в пузырьках равно или превышает внешнее давление на жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения различных жидкостей различна , т.к. давление насыщенного пара в их пузырьках сравнивается с одним и тем же внешним давлением при разных температурах. Например, давление насыщенного пара в пузырьках равно нормальному атмосферному давлению у воды при 100˚С, у ртути при 357˚С, у спирта при 78˚С, у эфира при 35˚С.

Температура кипения в процессе кипения остаётся постоянной, т.к. всё тепло, которое подводится к нагреваемой жидкости, тратится на парообразование.

Температура кипения зависит от внешнего давления на жидкость: с увеличением давления температура повышается; с уменьшением давления температура понижается. Например, на высоте 5км над уровнем моря, где давление в 2 раза ниже атмосферного, температура кипения воды 83˚С, в котлах паровых машин, где давление пара 15 атм. (), температура воды около 200˚С.

Влажность воздуха

В воздухе всегда есть водяной пар, поэтому можно говорить о влажности воздуха, которая характеризуется следующими величинами:

1.Абсолютная влажность – это плотность водяного пара, находящегося в воздухе ( или давление, которое этот пар создаёт ( .

Абсолютная влажность не даёт представление о степени насыщения воздуха водяными парами. Одно и то же количество водяного пара при разной температуре создаёт разное ощущение влажности.

2.Относительная влажность - это отношение плотности (давления) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к плотности (давлению) насыщенного пара при той же температуре : или

– абсолютная влажность при данной температуре; - плотность, давление насыщенного пара при той же температуре. Плотность и давление насыщенного водяного пара при любой температуре можно найти в таблице. Из таблицы видно, чем выше температура воздуха, тем больше должны быть плотность и давление водяного пара в воздухе, чтобы он был насыщенным.

Зная относительную влажность, можно понять, на сколько процентов водяной пар в воздухе при данной температуре далёк от насыщения. Если пар в воздухе насыщенный, то . Если , то до состояния насыщения в воздухе не хватает пара.

О том, что пар в воздухе становится насыщенным, судят по появлению влаги в виде тумана, росы. Температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.

Пар в воздухе можно сделать насыщенным, если добавить пары за счёт дополнительного испарения жидкости, не меняя температуры воздуха, или при имеющемся количестве пара в воздухе понизить его температуру.

Нормальная относительная влажность, наиболее благоприятная для человека 40 - 60%. Большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. В ткацком, кондитерском производстве для нормального течения процесса необходима определённая влажность. Хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне.

Приборы для определения влажности:

1. Конденсационный гигрометр (позволяет определить точку росы).

2. Волосной гигрометр (принцип действия основан на зависимости длины обезжиренного волоса от влажности) измеряет относительную влажность в процентах.

3. Психрометр состоит из двух термометров сухого и увлажнённого. Резервуар увлажнённого термометра обмотан тканью, опущенной в воду. За счёт испарения с ткани температура увлажнённого ниже, чем сухого. Разность показаний термометров зависит от влажности окружающего воздуха: чем суше воздух, тем интенсивнее испарение с ткани, тем больше разность показаний термометров и наоборот. Если влажность воздуха 100%, то показания термометров одинаковые, т.е. разность показаний 0. Для определения влажности с помощью психрометра используют психрометрическую таблицу.

Плавление и кристаллизация

При плавлении твёрдого тела увеличивается расстояние между частицами, образующими кристаллическую решётку, и происходит разрушение самой решётки. На процесс плавления необходимо затрачивать энергию. При нагревании твёрдого тела возрастает кинетическая энергия колеблющихся молекул и соответственно амплитуда их колебаний. При определённой температуре, называемой температурой плавления, нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах, кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твёрдого состояния в жидкое состояние.

При кристаллизации происходит сближение молекул, которые образуют кристаллическую решётку. Кристаллизация может происходить только тогда, когда жидкость отдаёт энергию. При охлаждении расплавленного вещества средняя кинетическая энергия и скорость молекул уменьшаются. Силы притяжения могут удерживать частицы около положения равновесия. При определённой температуре, называемой температурой отвердевания (кристаллизации), все молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия, их расположение становится упорядоченным – образуется кристалл.

Плавление твёрдого тела происходит при той же температуре, при которой это вещество отвердевает

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. Например, температуры плавления у гелия -269,6˚С, у ртути -38,9˚С, у меди 1083˚С.

Во время процесса плавления температура остаётся постоянной. Подводимое извне количество теплоты идёт на разрушение кристаллической решётки.

Во время процесса отвердевания, не смотря на то, что тепло отводится, температура не меняется. Выделяющаяся при кристаллизации энергия расходуется на поддержание постоянной температуры.

Пока всё вещество не расплавится или всё вещество не отвердеет, т.е. пока существуют совместно твёрдая и жидкая фазы вещества, температура не изменяется.

Тв.+жид. жид.+тв.

, где – количество теплоты, - количество теплоты, необходимое для расплавления вещества выделяемое при кристаллизации вещества массой массой

- удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой 1кг при температуре плавления.

Какое количество теплоты затрачивается при плавлении определённой массы вещества, такое же количество теплоты выделяется при кристаллизации этой массы.

Называется также удельной теплотой кристаллизации .

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

У большого числа веществ объём при плавлении увеличивается, а плотность уменьшается. При отвердевании наоборот, объём уменьшается, а плотность увеличивается. Например, кристаллики твёрдого нафталина тонут в жидком нафталине.

Некоторые вещества, например, висмут, лёд, галлий, чугун и др. при плавлении сжимаются, а при отвердевании расширяются. Эти отклонения от общего правила объясняются особенностями строения кристаллических решёток. Поэтому вода оказывается плотнее льда, лёд плавает в воде. Расширение воды при замерзании ведёт к разрушению горных пород.

Изменение объёма металлов при плавлении и отвердевании имеет существенное значение в литейном деле.

Опыт показывает, что изменение внешнего давления на твёрдое вещество отражается на температуре плавления этого вещества . Для тех веществ, которые при плавлении расширяются, увеличение внешнего давления приводит к повышению температуры плавления, т.к. затрудняет процесс плавления. Если же вещества при плавлении сжимаются, то для них увеличение внешнего давления ведёт к понижению температуры плавления, т.к. помогает процессу плавления. Только очень большое увеличение давления заметно изменяет температуру плавления. Например, чтобы понизить температуру плавления льда на 1˚С, давление нужно повысить на 130 атм. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называют точкой плавления вещества.

Если в пространстве, содержащем пары какой-нибудь жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, называется ненасыщенным паром.

Изменяя объём ненасыщенного пара, мы заметим, что давление его также изменяется: при уменьшении объёма давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается.

Пусть трубка В поднята так высоко, что в ней находится ненасыщенный пар. Давление этого пара равно Н – h, где Н – атмосферное давление. Если после этого опускать трубку, то уровень ртути в ней будет понижаться: h 1 < h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h 1 > H - H). Давление пара будет возрастать до тех пор, пока пар не станет насыщающим. Над ртутью при этом появится жидкость. С момента насыщения пара его давление станет постоянным и равным Н – h 2 . Это будет наибольшее давление пара при данной температуре.?

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения.

Графически переход ненасыщенного пара в жидкость путём уменьшения его объёма без изменения температуры представляется кривой ABCD. Часть АВ этой кривой соответствует ненасыщенному пару, точка В – состоянию насыщения, линия ВС – конденсации пара и CD – жидкости. Кривая ABCD называется изотермой пара и жидкости.

Ненасыщенный пар можно привести в состояние насыщения не только путём уменьшения объёма, но и путём понижения его температуры. Так, если полить эфиром наружную часть трубки В, то эфир, испаряясь, охладит её, вследствие чего ненасыщенный пар перейдёт в состояние насыщения, частично обратившись при этом в жидкость.

Этим свойством пара объясняется запотевание холодных предметов, внесённых в тёплую комнату, образование тумана, росы и т. д. Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное достигается двумя путями: 1) понижением температуры и 2) повышением давления (уменьшением объёма).

Обратно переход из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается: 1) без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) и 2) повышением температуры пара.

Если осторожно нагревать трубку, содержащую насыщающий пар, то жидкость, находящаяся над ртутью, постепенно испарится, и при дальнейшем нагревании над ртутью будет уже ненасыщенный пар.

В технике ненасыщенный пар, получаемый путём перегрева насыщенного пара, называется перегретым паром. Для работы паровых двигателей в настоящее время применяют исключительно перегретый пар, имеющий температуру от 150 до 600° С.