Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного. Насыщенный и ненасыщенный пар

Насыщенные и ненасыщенные пары

Содержание

  1. Процесс образования пара
  2. Что такое насыщенный пар
  3. Что такое ненасыщенный пар
  4. Что мы узнали?

Бонус

  • Тест по теме

Процесс образования пара

Температура вещества определяется средней кинетической энергией молекул. Но при любой температуре находятся “быстрые” молекулы, имеющие скорости (и кинетическую энергию) на много больше средней. Это позволяет им преодолеть силу притяжения соседних молекул и “вырваться наружу”, то есть превратиться в пар и перейти в газообразное состояние. Доля таких молекул от общего их количества определяется распределением Максвелла.

Рис. 1. Распределения Максвелла для скоростей и кинетических энергий молекул идеального газа.

Часть быстрых молекул пара, сталкиваясь с другими молекулами и стенками сосуда, теряет скорость, “охлаждается”, и возвращается обратно в жидкость. Обратный процесс перехода из парообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Эксперименты показывают, что для превращения жидкости в пар при постоянной температуре необходимо передать ей количество теплоты Q, пропорциональное массе m жидкости, превратившейся в пар:

где: коэффициент пропорциональности r — удельная теплота парообразования, (Дж/кг). Удельная теплота парообразования указывает, какое количество теплоты требуется для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре.

Что такое насыщенный пар

Наблюдения показывают, что при увеличении температуры скорость испарения возрастает. Лужи после дождя исчезают гораздо быстрее, когда есть ветер. Это говорит о том, что скорость испарения увеличивается, если образовавшийся пар удаляется с границы раздела жидкость – пар. Если пар совсем не удалять, например, плотно закупорить сосуд пробкой, то испарение прекратится. То есть установится равновесная ситуация — число частиц, покидающих вещество за единицу времени, будет равно числу частиц возвращающихся обратно за тот же промежуток времени. При этом говорят, что система вещество-пар находится в динамическом равновесии, а пар называется насыщенным. Само название говорит о том, что в данном объеме достигнут предел по количеству пара.

Рис. 2. Динамическое равновесия жидкости и пара.

Что такое ненасыщенный пар

Если число частиц, покидающих вещество за единицу времени больше числа частиц возвращающихся обратно за то же время, то пар называется ненасыщенным. Значит, когда пар ненасыщен, процесс испарения идет не останавливаясь, и масса вещества в жидкой (или твердой) фазе уменьшается, а количество ненасыщенного пара увеличивается. Ситуация становится неравновесной: динамическое равновесие отсутствует.

Не следует путать водяной пар и туман, хотя и тот, и другой состоят из молекул воды. Туман образуется в атмосфере в результате конденсации водяных паров, которые собираются в мелкие водяные капли. При этом воздух утрачивает свою оптическую прозрачность. Водяной пар образовывается над поверхностями водоемов, оставаясь абсолютно прозрачным.

Читать еще:  Юлий цезарь интересные факты из жизни. Юлий Цезарь: интересные факты из жизни

Рис. 3. Пар, облака и туман.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного. Если число частиц, покидающих вещество за единицу времени больше числа частиц возвращающихся обратно за то же время, то пар называется ненасыщенным. Когда число молекул, покидающих вещество за единицу времени равно числу молекул возвращающихся обратно за то же время, то этом случае пар называется насыщенным.

Молекулярная физика. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Насыщенный пар.

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.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температу­ре это число приблизительно равно 10 22 молекул за 1 с на 1 см 2 площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара .

При сжатии насыщенного пара, температура которого под­держивается 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 восста­новится). 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, при котором жидкость находит­ся 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 эта зависимость выражается равенством:

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следова­тельно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость p(T) отличается от зави­симости (p=nkT) для идеального газа.

С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального га­за (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=nkT), давление насы­щенного 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 из­менении 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).

Читать еще:  Всегда ли есть испытательный срок. Что вам нужно знать об испытательном сроке

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.

Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного

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.

Читать еще:  Сонник летать на вертолете с мужчиной. К чему снится вертолет: толкование по соннику

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.

Источники:

http://obrazovaka.ru/fizika/nasyschennye-i-nenasyschennye-pary-chem-otlichayutsya.html
http://www.calc.ru/Molekulyarnaya-Fizika-Nasyshchennyye-I-Nenasyshchennyye-Pary.html
http://vchemraznica.ru/chem-otlichaetsya-nasyshhennyj-par-ot-nenasyshhennogo/

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector