Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Насыщенный пар – пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Термодинамическое равновесие – число молекул пара, конденсирующихся за определенный промежуток времени, равно числу молекул жидкости, испаряющихся за это же время.

Концентрация частиц n постоянна, так как при уменьшении объема V в равной степени уменьшается полное количество частиц N из-за конденсации молекул пара.

Поэтому давление насыщенного пара p = nkT , когда в цилиндре сосуществуют пар и жидкость, остается постоянным (при изотермическом сжатии T = const)

После полной конденсации пара возможно незначительное сжатие жидкости. При этом давление резко возрастает из-за малой сжимаемости жидкости.

Изотерма при температуре выше критической T>Tкр совпадает с изотермой идеального газа.

Давление идеального газа при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре.

Так как в насыщенном паре при возрастании температуры концентрация молекул увеличивается, давление насыщенного пара с повышением температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа с постоянной концентрацией молекул.

То есть давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.

Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара.

Энергетические процессы испарения и конденсации

Молекула испаряется с поверхности жидкости, если ее кинетическая энергия больше потенциальной энергии притяжения к другим молекулам:

Ek>│Ep│

Испарение – процесс, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Испарение жидкости может происходить при любой температуре.

Испарение сопровождается охлаждением жидкости, так как жидкость покидают молекулы, имеющие большую кинетическую энергию, и внутренняя энергия жидкости понижается.

Внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Если нет притока энергии к жидкости извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается.

Вылетевшие молекулы начинают беспорядочно двигаться в тепловом движении газа; они могут или навсегда удалиться от поверхности жидкости, или снова вернуться в жидкость. Такой процесс называется конденсацией.

При увеличении температуры число испаряющихся молекул возрастает (Ек = kT).

Так как жидкость покидают самые быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия молекул жидкости, а следовательно и ее температура уменьшается.

Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости при постоянной температуре, пропорционально числу испаряющихся молекул или их суммарной массе:

Qn = rm

r – удельная теплота испарения (парообразования)

Удельная теплота испарения (парообразования) r – количество теплоты, необходимое для испарения (парообразования) 1 кг жидкости при постоянной температуре.

Единица измерения – Дж/кг

При парообразовании подводимое количество теплоты расходуется на разрыв межмолекулярных связей.

Количество теплоты, получаемое жидкостью при конденсации, равно количеству теплоты, теряемому при испарении.(при термодинамическом равновесии)

Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром.

Пар, находящийся при давлении ниже давления насыщенного пара называется ненасыщенным.

При сжатии насыщенного пара концентрация молекул пара увеличивается, равновесие между процессами испарения и конденсации нарушается и часть пара превращается в жидкость.

При расширении насыщенного пара концентрация его молекул уменьшается и часть жидкости превращается в пар. Таким образом, концентрация насыщенного пара остается постоянной независимо от объема.

Так как давление газа пропорционально концентрации и температуре (p = knT), давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от объема.

Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

(лат. конденсаре – сгущать)

Конденсация сопровождается выделением энергии.

Конденсация объясняет, например, образование облаков в верхних, более холодных, слоях воздуха.

НАСЫЩЕННЫЕ И НЕНАСЫЩЕННЫЕ ПАРЫ(уч.10кл.стр.286-291,292-293)

Испарение, конденсация, определения см.выше.( уч.10кл.стр.286-289)

Понятие насыщенного пара

Давление насыщенного пара

Зависимость насыщенного пара от температуры жидкости

Зависимость давление насыщенного пара от сил взаимодействия молекул жидкости

Испарение — парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости.

Неравномерное распределение кинети­ческой энергии теплового движения молекул приво­дит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами.

Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение со­провождается охлаждением жидкости.

Скорость ис­парения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жид­кости.

Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии.

Через некоторое время после начала испарения концентрация вещест­ва в газообразном состоянии достигнет такого значе­ния, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, поки­дающих жидкость за то же время.

Устанавливается динамическое равновесие между процессами испа­рения и конденсации вещества.

Вещество в газооб­разном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром.

Паром называют совокупность молекул, по­кинувших жидкость в процессе испарения.

Пар, на­ходящийся при давлении ниже насыщенного, назы­вают ненасыщенным.

В закрытом сосуде концентрация молекул пара достигает максимального значения, когда число конденсирующихся молекул насыщенного пара (находящегося в термодинамическом равновесии с жидкостью), равно числу испаряющихся молекул.

Насыщенный пар – пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Это определение подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находится большее количество пара.

Термодинамическое равновесие – число молекул пара, конденсирующихся за определенный промежуток времени, равно числу молекул жидкости, испаряющихся за это же время.

Так как давление насыщенного пара пропорционально концентрации его молекул, то при данной температуре давление пара большим быть не может.

Концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Так как давление пропорционально концентрации молекул p = nkT, то из этого следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.

Давление насыщенного пара при данной температуре – максимальное давление, которое может иметь пар над жидкостью при этой температуре.

С ростом температуры увеличивается число испаряющихся и соответственно конденсирующихся молекул пара, поэтому давление насыщенного пара возрастает при увеличении температуры жидкости.

Число испаряющихся молекул растет при увеличении их кинетической энергии, либо при уменьшении потенциальной энергии взаимодействия молекул (Ek >│Ep│)

Поэтому давление насыщенного пара зависит от молекулярной структуры жидкости.

Давление насыщенного пара жидкости, состоящей из сильно взаимодействующих друг с другом молекул, меньше, чем давление насыщенного пара жидкости, состоящей из слабо взаимодействующих молекул.

Точкой росы называют температуру, при кото­рой пар, находящийся в воздухе, становится насы­щенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начи­нается конденсация водяного пара.

Насыщенный пар в отли­чие от ненасыщенного не подчиняется законам иде­ального газа.

Так, давление насыщенного пара не за­висит от объема, но зависит от температуры (приближенно описывается уравнением состояния идеального газа p = nkT ). Эта зависимость не может быть выражена простой форму­лой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от темпера­туры составлены таблицы, по которым можно опре­делить его давление при различных температурах.

 С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем идеального газа . При нагревании жидкости в закрытом сосуде давление пара растет не только из-за повышения температуры, но и из-за увеличения концентрации молекул (массы пара) вследствие испарения жидкости. С идеальным газом этого не происходит. Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет прямо пропорционально температуре.

Вследствие постоянного испарения воды с по­верхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосфер­ное давление представляет собой сумму давления су­хого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА(уч.10кл.стр.294-295,уч.8кл.стр.46-47)

Понятие влажности воздуха и ее зависимость от температуры

Определение относительной влажности. Формула. Единицы измерения.

Точка росы

Определение относительной влажности через давление насыщенных паров. Формула

Гигрометры и психрометры

При одной и той же температуре содержание в воздухе водяного пара может изменяться в широких пределах: от нуля (абсолютно сухой воздух) до максимально возможного (насыщенный пар)

Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влаж­ность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же ко­личество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыще­ния.

Содержание водяного пара в воздухе, т.е. влажность, можно характеризовать несколькими величинами.

Парциальное давление водяного пара (или упругость водяного пара)

Атмосферный воздух представляет смесь различных газов и водяного пара.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара.

Парциально давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха.

Выражают в единицах давления – Па или в мм.рт.ст.

Абсолютная влажность воздуха

По­скольку давление пара пропорционально концентра­ции молекул, можно определить абсолютную влаж­ность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в ки­лограммах на метр кубический.

Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в 1м3 воздуха при данных условия.

Обозначение - ρ

Это – плотность водяного пара.

Относительная влажность воздуха

По парциальному давлению водяного пара нельзя судить о том, насколько он близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды. Поэтому вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению – относительную влажность.

Относительной влажностью воздуха φ называют отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению p0 насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах:

φ = 100%

Относительная влажность воздуха – процентное отношение концентрации водяного пара в воздухе и концентрации насыщенного пара при той же температуре

φ = 100%

Концентрация насыщенного пара является максимальной концентрацией, которую может иметь пар над жидкостью. Следовательно, относительная влажность может меняться от 0 до nн.п

Чем меньше относительная влажность, тем суше воздух и тем интенсивней происходит испарение.

Для оптимального теплообмена человека оптимальна относительная влажность 25% при +20-25оС. При более высокой температуре оптимальна влажность 20%

Так как концентрация пара связана с давлением (p = nkT), то относительную влажность можно выразить как процентное отношение давления пара в воздухе и давлению насыщенного пара при той же температуре:

φ = 100%

Большинство явлений, наблюдаемых в приро­де, например быстрота испарения, высыхание раз­личных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, на­сколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокра­щается, что ведет к перегреванию организма. Наибо­лее благоприятной для человека в средних климати­ческих широтах является относительная влажность 40—60%.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы. Появляется туман, выпадает роса.

Точкой росы называют температуру, при кото­рой пар, находящийся в воздухе, становится насы­щенным.

При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начи­нается конденсация водяного пара.

Точка росы характеризует влажность воздуха.

Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.

Гигрометры бывают двух видов – конденсационные и волосные.

Конденсационный гигрометр

С помощью конденсационного гигрометра можно определить абсолютную влажность воздуха по точке росы.

Он представляет собой металлическую коробочку. Ее передняя стенка хорошо отполирована и окружена также отполированным кольцом. Между стенкой и кольцом расположена теплоизолирующая прокладка.

К коробочке подсоединена резиновая груша и вставлен термометр.

Если в коробочку налить легко испаряющуюся жидкость (эфир), то продувая воздух через коробочку с помощью груши, можно вызвать сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробочки.

На полированной поверхности появляются капельки росы. По термометру замечают температуру, при которой они появились. Это и есть точка росы, так как появление росы свидетельствует, что пар стал насыщенным.

По таблице плотности насыщенного водяного пара определяют абсолютную влажность воздуха.

Волосной гигрометр

Действие основано на свойстве человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Стрелка на шкале показывает относительную влажность воздуха.

Психрометр

Это прибор для определения влажности воздуха.

Состоит из двух термометров. Один показывает температуру воздуха, второй обмотан тканью, конец которой опущен в воду.

Вода с ткани испаряется и термометр охлаждается.

Чем больше относительная влажность, тем интенсивней идет испарение, тем больше разность показаний термометров.

По разности показаний «сухого» и «влажного» термометров по специальным таблицам определяют относительную влажность воздуха.

Нормальная влажность воздуха в жилых помещениях около 60%. Днем с возрастанием температуры, а значит, с ростом давления, влажность убывает. Ночью, наоборот, относительная влажность возрастает.

КИПЕНИЕ ЖИДКОСТИ(уч.10кл.стр.296-299,уч.8кл.стр.44-45)

Физика кипения

Определение кипения

Определение температуры кипения

Зависимость температуры кипения от давления.

(Пример опреснительной установки)

Неизменность температуры кипения

Критическая температура

Понятие перегретой жидкости.

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.

При определенных условиях процесс парообразования может происходить и внутри жидкости.

Кипение – парообразование, происходящее во всем объеме жидкости при определенной температуре.

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

При этой температуре, называемой температурой кипения, всплывают и лопаются

многочисленные пузырьки пара, вызывающие характерное бурление жидкости.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Во время кипения температура жидкости не меняется.

В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделяются на дне и стенках сосуда, а так же на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются ненасыщенными.

С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает, пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают.

Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает и пузырьки захлопываются с характерным шумом..

При дальнейшем увеличении температуры жидкость внутри пузырьков с их поверхности испаряются молекулы жидкости. Замкнутый объем пузырька оказывается заполненным не только воздухом, но и насыщенным паром.

С повышением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление воздуха, поэтому в достаточно нагретой жидкости давление внутри пузырька можно считать равным давлению насыщенного пара.

Увеличение объема пузырька происходит, когда давление насыщенного пара внутри него превосходит внешнее давление, равно сумме атмосферного и гидростатического давления столба жидкости.

p = pa + ρgh

При дальнейшем нагреве объем пузырька возрастает. Когда сила Архимеда превосходит силу сцепления пузырька со стенкой сосуда и силу тяжести пузырька mg, он отрывается от стенки и всплывает.

При подъеме в жидкости, имеющей постоянную температуру, пузырьки увеличиваются в объеме в соответствии с законом Бойля-Мариотта, так как внешнее давление по мере всплытия уменьшается.

Всплывшие пузырьки начинают лопаться, когда давление насыщенного пара, которым они наполнены, будет превосходить атмосферное давление:

pнп > pa

Температура кипения – температура, при которой давление насыщенного пара жидкости превосходит внешнее давление на жидкость.

Температура кипения зависит от внешнего давления на жидкость.

Температура кипения жидкости остается постоянной в процессе кипения

Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. (Каждый лопнувший пузырек охлаждает жидкость)

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависти от давления на ее поверхность. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения.

При увеличении температуры жидкости увеличивается давление насыщенного пара и одновременно растет его плотность. Плотность жидкости, находящейся в равновесии со своим паром, уменьшается вследствие расширения жидкости при нагревании.

Зависимость плотностей жидкости и ее насыщенного пара от температуры при постоянном объеме.

При некоторой температуре, называемой критической, плотности жидкости и пара сравняются.

Критическая температура – это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром.

При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости , находящейся в равновесии с паром, - минимальной.

Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар.

Понижение температуры кипения при понижении давления используется в опреснительных установках.

Жидкость, не содержащая газа и находящаяся в сосуде, со стенок которого удален газ, не кипит.

Жидкость, нагретая до температуры, превышающей температуру кипения при нормальном давлении, называется перегретой.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (уч.10кл.стр.299-302)

Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя

Поверхностное натяжение. Определение.

Поверхностная энергия. Определение. Формула

Сила поверхностного натяжения

Единица и обозначение поверхностного натяжения.

На границе с паром жидкость образует свободную поверхность.

Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю.

Молекулы поверхностного слоя притягиваются только внутрь жидкости. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном объеме. Поэтому жидкость при отсутствии силы тяжести или когда она уравновешена силой Архимеда (например: капля масла в спирте), принимает сферическую форму при одном и том же объеме.

Тоже можно наблюдать при свободном падении капель жидкости и в состоянии невесомости.

Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к минимуму.

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.

Это притяжение обуславливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости.

Поверхностная энергия – дополнительная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.

Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади:

Eпов = σS

σ – поверхностное натяжение - коэффициент, характеризующий энергию молекул на единице площади поверхности жидкости Н*м.

Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43