Випаровування. Як відомо, речовина може переходити з рідкого стану в газоподібний і навпаки — з газоподібного в рідкий.

Пароутворення — фазовий перехід речовини з рідкого стану в газоподібний. Процес пароутворення може відбуватися з вільної поверхні рідини (випаровування) та всередині її об’єму (кипіння) (мал. 156). Конденсація — перехід речовини з газоподібного стану в рідкий.

Розглянемо процес випаровування з погляду молекулярно-кінетичної теорії. Як відомо, потенціальна енергія молекул рідини зі збільшенням відстані між ними зростає. Отже, щоб молекула змогла віддалитись на більшу відстань і, взагалі, покинути рідину, необхідно виконати роботу за рахунок зменшення її кінетичної

енергії. Серед молекул рідини, які хаотично рухаються в її поверхневому шарі, завжди є такі, кінетична енергія яких більша за роботу, необхідну для подолання протидії молекулярних сил.

Випаровування — це процес пароутворення, що відбувається за будь-якої температури тільки з вільної поверхні рідини, що межує з газоподібним середовищем або з вакуумом.

Молекули рідини, що покинули її, утворюють над її поверхнею пару. Випаровування має такі властивості:

Оскільки з рідини під час випаровування вилітають найшвидші молекули, середня швидкість руху молекул, що залишилися, зменшується, ось чому під час випаровування рідина охолоджується. Для підтримання температури такої рідини сталою необхідно підводити тепло. Інтенсивність випаровування залежить від площі відкритої поверхні рідини: що більша поверхня, то більша кількість молекул випаровується за одиницю часу. (Наведіть самостійно приклади, які підтверджують цю властивість.)

Випаровування відбувається за будь-якої температури. Саме тому над вільною поверхнею рідини завжди є пара цієї рідини. Що меншою є густина пари рідини над її поверхнею, то інтенсивніше випаровування. Якщо вітер над посудиною відносить з повітрям пару рідини, що утворилась, рідина випаровується швидше.

З підвищенням температури інтенсивність випаровування рідини зростає (доведіть це самостійно і проілюструйте).

Швидкість випаровування залежить також від природи речовини, яка випаровується. Зокрема, вода випаровується швидше, ніж олія, а ефір — швидше, ніж вода. Це пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих речовин.

Охолодження рідини в результаті її випаровування спостерігається

у природі й використовується на практиці. Завдяки тому, що

поверхні

Землі вкрито водоймами, підтримується тепловий баланс нашої планети. Після купання шкіра людини охолоджується через випаровування з поверхні тіла крапель води, при цьому повітря здається холоднішим, ніж вода. Під час перевезення продуктів харчування різними транспортними засобами у спеціальних пристроях випаровують рідкий аміак або рідкий двоокис вуглецю. У місцевостях із жарким кліматом воду намагаються зберігати в пористих глиняних посудинах. Вода, просочуючись крізь пори такої посудини, випаровується, і в результаті цього залишається холодною. Через властивість швидко випаровуватися й охолоджуватися деякі рідини (ефір) використовують як знеболювальний засіб.

Ненасичена та насичена пара. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої в бік рідини, і до неї повернутись — відбувається конденсація.

У відкритій посудині молекули, що випарувалися, розлітаються на всі боки й можуть не повернутися назад. У цих випадках випаровування переважає над конденсацією, і кількість рідини зменшується. Утворена в таких умовах пара називається ненасиченою.

Накриємо посудину, що містить рідину та її пару. Через деякий час між рідиною та парою встановиться теплова рівновага. У цьому стані кількість молекул, що переходять у пару, за деякий час дорівнює кількості молекул, які повертаються в рідину (конденсуються) за такий самий час. Таку рівновагу називають динамічною рівновагою між процесами пароутворення та конденсації речовини. А таку систему називають двофазною.

Пару, що перебуває у тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.

Ця назва відображає той факт, що в певному об’ємі за певної температури не може міститися більшої кількості пари. Насичена пара за певної температури має найбільшу густину й чинить найбільший тиск.

Процес кипіння. Особливим видом пароутворення є процес кипіння. Необхідною умовою кипіння є наявність в об’ємі рідини бульбашок розчиненого в ній газу або його молекул на стінках посудини, які відіграють таку саму роль, як пилинки або йони у процесі конденсації.

Під час нагрівання рідини вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою. Зі збільшенням кількості водяної пари в середині бульбашок їх об’єм поступово збільшується, а відповідно, збільшується й виштовхувальна архімедова сила, що діє на бульбашку. Бульбашки відриваються від поверхні стінок і дна посудини й підіймаються до поверхні рідини. Якщо вода в посудині ще не прогріта повністю й верхні її шари залишаються холодними, бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини. Якщо ж вода прогрілася повністю, а ми продовжуємо її нагрівати, процес пароутворення в середину бульбашок відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок збільшується, відповідно підвищується й тиск пари. Унаслідок цього об’єм бульбашок збільшується, і за певної температури рідини бульбашки починають спливати на поверхню й лопаються, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно. При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі.

Кипіння — процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а й у її об’ємі, який відбувається при сталій (за даного тиску) температурі.

Щоб рідина у процесі пароутворення не змінювала своєї температури, їй треба надавати енергію. Питома теплота пароутворення (L, r) — це кількість теплоти, яку необхідно надати одиниці маси речовини в рівноважному ізобарично-ізотермічному процесі для перетворення її в пару за температури кипіння. Кількість теплоти, необхідна для випаровування, визначається за формулою: Q = Lm, де L — питома теплота пароутворення. Кількість теплоти, яка виділяється під час конденсації пари, визначається також за цією формулою.

Температура кипіння. Усі рідини мають сталу температуру кипіння, яка залежить від роду речовини та зовнішнього тиску. Що більший зовнішній тиск, то вищою буде температура кипіння рідини, і навпаки. Так, на висоті 5 км над рівнем моря, де тиск у 2 рази нижчий від атмосферного, температура кипіння води становить 83 °С. Отже, рідину можна закип’ятити, не нагріваючи її; достатньо знизити тиск над рідиною, і вона закипить. Цю властивість рідин широко використовують у різних технологічних процесах: у процесі нафтопереробки для роз’єднання нафтопродуктів, під час цукроваріння сироп кипить завдяки зниженому тиску при незначній температурі й цукор не пригорає тощо.

Для прискорення варіння вигадали «швидковарки» — посудини зі щільно припасованою кришкою, у якій за допомогою регульованого запобіжного клапана під час нагрівання досягається підвищений тиск і температура кипіння води сягає 120 °С. Оскільки швидкість хімічних реакцій під час приготування їжі подвоюється на кожні 10 °С, що перевищують 100 °С, то підвищення температури кипіння на 20 °С в 4 рази прискорює процес приготування їжі.

У парових котлах, де тиск сягає 15 атм (1,5 · 10⁶ Па), температура кипіння води майже 200 °С.

Перегріта рідина. Ретельно відполірувавши поверхню посудини та очистивши саму рідину, можна досягти практичної відсутності в ній центрів пароутворення. Це приводить до того, що кипіння не починається навіть за температур, вищих за температуру кипіння (чи зовнішніх тисках, нижчих від тиску насиченої пари за певної температури). Таку рідину називають перегрітою.

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Як пояснити охолодження рідини під час її випаровування?

2. Від чого залежить температура кипіння рідини? Чому під час кипіння температура рідини не змінюється?

3. У каструлі-швидковарці вода кипить приблизно за 120 °С. Каструля герметично закрита кришкою, у якій є клапан, що випускає пару за тиску 90-110 кПа (понад атмосферний). Поясніть роботу каструлі.

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)