Испарение и конденсация. Насыщенный пар

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное с поверхности жидкости при любой температуре.

Молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Самые быстрые, у поверхности, преодолевают притяжение соседей и вылетают наружу. Жидкость теряет самую «энергичную» часть молекул, и её средняя кинетическая энергия падает — испаряющаяся жидкость охлаждается.

• Скорость испарения растёт с ростом температуры, площади поверхности и при ветре (молекулы уносятся, не возвращаясь).
• Разные жидкости испаряются по-разному: эфир и спирт быстрее воды — силы притяжения между молекулами слабее.
• Так охлаждается тело при потоотделении, и так работает холодильный контур.

Конденсация — обратный переход пара в жидкость. Одновременно с испарением молекулы пара возвращаются в жидкость.

В закрытом сосуде число молекул пара растёт, и всё больше их возвращается обратно. Наступает динамическое равновесие: число молекул, покидающих жидкость за секунду, равно числу возвращающихся. Количество жидкости и пара перестаёт меняться, но процесс не прекращается.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Ненасыщенный пар — пар, у которого молекул меньше, чем нужно для равновесия.

• Концентрация молекул насыщенного пара при данной температуре — максимально возможная: добавить пара больше он не может, лишнее конденсируется.
• Если сжимать насыщенный пар при постоянной температуре, его давление и концентрация не меняются: часть пара превращается в жидкость. При расширении жидкость доиспаряется, и давление опять то же.
• Ненасыщенный пар приближённо подчиняется закону Бойля–Мариотта и уравнению состояния идеального газа.
• Чтобы сделать ненасыщенный пар насыщенным, надо уменьшить его объём или понизить температуру.

На $pV$-диаграмме при постоянной температуре пар ведёт себя по-разному на двух участках.

Давление и плотность насыщенного пара растут с температурой — быстрее, чем у идеального газа при постоянном объёме. Причина: при нагревании растёт не только средняя энергия молекул, но и их число — жидкость испаряется, концентрация пара увеличивается.

1. Пар остаётся насыщенным (вода есть). При постоянной температуре концентрация насыщенного пара не меняется.
2. Часть пара сконденсировалась, а концентрация осталась прежней: ответ $1$.

1. Концентрация $n$ постоянна, объём уменьшился в $4$ раза, значит $N = nV$ уменьшилось в $4$ раза: избыток молекул ушёл в жидкость.
2. $\dfrac{N_2}{N_1} = \dfrac{V_2}{V_1} = 0{,}25$.

1. 1) Нагревание повышает $p_{\text{нас}}$, пар становится «более ненасыщенным».
2. 2) Другой газ не влияет на давление насыщенного пара — насыщение определяется только парами самого вещества.
3. 3) Увеличение объёма разрежает пар, а нужно наоборот. 4) Уменьшение объёма увеличивает концентрацию до насыщения. Ответ — вариант 4.

1. Если воды достаточно, пар достигнет насыщения: $\varphi = 100\%$. Если воды мало, она вся испарится раньше, и $\varphi < 100\%$.
2. Больше $100\%$ в равновесии быть не может. Условие не говорит, хватит ли воды, поэтому верен вариант 4.

1. Допустим, в состоянии $1$ воды уже не было, пар ненасыщенный. Тогда при расширении по закону Бойля давление упало бы в $3$ раза. Но оно упало в $2$ раза — значит, в состоянии $1$ вода была и добавила пара при расширении.
2. Пар, находящийся в равновесии с водой, насыщен: $\varphi_1 = 100\%$.

• Испарение идёт при любой температуре; испаряющаяся жидкость охлаждается.
• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
• У насыщенного пара при $T = \text{const}$ давление и концентрация не зависят от объёма.
• $p_{\text{нас}}$ быстро растёт с температурой — быстрее, чем у идеального газа; закон Шарля к нему неприменим.
• Ненасыщенный пар приближённо подчиняется закону Бойля–Мариотта.
• Давление насыщенного пара не зависит от присутствия другого газа.