ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

Весьма важными поверхностными процессами, происходящими на границе между жидкостью и газом или паром, являются испарение, кипение и конденсация. Рассмотрим равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром в случае, если поверхность жидкости не плоская, а искривленная. Допустим, что в сосуде имеется насыщенный пар и жидкость, в которую погружены два капилляра: один — смачиваемый, другой — не смачиваемый этой жидкостью (рис. 11.45). В равновесном состоянии между жидкостью и ее насыщенным паром давление этого пара убывает с высотой подобно тому, как уменьшается с высотой давление воздуха над поверхностью Земли. Разность давлений пара на плоской поверхности жидкости и на высоте равна «гидростатическому» давлению столба пара высотой т. е. где плотность пара; ускорение силы тяжести.

Рис. 11.45

Вогнутый мениск находится в равновесии с насыщенным паром, имеющим давление Так как высота поднятия жидкости в капилляре (круглого сечения) где плотности жидкости и пара, радиус кривизны мениска, то давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью жидкости

Для выпуклого мениска давление насыщенного пара больше, чем для плоской поверхности:

Различие между давлением насыщенного пара над плоской и искривленной поверхностями жидкости может быть объяснено следующим образом. Равновесие между насыщенным паром и жидкостью означает равенство между числами молекул, ежесекундно переходящих из жидкости в пар и обратно. При вогнутой поверхности переходу молекулы из жидкости в пар препятствует большее число «соседних» (находящихся поблизости) молекул, чем при плоской поверхности (рис. 11.46), поэтому при данной температуре ежесекундное число молекул, которые могли бы преодолеть притяжение к вогнутому поверхностному слою жидкости и перейти в пар, меньше чем у плоской поверхности. Наоборот, переход молекул из выпуклой поверхности жидкости в пар потребует меньшей затраты энергии, так как число близко расположенных молекул, препятствующих этому переходу, будет меньше, чем при плоской поверхности, следовательно, число молекул, ежесекундно покидающих выпуклую поверхность, при одинаковой температуре больше, чем это же число для плоской поверхности.

Допустим, что над плоской поверхностью жидкости в атмосфере ее пара находятся капельки этой жидкости. Так как пар является насыщенным для плоской поверхности, т. е. имеет давление то для капелек с выпуклой поверхностью этот же пар оказывается ненасыщенным; согласно формуле (3.31), выпуклые поверхности находятся в равновесии с паром большего давления, чем плоские поверхности. Вследствие этого капельки жидкости испаряются. Рассмотрим другой пример, когда плоской поверхности жидкости нет и в атмосфере пара имеются только капельки двух размеров: радиусов Допустим, что пар находится в равновесии с капельками малого радиуса и имеет некоторое давление Тогда, согласно формуле (3.31), этот пар для капелек большего радиуса будет пересыщенным, так как для них давление насыщенного пара должно быть меньше, чем для капелек малого радиуса (чем больше которое для сферических капель равно их радиусу тем меньше давление насыщенного пара

Рис. 11.46

Вследствие этого пар конденсируется на поверхности больших капель; при этом уменьшается давление пара, что вызывает испарение маленьких капель. Большие капли жидкости растут за счет маленьких капелек.

Это обстоятельство должно быть учтено, когда рассматривается конденсация паров на поверхности различных «инородных тел» — центров конденсации (пылинки, мелкие, кристаллики твердых тел, микроскопические капельки жидкостей и т. д.). При этом имеют значение не только размеры этих тел, но и их формы. Наиболее активную роль при конденсации играют тела больших размеров и с мало искривленной поверхностью. Если эти тела сферической формы, то можно применить формулу (3.31): чем меньше радиус «центра конденсаций», тем большее давление пара необходимо, чтобы на их поверхности началась конденсация.

Между прочим, если воздух хорошо очищен, то в нем можно получить пар, давление которого в несколько раз превосходит «обычное» давление насыщенного пара при той же температуре.

Тела, на которых конденсируются пары, могут образовать и вогнутые поверхности жидкости, и тогда для конденсаций паров требуется тем меньшее давление пара, чем больше кривизна (или меньше радиус кривизны) этих поверхностей. Например, если в атмосферу пара, насыщенного по отношению к плоской поверхности жидкости, ввести смачиваемые капилляры (например, тела с капиллярными парами), то в этих капиллярах происходит конденсация паров, так как для

вогнутых поверхностей жидкости внутри капилляров этот пар уже пересыщенный.

Таким образом, давление насыщенного пара есть определенная функция от температуры только для плоской поверхности жидкости для искривленных поверхностей давление насыщенного пара, согласно формулам (3.30) и (3.31), зависит еще от кривизны поверхности.