§ 66. Испарение и конденсация. Кипение

Средняя кинетическая энергия молекул жидкости зависит от температуры — возрастает с ее повышением. Однако в связи с хаотичностью теплового движения даже при невысокой температуре всегда имеются отдельные молекулы с повышенной скоростью, а следовательно, и с повышенной кинетической энергией. Они могут преодолеть силы

притяжения со стороны других молекул и, «прорвав» поверхностную пленку жидкости, вылететь наружу — перейти в пар. Этот процесс называется испарением. Потеря молекул, обладающих большой кинетической энергией, ведет к уменьшению внутренней энергии жидкости. Поэтому испарение сопровождается охлаждением жидкости. Чтобы испарение происходило при постоянной температуре, необходимо подводить к жидкости теплоту извне. Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при данной температуре, называется удельной теплотой испарения X при этой температуре. Например, для воды при

Испарение жидкости происходит при любой температуре. Очевидно, однако, что с повышением температуры интенсивность испарения должна возрастать, так как при этом повышается кинетическая энергия молекул, что облегчает им «прорыв» поверхностной пленки жидкости.

По этой же причине удельная теплота испарения должна уменьшаться с повышением температуры. Действительно, для воды при

Хаотически движущиеся молекулы пара, подлетая к поверхности жидкости, могут попасть в сферу действия сил притяжения ее молекул и перейти в жидкость (как бы утонуть в ней). Этот процесс называется конденсацией. При конденсации жидкость нагревается, так как влетающие в нее молекулы пара возвращают ей повышенную кинетическую энергию, унесенную при испарении. Удельная теплота конденсации равна удельной теплоте испарения.

Процессы испарения и конденсации идут одновременно. Если преобладает первый из них, то количество жидкости уменьшается, а количество пара над ней увеличивается. Если же преобладает второй процесс, то имеет место обратная картина. Если число молекул, покидающих жидкость за одну секунду, равно числу молекул, возвращающихся в нее за то же время из пара, то наступает динамическое равновесие: количество жидкости и пара остается неизменным. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным. На диаграмме состояний (см. рис. 120) этому состоянию соответствует кривая Давление (упругость) насыщенного пара возрастает с повышением температуры, так как при этом возрастают число вылетающих молекул (т. е. плотность пара) и их кинетическая энергия. Это также отражено на упомянутой диаграмме состояний (наклоном кривой

Если упругость насыщенного пара станет равной внешнему (атмосферному) давлению, то характер испарения существенно изменится: испарение будет происходить не только с поверхности жидкости, но и во всем ее объеме. Внутри жидкости начинают возникать пузырьки пара, всплывающие на поверхность и разрывающиеся над ней. Этот очень интенсивный процесс испарения называется кипением. Соответствующая ему температура называется температурой кипения. Таким образом, температура кипения жидкости зависит от внешнего давления: возрастает с повышением давления. Это свойство широко используется в технике для повышения температуры кипения

жидкости (паровые машины высокого давления, автоклавы и т. п.). С уменьшением внешнего давления температура кипения понижается. Известно, например, что в высогорной местности вода закипает при температуре, меньшей 100 °С (на высоте 5 км - при 82 °С).

Закипанию жидкости способствуют пузырьки воздуха, обычно находящиеся в ней. Эти пузырьки выполняют роль свободного пространства внутри жидкости, в котором происходит испарение. Пока упругость пара остается меньшей внешнего давления, пузырьки воздуха находятся в сжатом состоянии. Когда же упругость насыщенного пара станет равной внешнему давлению, пузырьки начинают быстро расширяться за счет суммарного давления пара и воздуха, устремляются вверх и прорывают поверхность жидкости. Жидкость, не содержащая пузырьков воздуха, закипает при некотором перегреве, причем кипение начинается у стенок сосуда, поскольку на них всегда имеется адсорбировзнный воздух.

Если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то по мере повышения температуры плотность жидкости будет уменьшаться (за счет расширения), а плотность пара — увеличиваться (за счет повышения упругости насыщения). При этом коэффициент поверхностного натяжения а и удельная теплота испарения X будут, как мы уже знаем, уменьшаться (за счет уменьшения сил сцепления между молекулами). Наконец, при температуре, равной критической, плотность жидкости сравняется с плотностью насыщенного пара, а а и X станут равными нулю. Различие между жидкостью и паром исчезает; вещество превратится в газ в полном смысле этого слова (см. § 64),

До сих пор мы предполагали, что образующийся при испарении насыщенный пар остается над жидкостью. Если же этот пар будет уноситься в окружающее пространство (путем диффузии или благодаря воздушным потокам), то насыщения и динамического равновесия не наступит: жидкость будет все время испаряться, причем тем интенсивнее, чем быстрее уносится прочь ее пар. Такое явление имеет место, например, при испарении с открытых водных басейнов (рек, озер и т. п.). Особенно интенсивно идет испарение в жаркое время при сильном ветре.

Испарение и конденсация играют исключительно важную роль в процессах влагооборота и теплообмена на земном шаре. Благодаря испарению воды с поверхности водных басейнов и с поверхности земли воздух всегда содержит некоторое (переменное) количество водяного пара. Воздух, как говорят, всегда влажен.

Влажность воздуха описывается следующими основными характеристиками.

1. Абсолютная влажность а — количество водяного пара, содержащееся в единице объема воздуха. Измеряется а обычно в

2. Максимальная влажность количество водяного пара в единице объема воздуха, которое соответствовало бы насыщению при данной температуре. Максимальная влажность зависит только от температуры.

3. Относительная влажность выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к максимальной влажности:

4. Точка росы температура, при которой пар, находящийся в воздухе становится насыщенным. Она соответствует началу конденсации водяного пара

При конденсации водяного пара в атмосфере образуются: на поверхности Земли и наземных предметах — роса, в приземном слое воздуха — туман, в свободной атмосфере — облака. Дождь, выпадающий из облаков, вновь возвращает на Землю испарившуюся с нее воду. Этот кругооборот воды сопровождается кругооборотом теплоты, поскольку в районах, где происходит испарение воды, поглощается огромное количество теплоты, а в районах, где происходит конденсация пара, эта теплота выделяется. Испарением, например, объясняется умеренность климата приморских районов.

Испарение и конденсация регулируют теплообмен и влагообмен животных и растительных организмов. Человеческий организм, например, испаряет за сутки от одного до двух килограммов воды. Излишний нагрев организма сопровождается, как известно, обильным потовыделением. Испарение пота с поверхности кожи и сопутствующее ему поглощение теплоты предотвращает перегрев организма. Растения испаряют воду поверхностью листьев. В связи с этим растения засушливых районов имеют обычно маленькие и немногочисленные листья или даже совсем лишены их. Кроме того, листья этих растений зачастую бывают покрыты тончайшими серебристыми волосками («пушком»), которые затрудняют «проветривание» поверхности листа и, следовательно, замедляют процесс испарения.