Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

§ 13. ПАРОУТВОРЕННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ.

1. Взаємні перетворення рідин і газів. Пароутворення. У природі і в технічних пристроях відбувається величезна кількість процесів, обумовлених взаємним перетворенням рідин і газів: рідини переходять у пари (випаровування), з парів утворюються крапельки рідини (конденсація). Особливого значення для життя на Землі мають взаємні перетворення води і водяної пари. Водяна пара утворюється над усіма водними просторами Землі, а також на суші; вода безперервно випаровується з поверхні різних тіл, що призводить до утворення водяної пари, а внаслідок конденсації водяної пари осаджується на тілах у вигляді крапель.

Пароутворенням називається процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний.

Сукупність молекул, які вилітають з рідини при пароутворенні, називають парою даної рідини. Утворення пари відбувається не лише у рідин, але й у твердих тіл. Деякі тверді тіла здатні до сублімації — вони можуть переходити з твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий стан. Одним з поширених прикладів сублімації є зникнення снігу без його танення під дією холодного сухого вітру. Широко відомі також приклади сублімації при кімнатних температурах нафталіну, камфори, йоду, нашатирю. Цим і пояснюється різкий запах, властивий багатьом твердим тілам.

Процесу сублімації відповідає оберне ний процес десублімації — перехід речовини з газоподібного стану в твердий.

У природі постійно відбувається кругообіг води, зумовлений процесами пароутворення і конденсації.

Мірою пароутворення є швидкість пароутворення - кількість рідини, яка переходить в пару за одиницю часу з одиниці площі поверхні тіла.

Усі рідини без винятки випаровуються. За однакової температури випаровування різних рідин відбувається по-різному: швидко або повільно. Випаровування має місце й у твердих тіл, але у них воно відбувається набагато повільніше, ніж у рідин.

2. Випаровування. Процеси випаровування ми часто спостерігаємо в побуті. Так, якщо налити воду у склянку та залишити її відкритою, то з часом рівень рідини зменшиться. Якщо невелику кількість рідини вранці пролити на підлогу, то ввечері її не прийдеться витирати - вона випариться.

Пароутворення, яке відбувається при будь-якій температурі з вільної поверхні рідини, називають випаровуванням.

Розглянемо механізм процесу випаровування. Молекули рідини рухаються зі швидкостями, як більшими, так і меншими від середньої швидкості молекул, яка визначається температурою. Окрема молекула, яка має швидкість більшу, ніж інші молекули, опинившись біля поверхні рідини може подолати притягання сусідніх молекул та вилетіти за її межі (рис. 63, а).

Під час випаровування рідини у відкритій посудині більшість молекул пари поступово розсіюється у просторі під дією конвекційних потоків і назад у рідину не повертається. Тому маса рідини, яка переходить у пару, весь час збільшується, і рідина з часом може повністю випаритися. Саме тому під час приготування їжі каструлю закривають кришкою.

Випаровування у природі досягає величезних масштабів. Зокрема, з поверхонь океанів, морів і річок щорічно в атмосферу Землі випаровується біля 4,25 ∙ 1014 тонн води! Випаровування забезпечує життєдіяльність людського організму, життя рослин і тварин.

Розрізняють два види пароутворення - випаровування і кипіння.

Рис. 63, а. Під час випаровування з поверхні рідини вилітають молекули з найбільшою енергією; у процесі конденсації молекули, які загубили свою енергію, повертаються в рідину

При випаровуванні з поверхні рідини вилітають молекули, які мають найбільшу швидкість і кінетичну енергію теплового хаотичного руху, тому в результаті випаровування рідина охолоджується.

У процесі переходу з рідкого стану в газоподібний збільшуються відстані між молекулами речовини, а, отже, її об’єм, а густина зменшується.

Спостереження показують, швидкість випаровування залежить від температури: чим вища температура рідини, тим більшою є кількість молекул з великими швидкостями, а, отже, тим швидше рідина випаровується. Швидкість випаровування залежить також від площі вільної поверхні рідини: чим вона більша, тим більшою є швидкість випаровування.

Якщо процес випаровування відбувається у закритій посудині, то через деякий час зменшення кількості рідини припиниться, хоча перехід швидких молекул в пару триватиме. У таких умовах процес пароутворення буде супроводжуватись оберненим процесом конденсації.

Внаслідок випаровування у повітрі завжди знаходиться певна кількість водяної нари. Цю кількість характеризують вологістю повітря. Чим більше водяної пари у повітрі, тим більшою є вологість повітря. Для людини не є корисним як сильно вологе, так і сильно сухе повітря. Зокрема, у тропічних та субтропічних областях Землі місцеві мешканці часто страждають на захворювання дихальної системи, зокрема, на астму.

3. Конденсація. Досліди показують, що одночасно з вилітанням молекул із рідини має місце й зворотній перехід молекул - в рідину. Як це відбувається? Деяка кількість молекул, які після випаровування не віддаляються від поверхні рідини і продовжують рухатись поблизу неї, втрачають частину своєї енергії, а тому повертаються в рідину або осідають на стінках посудини (рис. 63, а).

Перетворення пари на рідину називається конденсацією.

Через деякий час в закритій посудині між рідиною і парою встановиться стан динамічної рівноваги між процесами пароутворення і конденсації: швидкість конденсації стане рівною швидкості пароутворення. У стані динамічної рівноваги кількість рідини і пари, яка знаходиться над її поверхнею, перестають змінюватись.

У процесах конденсації велику роль відіграють так звані центри конденсації (частинки пилу, продуктів згоряння, диму, кристалів солей). Особливий вплив на процес конденсації здійснюють аерозолі, які використовуються повсюдно як в побуті, так і в техніці. Центри конденсації забезпечують стійкість крапель, які утворюються.

Внаслідок конденсації запотівають холодні поверхні, зокрема, віконне скло (рис. 63, б).

Конденсацією пари пояснюється утворення роси, туману та хмар при охолодженні повітря. Зокрема, при утворенні туману холодне повітря дотикається до теплої поверхні Землі, пара води конденсується і виділяється у вигляді крапель, які збираються у приземному шарі.

Утворення дивовижних візерунків на склі у морозну погоду пояснюється як процесом конденсації, так і процесом тверднення. Теплі пари води, які знаходяться у повітрі, осідають на холодному склі, конденсуються і замерзають, перетворюючись на кристали льоду.

Висловіть свою думку

Коли ви приймаєте ванну, у ванній кімнаті запотівають скло і дзеркала. З яким фізичним процесом це пов’язане?

4. Кипіння. Розглянемо механізм переходу рідини в пару при кипінні. Для цього спостерігатимемо за зміною стану води в посудині, яка нагрівається (рис. 64).

У процесі нагрівання рідини всередині її об’єму утворюються бульбашки - вони наповнені парою. При збільшенні температури тиск пари в бульбашці зростає. Бульбашки збільшуються в об’ємі і під дією сили Архімеда починають спливати. На цьому етапі кипіння ще не відбувається, але ми чуємо шум. Чому? Справа в тому, що бульбашки піднімаються у верхні шари води, які ще не прогрілися (це пояснюється особливостями механізму конвекції в рідинах). Оскільки температура рідини у верхньому шарі менша, ніж у нижніх шарах, пара у бульбашках починає конденсуватись, а тому їх об’єм зменшується і вони стискаються («схлопуються»), не доходячи до поверхні води. Це і зумовлює шум, який ми чуємо. Коли ж вода прогріється по усьому об’єму, бульбашки піднімаються безпосередньо на поверхню і лопаються, викидаючи пару - відбувається кипіння.

Швидкість конденсації визначається числом молекул, які за одиницю часу переходять з пари у рідину через одиницю її поверхні.

Рис. 63, б. Водяна пара біля поверхні холодного скла охолоджується, конденсується і осідає на склі у вигляді крапель.

Розраховано, що внаслідок конденсації близько четвертої частини води, що випаровується в атмосферу Землі, повертається на сушу у вигляді опадів: дощів, роси, снігу.

Кипінням називається процес інтенсивного пароутворення не лише з вільної поверхні рідини, але й з усього її об’єму всередину бульбашок пари, які при цьому утворюються.

Температуру, при якій рідина кипить, називають температурою кипіння. Значення температури кипіння для різних речовин наводяться у таблицях (див. табл. 5).

Для початку процесу кипіння необхідно, щоб всередину рідини були так звані центри пароутворення (пилинки, бульбашки розчинених газів тощо). Саме на них і утворюються бульбашки пари. Якщо центрів пароутворення в рідині немає, то її можна перегріти до температури, вищої, ніж температура кипіння при даному тиску (таку рідину називають перегрітою). Утворення перегрітої рідини на глибині під землею пояснює дію гейзера — природного фонтану.

Рис. 64. У процесі кипіння бульбашки пари всередині рідини збільшуються в об’ємі, піднімаються вгору (а) і лопаються, викидаючи пару (б)

На відміну від випаровування, яке відбувається при будь-якій температурі, кипіння можливе лише при певній для кожної рідини температурі. Наприклад, для води це 100°С, для рослинної олії - 300 °С.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Чому температура кипіння залежить від зовнішнього тиску?

При переході з рідини в пару швидкі молекули повинні виконати роботу по подоланню сил міжмолекулярного зчеплення в рідині та проти зовнішнього тиску повітря і пари. Ця робота здійснюються за рахунок зменшення кінетичної енергії теплового руху молекул, а тому рідина охолоджується. Якщо зменшити зовнішній тиск, то на виконання молекулами роботи буде витрачатись менше енергії. У випадку, коли зовнішній тиск на рідину зростає - зростає і робота, яку необхідно виконати молекулам для виходу з рідини, а тому кипіння стає можливим при температурі, вищій 100 °С.

Як утворюється гейзер? На глибині під землею (сотні й тисячі метрів) тиск досягає кількох атмосфер, а тому вода нагрівається значно вище від 100 °С. Коли знизу утворюються бульбашки пари, то частина води витікає, тиск знижується і пароутворення перегрітої рідини відбувається так інтенсивно, що та вода, яка залишилася, викидається на велику висоту (рис. 65, а).

В Україні відомий гейзер «Гарячий ключ» знаходиться у Голопристанському районі Херсонської області і має глибину 1527 м (рис. 65, б). Його вода має великий вміст мінералів, а тому вважається цілющою.

Рис. 65. Гейзери - унікальні і корисні природні фонтани: а) гейзер викидає гарячу воду з вузької вертикальної свердловини у землі: б) на місці гейзера «Гарячий ключ» на Херсонщині виритий басейн, яким із задоволенням користуються не лише люди із хворобами (опорно-рухомого апарату, дихальної системи, судин, шкіри), але й туристи.

Фізичне знання в техніці

Що таке автоклав і для чого він використовується. Підвищення температури кипіння рідини внаслідок збільшення тиску на неї використовують в автоклавах (рис. 65, в, г).

Автоклав - це міцний металевий котел із кришкою, що герметично кріпиться до корпусу котла. У кришку автоклава вмонтовано манометр і запобіжний клапан за допомогою яких встановлюється значення тиску, до якого треба довести пару в котлі.

Рис. 65. Автоклави в медицині і побуті: в) медичний автоклав для стерилізації інструментів; г) побутовий автоклав для консервації м’ясних і овочевих продуктів.

Подумайте і дайте відповідь

1. Які взаємні перетворення рідин і газів ви знаєте. Що називають пароутворенням?

2. Який процес називають випаровуванням? Який механізм випаровування? Від чого залежить швидкість випаровування?

3. Чи можуть випаровуватись тверді тіла? Що таке сублімація? десублімація?

4. Що таке конденсація? Як визначити швидкість конденсації?

5. Який стан називають станом динамічної рівноваги? За яких умов він встановлюється?

6. Що називають кипінням? Поясніть, як відбувається процес кипіння.

7. Що таке температура кипіння? Як вона залежить від зовнішнього тиску?

8. Поясніть залежність температури кипіння від зовнішнього тиску.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 13.

1. Дайте пояснення таким дослідним фактам: а) рідини випаровуються швидше під час нагрівання; б) рідина у посудині з вузьким отвором випаровується повільніше, ніж у посудині з широким отвором.

2. Каструля-скороварка - це герметично закрита посудина, з якої пара може виходити лише через запобіжний клапан. Чому в такій каструлі вода закипає швидше?

3. Чи можна зварити картоплю високо в горах?

4. Чому мокра білизна висихає швидше у вітряну погоду, ніж у безвітряну?

5. Кипіння води при зниженому тиску можна спостерігати в таких дослідах:

а) вода в посудині знаходиться під прозорим ковпаком, який герметично з’єднаний з основою. За допомогою насоса з під нього відкачують повітря (рис. 65, д);

б) вода знаходиться в герметично закритій колбі, з якої відкачують повітря (рис. 65, е).

Поясніть механізм кипіння у наведених прикладах.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити