Реальные газы

  Автор:
  2276

Знакомство с явлением


туман над лугом

 

Это интересно… Слой тумана толщиной 10 м, висящий над полем площадью 5 км2, имеет объем 5×107 м3. При плотности тумана 0,1 г/м3 в нем содержится 5×103 л воды. Этого достаточно для орошения рассматриваемого поля.

 

насыщенный пар в сосуде

Если рассматривать жидкость в открытом сосуде, то с течением времени объем жидкости будет уменьшаться вследствие ее испарения.

Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением.

Если же сосуд с жидкостью плотно закрыть, то уменьшение объема жидкости вскоре прекратится. Процесс испарения жидкости будет уравновешен процессом конденсации пара.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.

В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром.

В этом случае пар, находящийся над жидкостью, становится насыщенным.

Водяной пар является примером реального газа.

 

Это интересно… Догадку об отсутствии принципиального различия между парами и газами высказал в конце XVII в. А. Лавуазье. Он считал, что при достаточно низкой температуре в жидкость превратится и атмосферный воздух.

 

Насыщенный пар и его свойства

 

испарение и конденсация

При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В этом случае внутренняя энергия жидкости уменьшается, и температура жидкости понижается.

Некоторые молекулы, приближаясь к поверхности жидкости, притягиваются молекулами поверхностного слоя и возвращаются обратно в жидкость. Таким образом, при конденсации пара внутренняя энергия жидкости увеличивается, и температура жидкости повышается.

 

В отличие от идеального газа, молекулы реальных газов имеют конечные размеры и взаимодействуют друг с другом на расстоянии.

 

При установлении динамического равновесия между паром и жидкостью количество молекул, покинувших жидкость, равно количеству молекул, вернувшихся обратно из пара в жидкость.

 

Насыщенный пар не подчиняется газовым законам. Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнениями:

 

 

Свойства насыщенного пара

 

1 – Давление насыщенного пара не зависит от объема над испаряющейся жидкостью.

Если медленно сжимать газ при постоянной температуре (T=const), то в начале опыта давление газа изменяется в соответствии с законом Бойля-Мариотта (пар ненасыщенный).

 

 

С появлением капелек жидкости дальнейшее уменьшение объема не приводит к увеличению давления, т.к.  концентрация молекул газа остается постоянной.  Газ и жидкость находятся при одинаковой температуре и давлении. При этом пар становится насыщенным.

 

Как только весь газ превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объема приводит к резкому увеличению давления.

 

Давление насыщенного пара не зависит от занимаемого паром объема. Поэтому закон Бойля-Мариотта в данном случае не работает.

 

2 – Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

 

 

В замкнутом объеме (V=const)с ростом температуры насыщенного пара растет и концентрация молекул. Поэтому давление пара растет нелинейно. Как только жидкость превратится в пар, то давление начнет расти пропорционально температуре, как давление идеального газа.

 

Давление насыщенного пара не зависит линейно от объема. Закон Шарля не выполняется

 

Процесс испарения жидкости происходит и при кипении жидкости. При этом парообразование одновременно идет с поверхности и по всему объему жидкости. Внутри жидкости при нагревании образуются  пузырьки, наполненные растворенными в жидкости газами. Пар, находящийся внутри пузырьков, является насыщенным. По мере увеличения температуры объем пузырьков растет, и под действием архимедовой силы они поднимаются к поверхности жидкости. Так как верхние слои жидкости прогреты недостаточно, то давление насыщенного пара в пузырьках уменьшается, и они схлопываются с характерным шумом.

кипение жидкости

По мере нагревания жидкости образуется большое количество пузырьков, наполненных насыщенным паром. Достигая поверхности жидкости, они лопаются, выбрасывая пар в атмосферу. Начинается интенсивное кипение жидкости. При этом давление насыщенного пара внутри пузырьков равно или больше атмосферного. Если атмосферное давление не изменяется, то температура кипения жидкости остается постоянной.

 

 

температура кипения разных жидкостей

 

Температура кипения зависит от рода жидкости, от внешнего давления и наличия в ней примеси.

 

зависимость температуры кипения от давления

 

С понижением давления уменьшается температура кипение жидкости, а с повышением – увеличивается.

 

зависимость температуры кипения от концентрации соли

 

Наличие примесей в жидкости увеличивает температуру кипения.

 

Свойства насыщенного пара учитываются при проектировании и эксплуатации автоклавов и котлов высокого давления, получении сжиженного газа, определении характеристик водяного пара в атмосфере Земли.

 

Влажность воздуха

 

Поскольку 2/3 земной поверхности занимает вода, то в воздухе всегда содержится водяной пар. За год на Земле испаряется 4,25*1014 т воды. По отношению ко всем газам, содержащимся в атмосфере Земли, водяной пар занимает всего около 1%.

 

Для описания состояния водяного пара в атмосфере Земли используют уравнение состояния идеального газа.

Физическая величина, характеризующая содержание в воздухе водяного пара, называется влажностью воздуха.

 

Относительная влажность воздуха определяется как отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара p0 при той же температуре:

формула относительная влажность воздуха

Относительная влажность воздуха показывает, насколько водяной пар в данных условиях далек от насыщения. Именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потери влаги живыми организмами. Для человека наиболее благоприятна относительная влажность, равная 40-60%.

 

В метеорологии важно знать абсолютную влажность воздуха, т.е. массу водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха (плотность водяного пара в воздухе). На практике измеряется в г/м3.

 

С уменьшением температуры воздуха водяной пар переходит в насыщенное состояние. Точка росы характеризует температуру, при которой пар становится насыщенным.

 

Измерение влажности воздуха

психрометр августа

С помощью психрометра фиксируют разницу температур двух термометров – сухого и влажного. По этой разнице и температуре сухого термометра устанавливают влажность воздуха по психрометрической таблице:

 

психрометрическая таблица

 

Действие волосного гигрометра основано на способности обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха.

 

волосной гигрометр

 

Волос соединяется со стрелкой прибора, шкала которого градуируется в процентах относительной влажности.

 

С помощью конденсационного гигрометра измеряют точку росы – температуру, до которой необходимо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар, остывая, стал насыщенным.

 

конденсационный гигрометр

 

Начиная с этой температуры, охлаждение воздуха сопровождается появлением капелек росы на зеркальном сосуде, температуру которого понижают, прокачивая грушей воздух через легкокипящую жидкость.

 

В настоящее время нашли широкое применение как стрелочные, так и электронные цифровые гигрометры с жидкокристаллическим экраном.

типы гигрометров

 

Определенную влажность воздуха нужно поддерживать в библиотеках, музеях для лучшего сохранения книг, картин и других экспонатов. Для уменьшения электризации нитей в ткацких цехах создают высокую влажность. Строгий контроль влажности ведется в кондитерских цехах.

 

Вопросы для самоконтроля по блоку «Реальные газы»

  1. Что называют испарением? Конденсацией?
  2. Укажите причины, от которых зависит скорость испарения жидкости?
  3. Как изменяется внутренняя энергия жидкости при ее испарении?
  4. Чем отличается кипение жидкости от ее испарения?
  5. Опишите процессы, протекающие в закрытом с жидкостью сосуде. Что такое динамическое равновесие?
  6. Какой пар называют насыщенным?
  7. Почему давление насыщенного пара не зависит от объема, в котором он находится?
  8. Нарисуйте и объясните изотерму реального газа.
  9. Изобразите графически и объясните зависимость давления насыщенного пара от температуры при постоянном давлении.
  10. Что понимают под влажностью воздуха?
  11. Что такое абсолютная влажность воздуха? В каких единицах ее выражают?
  12. Что называют относительной влажностью воздуха?
  13. Что такое точка росы?
  14. С помощью каких приборов определяют влажность воздуха?

 

Опорный конспект:

опорный конспект реальные газы

Проверь себя

Вариант 1

 

тест влажность воздуха вариант 1

Вариант 2

тест влажность воздуха вариант 2

 

 

 

Интересная статья? Поделитесь ею пожалуйста с другими: