Парообразование и свойства водяного пара — это важная тема в разделе «Молекулярная физика и термодинамика» на ЕГЭ по физике. Задания на парообразование, испарение, конденсацию, насыщенный и ненасыщенный пар могут встретиться как в теоретической, так и в расчётной части экзамена. Без понимания этих процессов невозможно объяснить, почему жидкость охлаждается при испарении, почему пар становится насыщенным и как изменяется внутренняя энергия вещества при фазовых переходах.
Парообразование
Парообразование — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное, при этом температура вещества остаётся постоянной, но внутренняя энергия возрастает.
Средняя энергия одной молекулы жидкого вещества равна сумме её кинетической и потенциальной энергий:
$E = E_\text{кин} + E_\text{пот}$
Кинетическая энергия молекулы при переходе из жидкого состояния в газообразное меняться не будет, так как температура остается постоянной:
$E_\text{к} = \frac{3}{2}kT = \text{const}$
Потенциальная энергия молекул зависит от расстояния между молекулами в соответствии с графиком:
При переходе вещества из жидкого в газообразное состояние среднее расстояние между молекулами увеличивается — значит, в соответствии с графиком, потенциальная энергия молекул возрастёт.
Благодаря увеличению потенциальной энергии, увеличивается средняя энергия молекул вещества.
Испарение
Испарение — это парообразование со свободной поверхности жидкости.
Скорость испарения — это не постоянная величина, она зависит от нескольких факторов:
- площадь поверхности жидкости;
- температура жидкости и окружающей среды;
- наличие воздушных потоков над жидкостью;
- вид жидкости.
Скорость испарения не зависит от объёма жидкости.
Представим сосуд с жидкостью, который внесли в комнату. Жидкость начнёт испаряться, то есть её молекулы начнут переходить в газообразное состояние. Но в то же время будет происходить и конденсация только что испарившихся молекул. Пусть $N_1$ — количество молекул, перешедших в газообразное состояние, а $N_2$ — количество молекул сконденсировавшегося вещества.
Соотношение между числом испаряющихся молекул $N_1$ и числом конденсирующихся молекул $N_2$ определяет, является ли пар насыщенным или ненасыщенным.
Насыщенный и ненасыщенный пар
Ненасыщенный пар — это пар, не достигший термодинамического равновесия со своей жидкостью.
Первоначально пар над жидкостью является ненасыщенным, то есть $N_1 > N_2$. Поэтому масса жидкости с течением времени будет уменьшаться, а масса пара увеличиваться. По мере испарения жидкости разность между $N_1$ и $N_2$ будет уменьшаться и в какой-то момент, если жидкость не испарится полностью, количество испаряющихся молекул будет равно количеству конденсирующихся $N_1 = N_2$. Далее массы пара и жидкости будут постоянными. Такой пар называется насыщенным.
С ростом числа молекул пара растёт его парциальное давление. Своего максимального значения давление достигает, когда пар становится насыщенным.
Давление насыщенного пара — это максимальное давление водяного пара при указанной температуре. При этом жидкость будет находиться в термодинамическом равновесии со своим паром.
Нарисуем график, отражающий качественную зависимость давления насыщенного пара от температуры:
Рассмотрим два одинаковых сосуда: в одном пар является ненасыщенным, в другом — насыщенным.
Практикум: решение задач
Задание 1
В сосуде, закрытом поршнем, содержатся пары ацетона. Поршень равномерно передвигают вниз, что приводит к уменьшению объёма сосуда. График ниже демонстрирует, как меняется концентрация молекул паров ацетона с течением времени. Температура в сосуде поддерживается неизменной. Исходя из анализа графика, выберите все правильные утверждения из предложенных ниже.
- Пары ацетона в течение всего времени процесса остаются ненасыщенными.
- Парциальное давление паров ацетона на участке 2 неизменно.
- Плотность паров ацетона на участке 1 увеличивается.
- Плотность паров ацетона на участке 2 уменьшается.
- Парциальное давление паров ацетона на участке 1 уменьшается.
- Неверно. На участке 2 пары ацетона становятся насыщенными, поскольку при дальнейшем уменьшении объема сосуда их концентрация с течением времени не изменяется.
- Верно. Парциальное давление паров ацетона на участке 2: $p = n_\text{н} k T$ — неизменно, поскольку на этом участке постоянна концентрация паров ацетона.
- Верно. Плотность паров ацетона: $↑ \rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{m_0 N}{V} = m_0 n↑$ — растёт с увеличением концентрации паров ацетона.
- Неверно. На участке 2 плотность паров ацетона: $\rho = m_0 n$ — неизменна, поскольку концентрация паров ацетона на этом участке постоянна.
- Неверно. Парциальное давление паров ацетона на участке 1: $p = nkT$ — растёт с увеличением концентрации паров ацетона.
Ответ: 23.
Итог
В статье мы разобрали все ключевые моменты, связанные с водяным паром, которые необходимы для успешной сдачи ЕГЭ по физике.
Вы узнали, что парообразование — это переход из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре, при котором внутренняя энергия вещества возрастает за счёт увеличения потенциальной энергии молекул.
Мы выяснили, что скорость испарения зависит от площади поверхности, температуры, наличия воздушных потоков и вида жидкости, но не зависит от объёма жидкости. Освоили понятия насыщенного и ненасыщенного пара.
Теперь вы готовы к заданиям ЕГЭ, где требуется объяснить процессы испарения и конденсации, сравнить свойства насыщенного и ненасыщенного пара, проанализировать изменение массы жидкости и пара со временем.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
