Тема 15. Строение и свойства жидкостей (стр. 3 )

Одновременно с испарением протекает противоположный процесс: некоторые молекулы пара, находящиеся очень близко к поверхности жидкости, попадают в сферу действия сил молекулярного притяжения и возвращаются обратно в жидкость (такое явление называется конденсацией пара). Так как энергия теплового движения молекул пара значительно больше, чем молекул жидкости, в результате конденсации температура жидкости повышается.

Теперь представим себе сосуд, в котором находится жидкость. Если сосуд плотно закрыть крышкой, то концентрация молекул пара над жидкостью будет увеличиваться до тех пор, пока количество молекул, переходящих в пар в единицу времени, не сравняется с количеством молекул, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется динамическим равновесием пара и жидкости, а пар – насыщенным; давлением насыщенного пара называется его парциальное давление. Опыт показывает, что насыщенный пар не подчиняется уравнению Менделеева-Клапейрона. Действительно, при постоянной температуре давление насыщенного пара не зависит от объема. При его уменьшении происходит конденсация излишков пара, но давление и концентрация молекул остаются неизменными. Кроме того, при постоянном объеме давление насыщенного пара увеличивается с повышением температуры быстрее, чем давление идеального газа. Это связано с тем, что при увеличении температуры происходит дополнительное испарение жидкости и увеличение концентрации молекул пара.

Выше уже говорилось о том, что при любой температуре образование пара происходит не только на поверхности, но и внутри жидкости в виде мелких пузырьков. При температурах, сравнимых с комнатной, давление насыщенного пара в пузырьках значительно меньше внешнего, которое складывается из атмосферного и гидростатического давления. Вследствие этого размеры пузырьков пара настолько малы, что они не видны невооруженным глазом. По мере повышения температуры диаметр пузырьков увеличивается, и при определенной температуре, характерной для каждой жидкости, давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Начиная с этого момента пузырьки под действием архимедовой силы выходят на поверхность жидкости. Поскольку над поверхностью внешнее давление значительно меньше, чем внутри жидкости, пузырьки разрушаются. В результате этого поверхность жидкости бурлит, т. е. жидкость «кипит». Температура жидкости при этом не изменяется вплоть до полного ее испарения. Это явление называется кипением, а соответствующая температура – температурой кипения. Понятно, что значение температуры кипения зависит от величины атмосферного давления (). Опыт показывает, что в случае нормального давления ( Па) химически чистая вода закипает при 100 0С. Если Па, температура кипения составляет всего 70 0С, если же Па, то вода закипает только при 200 0С.

Как известно, в атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров. Это явление называется влажностью воздуха; оно обусловлено испарением воды с поверхности листьев растений, рек, озер, морей и океанов. Оценки показывают, что ежегодно на Земле испаряется 4,25∙1014 тонн воды. Содержание в атмосферном воздухе паров воды характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность численно равна массе водяных паров в единице объема воздуха; в качестве единицы измерения на практике используется 1 г/м3. Относительной влажностью называется отношение парциального давления паров воды, содержащихся в воздухе (), к давлению насыщенных паров () при этой же температуре:

%.

Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул воды в воздухе, относительную влажность можно представить как отношение соответствующих значений плотности пара:

%.

Опыт показывает, что по мере понижения температуры атмосферного воздуха можно наблюдать появление мелких капелек воды на поверхности листьев растений и различных тел. Такие капельки воды называются росой; они представляют собой излишки воды, которые образуются потому, что при понижении температуры уменьшается плотность насыщенного водяного пара. В связи с этим в качестве характеристики содержания паров воды в воздухе используется, помимо абсолютной и относительной влажности, еще одна величина – точка росы. Это температура, при которой содержащиеся в воздухе водяные пары становятся насыщенными.

Для измерения влажности воздуха используются различные приборы, называемые гигрометрами. Простейший прибор, известный также под названием психрометр, предназначен для измерения относительной влажности и состоит из двух термометров. Один из них находится в небольшом сосуде с водой, другой – в воздухе. Поскольку вода в сосуде непрерывно испаряется, ее температура всегда несколько ниже по сравнению с температурой воздуха. При этом чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее происходит испарение и тем больше разность показаний сухого и влажного термометров. Для проведения измерения относительной влажности необходимо снять показания обоих термометров и обратиться к специальным таблицам.

Наличие в атмосферном воздухе водяных паров имеет колоссальное значение для жизни на Земле. Достаточно упомянуть о том, что слово «погода» ассоциируется прежде всего с облачностью и атмосферными осадками – дождем, снегом и градом. Помимо осадков, от которых зависит, в частности, продовольственная безопасность жителей нашей планеты, электризация движущихся влажных воздушных масс (облаков) является причиной атмосферных электрических явлений.

15.5.  Давление насыщенных паров над искривленной поверхностью жидкости

Пусть некоторое количество жидкости и насыщенного пара находится в закрытом сосуде. Понятно, что по мере увеличения высоты над поверхностью жидкости давление пара уменьшается по формуле, аналогичной (12.5.Г):

. (16.12)

Здесь и - давление насыщенного пара вблизи поверхности жидкости и на высоте над ней, - молярная масса пара. Представим далее, что в сосуде находится вертикально расположенная капиллярная трубка, стенки которой полностью смачиваются жидкостью. В этом случае вогнутая поверхность жидкости в капилляре представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу трубки, а ее уровень будет выше уровня жидкости в сосуде на величину

(16.13)

(см. формулу (16.7)). Предположим, что давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью в капилляре () имеет то же значение, что и над плоской поверхностью жидкости в сосуде (). В таком случае давление будет больше давления насыщенного пара, окружающего трубку на высоте , который образовался над плоской поверхностью (см. формулу (16.12)). Понятно, что в таких условиях пар над жидкостью в капилляре не может быть насыщенным (он постоянно будет переходить из трубки в окружающее пространство, где его давление меньше). Следовательно, необходимо признать, что давление насыщенного пара в капилляре должно быть равно давлению пара, окружающего капилляр, т. е. . Сделав в равенстве (16.12) замену (16.13), получим:

. (16.14)

Поскольку разность уровней жидкости в капилляре и сосуде невелика (порядка нескольких сантиметров), можно считать, что разность приближенно равна давлению столбика пара высотой и плотностью (плотность насыщенного пара над поверхностью жидкости). Поэтому имеем:

.

Сделаем в этом равенстве замену (6.13):

. (16.15)

Таким образом, давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем над плоской. Понятно, что чем меньше радиус кривизны поверхности, чем больше отличается от . Если провести аналогичные рассуждения для капиллярной трубки, полностью не смачиваемой жидкостью, то можно показать, что давление насыщенного пара над выпуклой поверхностью будет больше, чем над плоской. Соответственно формула (16.15) будет иметь вид:

. (16.16)