Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение

Введение

В природе жидкости встречаются повсюду: вода в реках и морях, пар в атмосфере и даже сок в фруктах. Обычная жидкость состоит из молекул, которые находятся в постоянном движении. Некоторые из этих молекул обладают достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость и превратиться в пар. Пар, находящийся над жидкостью и находящийся в равновесии с ней, называют насыщенным паром.

Одним из важных свойств насыщенного пара является его давление, которое зависит от температуры жидкости. Понимание этого явления помогает объяснить процессы кипения, конденсации и многие технологические процессы, такие как работа паровых котлов.

Давление насыщенного пара

Давление насыщенного пара – это давление, которое оказывает пар на стенки сосуда, когда жидкость находится в равновесии с паром. Важно помнить:

• Если температура жидкости повышается, молекулы получают больше энергии и способность покидать жидкость увеличивается.

• Следовательно, давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры.

На практике это означает, что чем горячее жидкость, тем сильнее пар «толкается» на стенки сосуда.

Наглядная схема зависимости давления насыщенного пара от температуры:

Давление
  ↑
  │
  │                   *
  │                 *
  │               *
  │            *
  │         *
  │      *
  │   *
  │ *
  └────────────────→ Температура

• На графике видно, что зависимость нелинейная: с ростом температуры давление увеличивается всё быстрее.

Кипение

Когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему атмосферному давлению, жидкость начинает кипеть.

Кипение – это процесс активного превращения жидкости в пар по всему объёму, а не только с поверхности, как при испарении.

• При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C.

• Если давление выше атмосферного, например в скороварке, вода закипает при более высокой температуре.

• Если давление ниже атмосферного, например в горах, вода закипает при температуре ниже 100 °C.

Принцип кипения можно показать схемой:

   Атмосферное давление
          ↓
  -------------------------
  |                       |
  |       Жидкость        |
  |      (t = Tкип)       |
  |                       |
  -------------------------
          ↑
      Давление пара

• Когда давление пара достигает давления атмосферы, пузырьки пара могут свободно образовываться внутри жидкости — начинается кипение.

• 

Факторы, влияющие на кипение

1. Температура – чем выше, тем быстрее давление пара достигает атмосферного.

2. Давление окружающей среды – ниже давление, ниже температура кипения.

3. Присутствие растворённых веществ – соли и сахар повышают температуру кипения (эффект кипения при растворах).

Практические наблюдения

1. На плите вода закипает быстрее в кастрюле с тонким дном, чем в толстой, потому что тепло передаётся быстрее.

2. В горах, где атмосферное давление ниже, вода кипит при ~90 °C, и пища готовится медленнее.

3. В скороварке давление создаётся искусственно, что позволяет воде кипеть при ~120 °C и ускоряет процесс готовки.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое насыщенный пар?

2. Как изменяется давление насыщенного пара при увеличении температуры?

3. Что происходит с температурой кипения жидкости при уменьшении внешнего давления?

4. Чем кипение отличается от обычного испарения?

5. Почему в скороварке вода кипит при температуре выше 100 °C?