2.1.13 Насыщенные и ненасыщенные пары

Пар образуется, когда молекулы покидают жидкость или твёрдое тело и переходят в газообразное состояние. Если жидкость находится в открытом сосуде, часть молекул пара уходит в окружающий воздух. В закрытом сосуде пар остаётся над жидкостью, поэтому со временем всё больше молекул возвращается обратно в жидкость.

Когда число молекул, вылетающих из жидкости за единицу времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость, устанавливается динамическое равновесие.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Ненасыщенный пар — пар, который при данной температуре ещё не достиг состояния насыщения.

Давление и плотность насыщенного пара

При данной температуре насыщенный пар имеет наибольшие возможные для этой температуры давление и плотность:

где $p_{\text{н}}(T)$ — давление насыщенного пара, а ${\rho }_{\text{н}}(T)$ — плотность насыщенного пара при температуре $T$.

Для ненасыщенного пара при той же температуре:

Такой пар ещё может стать более плотным: если рядом есть жидкость, она будет испаряться до тех пор, пока не установится насыщение.

Зависимость от температуры

При повышении температуры молекулам легче покидать жидкость. Поэтому новое динамическое равновесие устанавливается при большем количестве молекул пара над жидкостью.

Значит, с ростом температуры:

Давление насыщенного пара растёт не так, как давление одной и той же массы газа при нагревании. У обычного газа число молекул остаётся постоянным, а у насыщенного пара при нагревании жидкости часть жидкости дополнительно испаряется. Поэтому растёт не только средняя энергия молекул, но и концентрация молекул пара.

Независимость от объёма

Главное свойство насыщенного пара: при постоянной температуре его давление и плотность не зависят от объёма, если в сосуде остаётся жидкость.

Если насыщенный пар изотермически сжать, в первый момент его плотность возрастёт. Но равновесие нарушится: конденсация станет идти быстрее испарения, часть пара превратится в жидкость, и давление с плотностью вернутся к прежним значениям.

Если насыщенный пар изотермически расширить, в первый момент он станет менее плотным. Тогда испарение станет идти быстрее конденсации, часть жидкости превратится в пар, и снова установятся прежние $p_{\text{н}}$ и ${\rho }_{\text{н}}$.

Важно

Независимость от объёма выполняется только пока есть жидкость, с которой пар находится в равновесии. Если вся жидкость испарилась, пар становится ненасыщенным и дальше ведёт себя как обычный газ: его давление уже зависит от объёма.

Отличие от разреженного газа

Для данной массы разреженного газа при постоянной температуре выполняется закон Бойля-Мариотта: при увеличении объёма давление уменьшается. Для насыщенного пара так рассуждать нельзя, потому что масса пара не обязана оставаться постоянной.

Когда объём меняется, часть вещества переходит из пара в жидкость или из жидкости в пар. Поэтому состояние насыщенного пара определяется прежде всего температурой, а не объёмом сосуда.

Ненасыщенный пар, наоборот, ближе к обычному газу: если его сжимать при постоянной температуре и он ещё не достиг насыщения, его давление растёт. Как только давление достигает $p_{\text{н}}(T)$, начинается конденсация, и дальше пар уже остаётся насыщенным.

Коротко

• Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
• Ненасыщенный пар при той же температуре имеет меньшие давление и плотность: $p<p_{\text{н}}(T)$, $\rho <{\rho }_{\text{н}}(T)$.
• При повышении температуры давление и плотность насыщенного пара увеличиваются.
• При постоянной температуре $p_{\text{н}}$ и ${\rho }_{\text{н}}$ не зависят от объёма, если в сосуде остаётся жидкость.
• Законы для данной массы разреженного газа нельзя напрямую переносить на насыщенный пар: при изменении объёма масса пара может меняться.