Вещество может переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Эти переходы происходят из-за теплового движения молекул и их взаимодействия друг с другом.
Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
Конденсация — обратный процесс: переход пара в жидкость.
Парообразование может идти двумя способами:
- Испарение — с поверхности жидкости.
- Кипение — по всему объёму жидкости.
Испарение
Испарение — парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.
Молекулы жидкости движутся хаотически и имеют разные скорости. Если достаточно быстрая молекула оказывается у поверхности, её энергии может хватить, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость.
Поэтому испарение возможно и при комнатной температуре, и при более низких температурах. Жидкость не обязана сначала нагреться до температуры кипения.
При испарении из жидкости чаще вылетают самые быстрые молекулы. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, поэтому жидкость охлаждается.
Что влияет на скорость испарения
Испарение идёт быстрее, если:
- Температура жидкости выше.
- Площадь свободной поверхности больше.
- Воздух над жидкостью суше.
- Пар над поверхностью уносится потоком воздуха.
Если воздух уже содержит много пара этой жидкости, испарение замедляется: молекулы пара чаще возвращаются обратно в жидкость.
Для воды это связано с влажностью воздуха: при большой относительной влажности вода испаряется хуже, чем при малой.
Конденсация
Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
Молекулы пара движутся хаотически. Если молекула пара попадает к поверхности жидкости и удерживается притяжением молекул жидкости, она возвращается в жидкость.
Конденсация сопровождается выделением энергии. При возвращении молекул в жидкость их потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, а энергия передаётся окружающим частицам.
В закрытом сосуде одновременно идут испарение и конденсация. Когда скорости этих процессов становятся равными, устанавливается динамическое равновесие, а пар становится насыщенным.
Кипение
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.
При нагревании жидкости внутри неё образуются пузырьки. В них находится пар. Если пузырёк может расти и всплывать, пар выходит наружу, и жидкость кипит.
Кипение отличается от испарения:
- Испарение идёт только с поверхности, а кипение — во всём объёме жидкости.
- Испарение возможно при любой температуре, а кипение начинается при температуре кипения.
- При кипении парообразование идёт значительно интенсивнее.
Условие кипения
Жидкость кипит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению на жидкость:
где — давление насыщенного пара при температуре кипения, а — давление на жидкость снаружи.
Если внешнее давление уменьшается, температура кипения понижается. Если внешнее давление увеличивается, температура кипения повышается.
Важно
Температура кипения не является постоянной только для вещества самого по себе. Она зависит от внешнего давления.
Температура при кипении
Если внешнее давление постоянно, то во время кипения температура жидкости не меняется:
Подводимая энергия идёт не на повышение температуры, а на переход вещества из жидкости в пар. Поэтому кипящая вода при нормальном атмосферном давлении остаётся примерно при 100\,^\circ\text{C}, пока в сосуде есть жидкая вода.
Энергия, которая требуется на такой фазовый переход, рассматривается в теме преобразования энергии в фазовых переходах.
Коротко
- Парообразование — переход жидкости в пар.
- Испарение идёт со свободной поверхности жидкости при любой температуре.
- При испарении жидкость охлаждается, потому что её покидают быстрые молекулы.
- Конденсация — переход пара в жидкость; она сопровождается выделением энергии.
- Кипение — парообразование по всему объёму жидкости.
- Условие кипения: .
- При постоянном внешнем давлении температура кипящей жидкости остаётся постоянной.