Испарение жидкости. Теплота испарения. Насыщенный пар

Испарением называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Оно происходит над свободной поверхностью жидкости. При испарении молекулы вылетают из жидкости, преодолевая силы межмолекулярного притяжения. Только очень маленькая часть молекул имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы вылететь из жидкости на расстояние, превышающее радиус молекулярного притяжения. При этом средняя энергия молекул, остающихся в жидкости, уменьшается и, соответственно, температура жидкости понижается. Кроме того, если испарение происходит при некотором внешнем давлении, вещество, испаряясь, увеличивает объём и должно совершать работу расширения против внешнего давления. Чтобы испарение происходило без изменения температуры к жидкости нужно подводить тепло.

МОЛЯРНОЙ ТЕПЛОТОЙ ИСПАРЕНИЯ (парообразования) называется количество теплоты, необходимое для изотермического испарения одного моля жидкости при внешнем давлении, равном упругости (давлению) её насыщенного пара. Подвод этой теплоты не сопровождается таким явным эффектом, как повышение температуры. Поэтому ее часто называют скрытой теплотой испарения.

Молярную теплоту испарения можно представить в виде суммы L = L_i+L_r

Первое слагаемое L_i -это энергия, необходимая для преодоления сил притяжения между молекулами жидкости. Она называется внутренней теплотой парообразования и равна разности внутренних энергий одного моля пара и жидкости. Её приближенно можно выразить через постоянную а Ван-дер-Ваальса и молярные объёмы V_мол.ж жидкости и V_мол.п пара:

L_i= U_мол.п- U_мол.п=

разделив L_i на число Авогадро N_A

W = L_i / N_A (IX.1)

получим работу, совершаемую против сил притяжения при выходе одной молекулы из жидкости в пар. Эта работа равна разности потенциальных энергий одной молекулы в паровой и жидкой фазах.

Второе слагаемое L_r – это работа расширения пара, образующегося из жидкости. Она называется внешней теплотой парообразования. Если над жидкостью существуют только ее пары, то внешняя теплота парообразования равна

L_r = р (V_{мол. п} — V_{мол. ж})

где р - давление паров жидкости. Пренебрегая объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара и считая пар идеальным газом, выражения для L_i и L_r можно упростить:

L_i ≈ (IX.2)

L_r ≈ ≈ RT (IX.3)

L ≈ + RT (IX.4),

где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура.

Скорость испарения жидкости, т.е. число молекул, вылетающих с 1 м² поверхности жидкости за 1 с, определяется только состоянием самой жидкости и практически не зависит от давления и состава окружающей газовой среды.

Скорость конденсации пара, т.е. число молекул пара, присоединяющихся к жидкости через 1 м² её поверхности за 1 с, зависит от концентрации молекул пара n и средней скорости молекул : (IX.5),

где ¼ n - это число молекул газа (пара), ударяющихся за 1с о поверхность жидкости площадью 1м², α - доля ударившихся о поверхность жидкости молекул, которые захватываются жидкостью, остальные отскакивают обратно в газ. Максимально возможное значение α равно 1. При некоторой концентрации паров скорость конденсации становится равной скорости испарения. Между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие. Такой пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью называется НАСЫЩЕННЫМ ПАРОМ. При любой температуре насыщенному пару соответствует определенная концентрация молекул n_н, плотность ρ_н и давление Р_н. Последнее часто называют УПРУГОСТЬЮ НАСЫЩЕННОГО ПАРА. Скорость испарения жидкости непосредственно рассчитать очень трудно, но её можно выразить через давление насыщенного пара, при котором N_исп = N_конд.

Подставив в (IX.5) n = n_н = р_н /КТ и , получим:

(IX.6),

μ – молярная масса, R – газовая постоянная, N_A – число Авогадро, К = R / N_А - постоянная Больцмана.

Соотношение (X.6) называется формулой Герца – Кнудсена. Скорость испарения жидкостей обычно очень велика. Например, с 1м² поверхности воды при комнатной температуре ежесекундно вылетает 10²⁵ молекул общей массой 200г. Благодаря большой скорости испарения вблизи поверхности жидкости почти мгновенно устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром. Если испарение жидкости происходит в атмосфере другого газа, то скорость превращения жидкости в пар ограничивается не скоростью испарения жидкости, (большая часть испарившихся молекул возвращается обратно в жидкость), а скоростью удаления образовавшегося пара от поверхности жидкости. В любом случае в тонком слое вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным.