Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар

Почему вода испаряется при комнатной температуре?

В школе нас учили, что когда вода закипает, она меняет фазу с жидкости на пар. Чтобы вызвать это изменение, требуется высокая температура, называемая точкой кипения. Для воды эта точка составляет 100 °C. Однако вспомните, что во время дождя лужи испаряются после прояснения неба, особенно когда выходит солнце. При испарении фаза воды также переходит из жидкой в ​​парообразную, и это происходит при температурах, далеко не равных 100 °C.

Насыщенный и ненасыщенный пар

Что такое вейп и чем он вреден, исследования ученых

Несколько лет назад на прилавках появились устройства для вдыхания пара. Их пропагандировали как безопасную альтернативу привычным никотиновым сигаретам. Устройства могут быть разного дизайна и размера: в виде коробочек с трубкой-насадкой или длинных цилиндров. Помимо электронных сигарет и мини-кальянов, продаются жидкости для заправки вейпов с различными ароматическими свойствами. Их огромное множество; встречаются вишня, кофе, лимон, мармелад, банановый мусс, клубника со сливками и даже печенье с лимоном и ванильным кремом. В составе: глицерин, пропиленгликоль и ароматические добавки. Одни наполнители содержат никотин, другие — нет, это указано на упаковке. Вейп похож на ингалятор: внутри него нагревается и закипает жидкость, в результате чего образуется пар для вдыхания [1].

Новый вид курильщиков стали называть вейперами (от англ. «vaping» — «парение»), и появился новый тренд. Среди любителей электронных сигарет проводятся соревнования, для них открывают специализированные заведения, а сами устройства выпускают в эксклюзивном дизайне.

Как ни парадоксально, часто вейперами становятся люди, которые хотят бросить курить. Основной вред здоровью наносят канцерогенные вещества, содержащиеся в сигаретах. При этом некоторые курильщики ошибочно полагают, что негатив заканчивается на неприятном запахе табака и постоянных денежных тратах.

Испарение: определение, условия и особенности процесса

Испарением в физике (впрочем, и не только в ней) называют фазовый переход любой жидкости в парообразное или газообразное состояние. Простейший пример, с которым сталкивается каждый человек – испарение воды, когда мы ее сильно нагреваем, к примеру, делая себе чай, из нее идет пар. Пар этот и есть та самая вода, которая из жидкого состояния перешла в парообразное. Особенности процесса испарения разных жидкостей хорошо изучены физиками, а само испарение широко применяется в промышленности и в быту, встречается также и в природе.

Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар

Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. При том они поглощают энергию. Вы уже познакомились с первым переходом – процессом плавления. Теперь мы будем рассматривать следующий переход вещества из одного состояния в другое – превращение жидкости в газ.

Повседневные наблюдения позволяют сказать, что количество жидкости, находящейся в открытом сосуде, со временем уменьшается. Но жидкость не может просто так исчезнуть. Что же с ней происходит? Она превращается в пар.

Парообразование – это явление превращения жидкости в пар.

Есть два способа превращения жидкости в газ:

• Испарение
• Кипение

В данном уроке мы рассмотрим первый способ – испарение.

Итак . почему это происходит?

Ответ кроется в физических и химических свойствах молекул воды и связей, образующихся между этими молекулами (межмолекулярных связей).

Чем вреден вейп — данные 2020 года

В сентябре 2020 года в журнале Американской кардиологической ассоциации было опубликовано исследование об использовании электронных сигарет и вейпинговых продуктов [2]. Ученые сравнили влияние разных ингаляций — пара с никотином и без него, а также табачного дыма в сравнении с обычным воздухом. Ни у одной из подопытных крыс, подвергшихся воздействию воздуха без примесей, не развился респираторный дистресс и иные заболевания. При этом 14 из 18 животных, получавших пар с примесями, начали страдать от затрудненного дыхания, у них отметили слышимые хрипы и отсутствие активности, одна крыса погибла.

Вейпинг способствует повышению артериального давления, вызывает дисфункции эндотелия и повышает риск развития инфаркта миокарда и инсульта. Состояние, получившее название «повреждение легких, связанное с употреблением электронных сигарет» (EVALI), зафиксировали в США в июне 2019 года, и в течение трех последующих месяцев случаи заметно участились [3]. Сообщения о новых пациентах продолжают поступать. В марте 2020 года в США зарегистрировано 2800 случаев заболевания, 68 из которых закончились летально. Типичными жертвами становятся молодые мужчины и женщины, в последнее время употреблявшие электронно-сигаретную технику и страдающие острым респираторным расстройством, включая такие симптомы, как одышка, дискомфорт в груди, кашель, лихорадка и усталость [4]. На рентгенографии пострадавших врачи обнаружили двусторонние легочные инфильтраты, а в результате гистологии выявили пневмонит, бронхиолит и альвеолярные повреждения.

Определение

Классическое определение звучит так: испарение – это переход из жидкости в газ. При этом это термодинамический процесс, то есть такой, который происходит под воздействием температурных колебаний. Именно вследствие испарения количество любой жидкости в любой незакрытой емкости будет постепенно уменьшаться.

Какие же причины испарения? Физика объясняет это явление разницей температур на грани фазового перехода: жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха. Если нет каких-то внешних влияний, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость вследствие диффузии, они переходят через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газовых веществ поверхность раздела фаз массового потока.

Важно знать, что испарение всегда происходит только с поверхности жидкости, в этом основное отличие испарения от других форм парообразования. Атомы и молекулы испаряются не все сразу, а небольшими слоями, постепенно. Но, разумеется, со временем они могут испариться полностью.

Еще одной интересной особенностью испарения является тот факт, что оно может иметь разную направленность тепловых потоков. Они могут идти:

• из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух,
• только из жидкости к поверхности,
• к поверхности из воды и газовой среды одновременно,
• к площади поверхности только от воздуха.

Направленность тепловых потоков при испарении зависит от характера жидкости, температуры окружающего воздуха и фазового раздела. Эти три величины и их соотношение формируют формулу испарения.

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

Прежде чем говорить о насыщенном паре, нужно освежить знания об агрегатных состояниях и фазовых переходах между ними. Если вы забыли, какие бывают агрегатные состояния, то можете сбегать в нашу статью про них.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Вот какие бывают фазовые переходы:

Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Фазовые переходы — важная штука. Все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы в металлургии и микроэлектронике.

Химические свойства молекул воды

Молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с одним атомом кислорода. Связи между атомами O и H образуются за счет обмена электронами. Эти связи называются ковалентными. Каждый элемент стремится достичь энергетически наименьшего состояния (т.е. наиболее стабильного состояния), теряя или приобретая электроны, чтобы достичь ближайшей конфигурации благородного газа.

Кислород содержит шесть электронов во внешней оболочке и нуждается в двух электронах, чтобы завершить октет и войти в конфигурацию благородного газа – неона. Водород имеет один электрон в своей внешней оболочке и, получив один электрон, может достичь конфигурации благородного газа гелия. Таким образом, один атом кислорода делится двумя электронами, а два атома водорода – одним электроном, образуя одну молекулу воды, т.е. H2O.

Молекула воды имеет слегка изогнутую форму благодаря электронам на атоме кислорода. Это способствует образованию межмолекулярной водородной связи.

Кислород имеет высокую склонность притягивать к себе электроны. Это свойство называется электроотрицательностью. Из-за высокой электроотрицательности электроны проводят больше времени вблизи O, и на O образуется частичный отрицательный заряд. Аналогично, на H образуется частичный положительный заряд. Геометрия молекулы воды такова, что происходит разделение положительных (вблизи двух атомов H) и отрицательных зарядов (на O).

Когда две молекулы воды находятся рядом друг с другом, частично отрицательный O одной молекулы имеет тенденцию притягивать частично положительный атом H другой молекулы, что приводит к слабой связи, называемой водородной связью. Эта связь существует между двумя разными молекулами (межмолекулярная связь). Поскольку водородная связь слабая, для ее разрыва требуется меньше энергии, поэтому вода остается жидкостью при комнатной температуре.

«Попкорновая болезнь» от вейпа

В 2019 году у 17-летнего подростка из Канады диагностировали начальный облитерирующий бронхит — тяжелое респираторное заболевание, провоцирующее обструкцию бронхиол. Молодой человек курил вейп в течение нескольких месяцев до того, как почувствовал первые симптомы: одышку, тахикардию и сухой кашель.

На момент постановки диагноза стоял вопрос о возможной трансплантации легких, но врачам удалось спасти пациента за счет вовремя назначенной терапии с высокими дозами кортикостероидов [5]. «У этого пациента был тяжелый острый бронхиолит, возможно, связанный с травмой органов дыхания от вейпинга, с некоторыми особенностями, указывающими на последующий ранний облитерирующий бронхиолит», — заключили врачи медицинской группы из Научно-исследовательского института здравоохранения Лоусона и Университетской сети здравоохранения, которые принимали участие в лечении подростка [6].

Облитерирующий бронхит может развиваться по разным причинам, в том числе риски возникновения повышают: ревматоидный артрит, последствия трансплантации органов и вирусные инфекции. Но чаще всего болезнь провоцирует ингаляция токсичных паров, в том числе диоксида серы, аммиака, хлора, хлороводорода и диацетила. Последний используется в ароматизаторах для электронных сигарет. Этот вид бронхита прозвали «попкорновой болезнью» после того, как были зафиксированы массовые случаи поражения легких у сотрудников производств попкорна для микроволновки. В нем также использовался масляный ароматизатор.

Парообразование

Итак, парообразование — это переход из жидкого состояния в газообразное.

При парообразовании всегда происходит поглощение энергии: к веществу необходимо подводить теплоту, чтобы оно испарялось. Из-за этого внутренняя энергия вещества увеличивается.

У процесса парообразования есть две разновидности: испарение и кипение.

Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.

Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.

Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.

Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. ???? Это действительно так, но при этом оба процесса могут происходить параллельно.

Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.

Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха, и из-за разницы температур происходит испарение.

Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.

Направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:

из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;

только из жидкости к поверхности;

к поверхности из воды и газовой среды одновременно;

к площади поверхности только от воздуха.

Подытожим, чтобы не запутаться, в чем главная разница между испарением и кипением:

при любой температуре

с поверхности жидкости

при определенной температуре

с поверхности жидкости

Температура и молекулярная энергия

Температура – это мера средней кинетической энергии, которой обладает молекула. Чем выше температура, тем больше средняя энергия, и тем легче молекулам преодолеть межмолекулярное притяжение и двигаться более свободно. Для того чтобы жидкость перешла в парообразное состояние, необходимо преодолеть две силы.

Первая – это межмолекулярное притяжение близлежащих молекул, называемое когезионными силами. Вторая – нисходящее давление, оказываемое атмосферой. Когда жидкость меняет фазу на пар, ее молекулы приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть все межмолекулярные силы, а также преодолеть нисходящее давление, оказываемое окружающей атмосферой.

Влияние вейпа на организм подростков

Жидкости для электронного вейпинга содержат несколько потенциально вредных химических веществ [7]. Связанные с вейпингом повреждения легких диагностируют все чаще. «Подобные синдромы распространились из-за вейпа», — говорит доктор Панагиас Галиатсатос, директор клиники лечения от табака в Медицинском центре Джонса Хопкинса в Балтиморе [8]. Он исследовал различные типы повреждений органов дыхания, связанные с вейпингом. «Это наше новое поколение болезней легких», — считает врач.

Некоторые виды жидкостей для вейпа содержат никотин, влияние которого на организм хорошо изучено. Он замедляет развитие мозга подростков, плохо влияет на память, концентрацию, самоконтроль и способность к обучению. Некоторые электронные сигареты выглядят как флешка, которую можно зарядить от компьютера и ноутбука, при этом уровень никотина в капсуле сопоставим с целой пачкой сигарет [9]. Другими побочными эффектами, в том числе от постоянного курения вейпа с безникотиновыми жидкостями, считают ослабление иммунитета, повреждение тканей легких и сердца, а также когнитивные нарушения [10].

В недавнем исследовании ученые сравнили три группы подростков: одни постоянно использовали только электронные сигареты, вторые — иногда предпочитали электронные в дополнение к стандартным, третьи — никогда не курили ни то, ни другое [11]. В итоге у подростков из первой группы в моче обнаружили значительно больше токсичных химических веществ, в том числе акрилонитрил, акролеин, оксид пропилена, акриламид и кротоновый альдегид.

Температура кипения

При температуре кипения давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению на жидкость — чаще всего это атмосферное давление. Значит, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнется кипение.

При нормальном атмосферном давлении, которое приблизительно равно 100 кПа, температура кипения воды равна 100°C. Поэтому можно сразу сказать, что давление насыщенного водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию равно 100 кПа. Это значение пригодится при решении задач.

Чем выше мы поднимаемся, тем меньше становится атмосферное давление, потому что масса атмосферы над нами уменьшается. Так, например, на вершине Эльбруса атмосферное давление составляет 5 × 104 Па — в два раза меньше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому и температура кипения на вершине Эльбруса будет ниже, чем на уровне моря. Вода там закипит при температуре 82°C.

Температура кипения при нормальном атмосферном давлении — это строго определенная величина для каждой жидкости.

Влажность

Количество водяного пара, присутствующего в атмосфере, называется влажностью. При любой заданной температуре атмосфера может удерживать только фиксированное количество водяного пара. Чем выше температура, тем большее количество водяного пара присутствует в атмосфере. Концентрация водяного пара в атмосфере имеет верхний предел, за которым водяной пар не может удерживаться.

При испарении, в отличие от кипения, только некоторые молекулы на поверхности обладают достаточной энергией для перехода в парообразную фазу.

Испарение и конденсация

Молекулы в жидкости непрерывно и хаотично движутся. Это значит, что направление движения отдельно взятых молекул — это случайные направления. При этом жидкость сохраняет свой объем. Также молекулы силами притяжения притягиваются друг к другу, из-за чего не могут покинуть Омск жидкость.

Значения скоростей молекул случайны. Из-за этого среди всех молекул обязательно есть те, что движутся очень быстро. Если такая молекула окажется вблизи поверхности раздела жидкости и окружающей среды, то ее кинетическая энергия может достигнуть большого значения, и молекула покинет жидкость.

Собственно, именно так происходит процесс испарения (мы говорили о нем выше, когда речь шла о фазовых переходах). Когда испарившихся молекул становится много, образуется пар.

Обратный процесс тоже возможен: вырвавшиеся за пределы жидкости молекулы вернутся в жидкость. Это конденсация, о ней мы тоже говорили.
Если открыть сосуд с жидкостью, то испарившиеся молекулы будут покидать пространство над жидкостью и не возвращаться обратно. Количество жидкости таким образом будет уменьшаться. То есть жидкость испаряется, а пар обратно не конденсируется (потому что молекулы этого пара удаляются от жидкости) — так происходит высыхание.

Испарение может происходить с разной скоростью. Чем больше силы притяжения молекул друг к другу, тем меньшее число молекул в единицу времени окажется в состоянии преодолеть эти силы притяжения и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения.

Быстро испаряются такие жидкости, как эфир, ацетон, спирт. Из-за этого свойства их иногда называют летучими жидкостями. Медленнее — вода. Намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Вейп или сигареты: что опаснее

Исследование 2019 года, опубликованное в журнале Американской кардиологической ассоциации, подтверждает, что вред от электронных сигарет сопоставим с последствиями традиционного курения [12]. Ученые сравнили уровень здоровья сосудов у курильщиков и вейперов. В эксперименте участвовали более 400 человек в возрасте 21–45 лет. Они сдали анализ для изучения образцов клеток артерий. Результаты были одинаковыми как у любителей обычных сигарет, так и у тех, кто предпочитал электронные. В обеих группах врачи отметили заметные повреждения кровеносных сосудов, низкий уровень кислорода в клетках и повышенную жесткость сосудистой стенки.

Врачи утверждают, что электронные сигареты провоцируют риск развития сердечно-сосудистых заболеваний [13], и поэтому вейп нельзя рассматривать как менее вредную альтернативу сигаретам с точки зрения воздействия на организм. Кроме того, ученые выявили низкий уровень молекул оксида азота в клетках вейперов. Этот показатель напрямую указывает на функции дыхания, а также иммунитет и сердечно-сосудистый гомеостаз.

То есть вейп, как и сигареты, негативно влияет не только на легкие, но и на другие системы организма и общее состояние здоровья. По мнению специалистов, электронные сигареты ни в коем случае не должны использовать дети, подростки и беременные женщины [14].

Факторы, влияющие на скорость испарения

Учеными выделены такие основные факторы, которые имеют влияние на скорость испарения:

• Химические и физические свойства жидкости, характер связей между молекулами, плотность вещества. Чем ближе друг к другу расположены молекулы жидкости, тем им труднее набрать нужную скорость, чтобы вылететь и тем ниже скорость испарения, и тем больше температура кипения. К слову спирты и алкоголь улетучиваются гораздо быстрее, нежели просто вода.
• Температура. В отличии от явления кипения, испарение жидкости может происходить даже при минусовых температурах жидкости. Но все равно при понижении температуры скорость движения частиц уменьшается, и как следствие уменьшается скорость испарения.
• Размер поверхности. Тут все просто, чем больше площадь испарения, то есть площадь соприкосновения жидкости с воздухом, тем большей будет скорость испарения.
• Скорость ветра также может влиять на скорость испарения в природных условиях, так как быстрое движение воздуха «сдувает» молекулы с поверхности, увеличивая их скорость и кинетическую энергию.
• Атмосферное давление, чем оно ниже, тем быстрее испаряется любая жидкость.

Скорость испарения и площадь поверхности жидкости

Возьмем два сосуда одинакового объема, но разной формы. Один широкий, а второй – узкий (рисунок 3). Заполним их водой одной и той же массы.

Рисунок 3. Зависимость скорости испарения от площади поверхности жидкости

Наблюдения покажут, что вода из широкого сосуда будет испаряться быстрее, чем из узкого.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности.

Испарение происходит с поверхности жидкости. Значит, чем больше поверхность, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

Зачем мы развешиваем белье после стирки? Чтобы оно быстрее высохло. Ведь в скомканном состоянии его площадь намного меньше, чем в расправленном виде.

Испарение при комнатной температуре

Предположим, что вода налита на стол тонким слоем. Молекулы расположены слоями. Молекулы в самом верхнем слое испытывают межмолекулярные силы притяжения только снизу и с боков, тогда как молекулы в объеме жидкости испытывают межмолекулярное притяжение со всех сторон. Таким образом, молекулы наверху испытывают меньшие суммарные межмолекулярные силы, чем молекулы внутри объема. Поскольку эти межмолекулярные силы (водородные связи) слабы, когда верхний слой подвергается воздействию солнечного света, некоторые молекулы получают достаточно кинетической энергии, чтобы уйти в атмосферу при комнатной температуре.

Более того, чем ниже влажность, тем легче испаряется жидкость. По мере испарения концентрация водяного пара в атмосфере увеличивается. За критическим порогом атмосфера больше не может удерживать водяной пар. Это называется состоянием насыщения. Если состояние насыщения не достигнуто, испарение продолжается.

Таким образом, сочетание влажности и высокой молекулярной энергии делает возможным испарение некоторых молекул на поверхности даже при низких температурах!

Скорость испарения и ветер

Быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости, образуя пар. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Некоторые молекулы пара, беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, снова возвращаются в нее.

Очевидно, что если уменьшить количество возвращающихся в жидкость молекул, скорость испарения увеличится. Количество жидкости будет уменьшаться быстрее. Это возможно при наличии ветра (рисунок 4).

При наличии ветра испарение жидкости происходит быстрее.

Ветер уносит молекулы пара, не давая их части вернуться обратно в жидкость.

Примером может послужить использование фена для волос. Создавая такой “искусственный ветер”, мы увеличиваем скорость испарения, что позволяет достаточно быстро высушить волосы.

Бывает ли безвредный вейп

Некоторые производители вейп-продукции заявляют, что вейпинг — это безопасная альтернатива курению. Однако исследования показывают, что это не так. Фактически, вейпинг, в том числе без никотина, может оказывать вредное воздействие на организм. Побочные эффекты часто зависят от вида жидкости, используемой в электронных сигаретах. Многие из ее ингредиентов имеют сертификат GRAS, то есть могут использоваться в пищевых целях [15]. Однако в процессе курения они нагреваются, испаряются и могут оказывать токсическое воздействие на организм. Результаты исследования 2015 года показали, что при нагревании глицерина и пропиленгликоля в жидкостях для вейпов образуются соединения, выделяющие формальдегид. Вещество относится к канцерогенам группы 1, т.е. может повышать риск развития рака [16].

Кроме того, частые ингаляции могут вызывать сухость полости рта и горла, как и при курении обычных сигарет. И никотин здесь ни при чем. Как отмечают авторы исследования электронных сигарет в книге «Заболевания, вызванные табаком», вдыхание большого количества пропиленгликоля и глицерина может повреждать дыхательные пути [17]. Они также указывают, что уровень этих химических веществ в электронной сигарете достаточно высок, чтобы вызвать раздражение слизистой уже после одной затяжки.

Определение насыщенного пара

Оставим стакан воды на столе и будем замерять уровень воды в нем каждый день. Если записать эти измерения и сравнить их, станет очевидно: уровень воды стал меньше, то есть вода испарилась.

Теперь давайте накроем стакан сверху. Молекулы пара уже не смогут покидать пространство над жидкостью, по мере испарения их количество начнет расти, а значит, будет расти и количество молекул, которые конденсируются в единицу времени.

Сначала количество конденсирующихся молекул за единицу времени будет меньше количества испаряющихся молекул. Но по мере роста концентрации пара (то есть увеличении количества молекул в единице объема пара) поток конденсирующихся молекул вырастет. Это приведет к состоянию, которое называется динамическим равновесием.

Пар, находящейся в динамическом равновесии, называют насыщенным.

Представьте себе огромный бизнес-центр с не менее огромными дверями. У сотрудников бизнес-центра разный график работы, поэтому люди одновременно заходят в здание и выходят из него в произвольном количестве. Допустим, в 6 часов вечера 100 человек заходят в здание, чтобы попасть на деловую встречу, а другие 100 человек уже закончили работать и идут домой. Количество заходящих в бизнес-центр и выходящих из него будет одинаковым — это и есть состояние насыщения.

Значение давления насыщенного пара и его плотности являются максимальными при заданном значении температуры. Если это не так, то пар ненасыщенный.

Испарение в организме человека, в животных и растениях

Испарение играет важную роль процессе саморегуляции температуры тела человека, как впрочем, и почти всех млекопитающих. Так как чрезмерный перегрев тела вредный, а порой и смертельный (так при температуре тела более 42,2 °C в крови человека происходит свертывание белка, что приводит к смерти) организм имеет защитный механизм для предотвращения перегрева – потоотделение. Например, когда мы болеем и имеем высокую температуру, а потом она падает, мы обильно потеем. Также мы потеем при тяжелом физическом труде, при перегреве на Солнце. Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется, все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализировать температуру.

Аналогично это работает и у животных, а некоторые порой даже стремятся ускорить процесс испарения. Так, например собаки для этой цели в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык. Именно гортань и язык собаки наиболее подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Что же касается растений, то и они обладают схожим механизмом. Во избежание перегрева на Солнце они запускают процесс испарения ранее поглощенной воды, таким образом, охлаждаясь. Именно поэтому очень важно в жаркую погоду усиленно поливать культурные растения, предотвращая их выгорание или засыхание, ведь в такие дни влага особенно нужна растениями не только для питания, но и для охлаждения.

Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью

Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 5).

Рисунок 5. Жидкость и пар в динамическом равновесии

Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.

С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным – наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.

В таком случае пар называют насыщенным.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.

Решение задач по теме «Насыщенный пар»

Применим свойства насыщенного пара при решении задач.

Задачка раз

В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают вдвигать в сосуд. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните.

Решение

Так как пар и вода находятся в контакте длительное время, пар является насыщенным. При уменьшении объема сосуда давление насыщенного пара не меняется. Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что для того, чтобы давление пара не менялось, его количество вещества (а значит и масса) должно уменьшаться.

В этом процессе происходит конденсация, часть молекул пара переходят в жидкость, поэтому масса жидкости увеличивается.

Ответ

Масса жидкости увеличивается.

Задачка два

Какова плотность насыщенного пара при температуре 100°С?

Решение

При нормальном давлении (p = 105 Па) 100°С — это температура кипения воды. Значит, давление насыщенного пара при этой температуре равно атмосферному давлению.

Найдем связь между давлением и плотностью через уравнение Менделеева-Клапейрона.

Подставим значение давления в уравнение состояния идеального газа, предварительно переведя температуру в Кельвины: T = 100 + 273 = 373 K

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, которое окружает рассматриваемую жидкость и содержит ее пары, может происходить дальнейшее испарение, то пар, находящийся в этом пространстве называют ненасыщенным.

Ненасыщенный пар – это пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью.

Так, в открытом сосуде масса жидкости будет постепенно уменьшаться. Большинство молекул пара будет оставаться в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.