§ 13. Випаровування та конденсація

Чому, виходячи з річки спекотного літнього дня, ми відчуваємо прохолоду? Куди зникають калюжі після дощу? Для чого в спеку собака висуває язика? Чому, якщо хочемо остудити руки, ми на них дмемо, а якщо хочемо зігріти, то дихаємо? щодня можна поставити собі безліч таких запитань. У цьому параграфі ви знайдете відповіді на деякі з них.

Знайомимося з процесом випаровування

Будь-яка речовина може переходити з одного агрегатного стану в інший. За певних умов тверде тіло може перетворитись на рідину, рідина може знову затверднути чи перетворитися на газ.

Процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називають пароутворенням.

Рідина може перетворюватися на газ двома способами: випаровуванням і кипінням. Знайомство з пароутворенням рідини почнемо з процесу випаровування.

Якщо розлити воду, то через якийсь час калюжа зникне; речі, що промокли під дощем, обов’язково з часом стануть сухими; навіть масний слід, який залишився на асфальті від несправної машини, згодом стає майже непомітним. Усі ці явища можна пояснити випаровуванням рідини.

Випаровування — це процес пароутворення з поверхні рідини.*

Процес пароутворення здійснюється і з поверхні твердих тіл (ви, напевне, відчували запах нафталіну, помічали, що під час сильних морозів кудись зникають замерзлі калюжі тощо). Цей процес називають сублімацією.

Пояснюємо процес випаровування та робимо висновки

Розглянемо процес випаровування з погляду молекулярно-кінетичної теорії. Молекули рідини безперервно рухаються, постійно змінюючи швидкість свого руху. Серед молекул поверхневого шару рідини завжди є такі, що «намагаються» вилетіти з рідини. ті з молекул, що в певну мить рухаються повільно, не зможуть подолати притягання сусідніх молекул і залишаться в рідині. Якщо ж поблизу поверхні опиниться «швидка» молекула, то її кінетичної енергії буде достатньо, щоб виконати роботу проти сил міжмолекулярного притягання, і вона вилетить за межі рідини (рис. 13.1).

Після ознайомлення з механізмом випаровування можна зробити декілька висновків.

По-перше, той факт, що в рідині завжди є молекули, які рухаються досить швидко, дозволяє зробити висновок, що випаровування рідин відбувається за будь-якої температури.

По-друге, оскільки в процесі випаровування рідину залишають найшвидші молекули, то середня кінетична енергія решти молекул зменшується. тому, якщо рідина не отримує енергії ззовні, вона холоне.

Крім того, під час випаровування виконується робота проти сил міжмолекулярного притягання та проти сил зовнішнього тиску, тому процес випаровування супроводжується поглинанням енергії (рис. 13.2).

З'ясовуємо, від чого залежить швидкість випаровування

Чим вища температура рідини, тим швидше рідина випаровується. Адже зі збільшенням температури рідини збільшується кількість «швидких» молекул, тому дедалі більша їх кількість має змогу подолати сили міжмолекулярного притягання й вилетіти за межі рідини.

Щоб швидко висушити одяг, ми зазвичай кладемо його на гарячу батарею (рис. 13.3) або прасуємо. Чому в таких випадках одяг висихає порівняно швидко?

Рис. 13.4. Зі збільшенням площі поверхні (чай перелито з чашки в блюдце) швидкість випаровування збільшується. А оскільки в ході випаровування чай утрачає енергію, він швидше холоне (Б. М. Кустодієв «Купчиха за чаєм»)

Рис. 13.5. Демонстрація залежності швидкості випаровування від роду рідини. Через хвилину фігурка, яку намальовано спиртом, повністю зникне; фігурка, намальована водою, залишиться частково; випаровування олії зовсім не буде помітним

Звернемо увагу ще на один момент. Намагаючись швидко висушити одяг, ми не покладемо його на батарею жмутом, а розправимо, бо зім’ятий одяг висихає набагато повільніше. Чому? Тому що швидкість випаровування залежить від площі вільної поверхні рідини: чим більша площа поверхні рідини, тим більше на цій поверхні «швидких» молекул і тим швидше рідина випаровується (рис. 13.4).

Намалюємо мокрою серветкою на склі або класній дошці три фігурки. Одну зобразимо серветкою, змоченою в спирті, другу — серветкою, змоченою у воді, третю — в олії (рис. 13.5). «Спиртова» фігурка миттю випарується, «водяна» протримається трохи довше, натомість «олійна» радуватиме нас кілька днів. Річ у тім, що сили притягання між молекулами різних рідин є різними, тому швидкість випаровування залежить від роду рідини. Очевидно, що повільніше випаровуються ті рідини, молекули яких сильніше взаємодіють одна з одною.

Життєвий досвід показує, що швидкість випаровування залежить також від руху повітря. Насправді, щоб швидко висушити волосся, ми вмикаємо фен на потужніший режим (рис. 13.6); щоб остудити обпечену руку, дмемо на неї. Білизна, вивішена на вітрі, сохне швидше, ніж у затишку. Таку залежність теж легко пояснити з погляду молекулярного руху. Біля поверхні рідини завжди існує «хмара» молекул, які повилітали з неї (рис. 13.7). Ці молекули хаотично рухаються, зіштовхуються одна з одною та з молекулами інших газів, які складають повітря. Унаслідок цього молекула рідини може так близько підлетіти до її поверхні, що її «захоплять» сили міжмолекулярної взаємодії та знову повернуть у рідину. А якщо є вітер, то

він відносить молекули, що вилетіли з рідини, і не дає їм змоги повернутися.

рис. 13.6. Швидкість випаровування залежить від руху повітря

рис. 13.7. Багато молекул, які залишили рідину, можуть повернутися в неї внаслідок теплового руху

Якби молекули, залишаючи рідину, зовсім не поверталися до неї, то швидкість випаровування була б величезною. Наприклад, за кімнатної температури повна склянка води випарувалася б за 6 хвилин, адже за цих умов з 1 см² води щосекунди вилітає 10²¹ молекул.

Знайомимося з процесом конденсації

Ви вже знаєте, що молекули весь час вилітають із рідини і що певна їх кількість повертається в цю рідину. таким чином, поряд із процесом випаровування, в ході якого рідина перетворюється на пару, існує зворотний процес, коли речовина з газоподібного стану переходить у рідкий.

Процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.

Процеси конденсації (від латин. condensatio — згущення, ущільнення) води в природі ми спостерігаємо щодня. так, літнього ранку на листі рослин ми бачимо прозорі краплинки роси (рис. 13.8, а). Це водяна пара, яка вдень накопичується в повітрі внаслідок випаровування, а вночі, охолоджуючись, конденсується.

рис. 13.8. Прояви конденсації в природі: випадання роси (а); утворення хмар (б); поява туману (в)

Коли вологе повітря піднімається у вищі шари атмосфери, то, охолоджуючись, воно утворює хмари (рис. 13.8, б). Хмари складаються з дрібних краплинок води, що утворилися внаслідок конденсації водяної пари. А коли вологе повітря охолоджується поблизу поверхні Землі, утворюється туман (рис. 13.8, в). Оскільки процес конденсації супроводжується виділенням енергії, то утворення туману затримує зниження температури повітря.

Підбиваємо підсумки

Процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називають пароутворенням. Процес пароутворення з поверхні рідини називають випаровуванням.

Випаровування відбувається за будь-якої температури, і воно є тим інтенсивнішим, чим вища температура рідини. Швидкість випаровування збільшується також зі збільшенням площі вільної поверхні рідини і внаслідок видаляння пари, яка утворюється над рідиною. Крім того, інтенсивність випаровування залежить від роду рідини.

Поряд із процесом випаровування існує і процес конденсації. Конденсацією називають процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий.

Процес випаровування відбувається з поглинанням енергії. Процес конденсації, навпаки, супроводжується виділенням енергії.

Контрольні запитання

1. Що таке пароутворення? 2. Які способи пароутворення ви знаєте? 3. Що таке випаровування? 4. Від яких чинників і чому залежить швидкість випаровування? Наведіть приклади. 5. Що таке конденсація? Наведіть приклади конденсації в природі.

Вправа № 13

1.    Коли калюжі після дощу висихають швидше — в теплу чи прохолодну погоду? Чому?

2.    Чому після змочування руки спиртом відчуття холоду сильніше, ніж після змочування водою?

3.    Залишаючись тривалий час у мокрому одязі чи взутті, можна застудитися. Чому?

4.    Для чого собака висуває язика в спеку?

5.    Перебуваючи на вулиці в морозяний день, ви можете спостерігати «пару», що йде з рота. Що ви бачите насправді?

6.    Навесні, коли інтенсивно тане сніг, над полями іноді утворюється туман. У міру його розсіювання стає помітним, що кількість снігу значно зменшилася. У народі кажуть: «Весняний туман сніг з’їдає». Поясніть це твердження з точки зору фізики.

7.    Понад 4500 років тому єгиптяни використовували глечики, в яких вода залишалася прохолодною навіть спекотного дня. У середньовіччі

охолоджувальні глечики (алькараца) були поширені в народів Півдня. Наприкінці ХХ ст. схожий винахід наново зробив мешканець Нігерії Мохаммед Бах Абба. Його «холодильник» сьогодні називають «pot in pot» («глечик у глечику»), він працює без електрики і дозволяє тривалий час зберігати продукти (див. рисунок). Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про охолоджувальні глечики більше. Підготуйте повідомлення.

Експериментальне завдання

Візьміть добре зволожену та віджату бавовняну серветку, покладіть її на блюдце, а блюдце поставте в холодильну камеру. Переконайтеся, що через деякий час серветка затвердне, а через кілька днів висохне. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та підготуйте звіт про випаровування твердих тіл.

Фізика і техніка в Україні

Михайло Петрович Авенаріус (1835-1895) протягом 18651891 рр. працював у Київському університеті. Учений був організатором і керівником київської школи фізиків-експеримента-торів — першої фізичної школи в Україні.

Основні наукові праці Μ. П. Авенаріуса стосуються термоелектрики та молекулярної фізики. Вчений запропонував і обґрунтував одну з основних формул, яка описує явище термоелектрики (закон Авенаріуса). У галузі молекулярної фізики Μ. П. Авенаріус вивчав рідкий стан і пару речовин в умовах змінення температур і тисків. Протягом 1873-1877 рр. Авенаріус разом зі своїми учнями одержав кількісні характеристики цих процесів, які увійшли до фізичних довідників того часу. М. П. Авенаріус першим указав на те, що в критичній точці питома теплота випаровування дорівнює нулю. Учений запропонував оригінальну систему розподілу змінних струмів, був ініціатором вивчення сонячної радіації та атмосферної електрики в країні.

Вдосконалена авенаріусом система освітлення демонструвалася на Паризькій електротехнічній виставці у 1881 р., де отримала срібну медаль. За це Михайло Петрович був відзначений найвищою нагородою Французької Республіки — орденом Почесного легіону.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар