§ 15. Пароутворення і конденсація

Вивішена мокра білизна за деякий час стає сухою, висихають клеї й фарби, калюжі після дощу. Ці явища знайомі нам як процеси висихання або випаровування рідин. Вийшовши вранці з дому, ви бачите на траві крапельки води — росу, хоч дощу й не було. Та й чому дощ раптом проливається на нас з неба і що являють собою хмари? Звичайно і на ці питання ви вже знаєте відповіді: пара, яка міститься в повітрі, за певних умов перетворюється на воду і утворює крапельки роси, туману й дощу. У природі й у технічному устаткуванні постійно відбуваються процеси взаємного перетворення рідини й пари. Рідини перетворюються на невидиму для нас пару, тобто переходять у газоподібний стан.

Процес перетворення рідини на пару (газ) називають пароутворенням.

Найчастіше ми спостерігаємо пароутворення, яке відбувається з вільної поверхні рідини.

Пароутворення з вільної поверхні рідини, що відбувається за будь-якої температури, називають випаровуванням.

Досить часто відбуваються і зворотні процеси — невидима для нас пара (газ) перетворюється на рідину ³. Процеси перетворення рідини на газ, а газу на рідину відбуваються на поверхні та в атмосфері Землі й відомі як кругообіг води у природі.

Природа випаровування. Молекули рідини перебувають у постійному безперервному русі. Безладно рухаючись, молекули стикаються одна з одною. Під час зіткнень змінюються значення і напрямки їхніх швидкостей. Серед безлічі молекул рі-

дини є молекули, які у той чи інший момент часу мають більші й менші швидкості. Молекула, яка опинилася в поверхневому шарі, зіштовхнувшись із іншою молекулою, може набути швидкості яка буде достатньою, щоб подолати сили притягання сусідніх молекул і вилітіти за межі рідини. Оскільки молекул дуже багато, то під час їхньої взаємодії за будь-якої температури частина молекул набуває швидкостей, достатніх для подолання сил притягання сусідніх молекул рідини й виходу за її межі. Тому над поверхнею будь-якої рідини завжди є пара — та сама речовина в газоподібному стані.

Випаровування різних рідких речовин за різних умов відбувається з різною швидкістю. Із збільшенням температури рідини швидкість випаровування зростає. Чим вища температура рідини, тим більша кількість молекул набуває швидкостей, достатніх для виходу за її межі. Тому з підвищенням температури рідини процес випаровування стає інтенсивні-шим — кількість молекул рідини, що вилітають з неї за одиницю часу, збільшується.

Ви знаєте, що витерта мокрою ганчіркою підлога швидко висихає, а у відкритій склянці навіть невелика кількість води зберігається тривалий час. Швидкість випаровування рідини залежить від площі її поверхні. Справді, чим більша площа поверхні, тим більше молекул розташовується на межі рідини і повітря, а отже, й більше їх може вилетіти з рідини.

Мокра білизна, калюжі, що утворилися після дощу, значно швидше висихають, коли дме вітер. Це пояснюється тим, що молекули, які вилетіли з рідини, хаотично рухаючись над нею, зазнають зіткнень із молекулами повітря. Зіштовхуються вони й між собою. Під час таких зіткнень частина молекул, які вилетіли з рідини, набуває швидкостей, направлених назад до поверхні, й може повертатися у рідину. Це зменшує швидкість випаровування. Коли дме вітер або штучно створюється рух повітря над поверхнею рідини за допомогою вентилятора, молекули пари відносяться потоком повітря і не можуть повернутися назад у рідину. Тому, наприклад, у пристроях для сушіння фруктів крізь сітку, на яку їх кладуть, за допомогою вентиляторів проганяють тепле повітря.

Намочивши однакові ватні тампони у воді, олії та ацетоні або ефірі, ви легко помітите, що ефір та ацетон випаровуються

значно швидше, ніж вода, а олія, моторне мастило — значно повільніше, ніж вода. Інтенсивність випаровування рідини за однакової температури залежить від хімічного складу самої рідини.

Охолодження під час випаровування. Оскільки з рідини вилітають молекули, які мають великі швидкості, середня швидкість решти молекул рідини зменшується, зменшується й їхня кінетична енергія. Якщо ззовні тепло до рідини не надходить, випаровування спричинює зменшення її внутрішньої енергії та охолодження. Охолодження рідини у разі випаровування легко спостерігати, обмотавши марлею або ватою кульку термометра й обливши її ефіром або навіть водою. Швидко випаровуючись, ефір відбирає частину внутрішньої енергії від кульки термометра, внаслідок цього його температура значно знижується. Вода випаровується не так швидко, проте й у цьому випадку термометр з обмотаною вологою марлею кулькою покаже температуру на 2—3 °С нижчу, ніж термометр, кулька якого суха. У жарких країнах воду зазвичай тримають у пористих глиняних посудинах. Вода повільно просочується крізь пори посудини й випаровується. Внаслідок випаровування з поверхні посудини вода в посудині лишається холодною. Те, що під час випаровування температура рідини знижується, ви відчували й на собі. Коли після купання виходиш із води, її залишки інтенсивно випаровуються, “забираючи” тепло тіла людини.

Конденсація. Процес, зворотний до випаровування, називається конденсацією. Під час охолодження швидкість молекул газу зменшується, зменшуються і відстані між ними. За цих умов сили взаємодії між молекулами пари виявляються достатніми для того, щоб притягнути й утримати їх одна біля одної. Пригадайте, вам досить просто втримати товариша, який проходить повз вас. Якщо ж він швидко біжить, то, навіть ухопивши за руку, утримати його не завжди вдається. Зниження температури зумовлює зменшення швидкості молекул рідини, які містяться в повітрі. Молекули води, наприклад, під час зіткнення притягуються одна до одної, і пара починає скраплюватися, утворюючи маленькі крапельки туману. Саме такий туман ми бачимо біля носика чайника, в якому закипіла вода, та коли видихаємо повітря в холодну погоду.

Густина водяної пари менша за густину повітря. Тому водяна пара піднімається угору, де температура нижча, ніж біля поверхні Землі. Охолоджуючись на висоті, водяна пара конденсується, утворюючи туман, який ми спостерігаємо у вигляді хмар. Коли крапельки туману об’єднуються у великі краплі, вони вже не можуть утримуватися висхідними потоками повітря і проливаються на землю у вигляді дощу.

Випаровуються не тільки рідини, а й тверді тіла. Якщо вивісити мокру білизну на мороз, то вода, яка міститься в ній, замерзає й перетворюється на лід. Проте через деякий час білизна стає сухою. Камфора, нафталін — тверді тіла, але в приміщенні, де вони знаходяться, з’являється їхній запах — це результат випаровування. Випаровування твердих тіл називають сублімацією, або перегонкою. Якщо нагрівати кристали йоду, то, не плавлячись, він перетворюється на газ, що має фіолетовий колір.

При охолодженні пара теж може відразу утворювати кристали. Саме без перетворення на рідину внаслідок охолодження пари, що міститься в повітрі, виникають кристалики льоду, утворюючи іній, сніжинки, морозяні візерунки на шибках вікон.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Який процес називають випаровуванням?

2.    Як можна пояснити процес випаровування на підставі уявлень про молекулярну будову речовини?

3.    Від чого залежить швидкість процесу випаровування?

4.    Що таке сублімація?

5.    Який процес називають конденсацією?

6.    Чому на вітрі білизна висихає швидше?

7.    Чому скручена ганчірка довше, ніж не скручена, залишається вологою?

8.    Чому під час випаровування рідина охолоджується?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко