Властивості газів
МОЛЕКУЛЯРНІ ЯВИЩА В РІЗНИХ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ
Взаємодія атомів і молекул у газах, рідинах і твердих тілах. Пароутворення (випаровування та кипіння). Конденсація. Питома теплота пароутворення. Насичена і ненасичена пара, їх властивості. Вологість повітря та її вимірювання
Молекули різних речовин взаємодіють силами притягання і відштовхування, що мають електромагнітну природу. Модулі цих сил залежать від відстані між молекулами. Тому потенціальна енергія W, що характеризує інтенсивність таких взаємодій, також залежить від відстані між молекулами (рис. 3.3.2). Значення потенціальної енергії в точці мінімуму - від'ємне, а сили притягання та відштовхування, якщо r = r0, взаємно компенсовані. Унаслідок зменшення відстані між молекулами 1 і 2 (r < r0) завдяки зростанню сили відштовхування потенціальна енергія швидко збільшується, стаючи додатною. За міжмолекулярних відстаней r > r0 потенціальна енергія зростає, залишаючись від'ємною: сили притягання при цьому переважають над силами відштовхування. Коли відстань між молекулами буде в декілька разів більшою за r0, то потенціальна енергія, залишаючись від'ємною, стає малою і прямує до нуля.
У газоподібному стані середня відстань між молекулами набагато більша від r0, тому сили міжмолекулярних взаємодій суттєво не впливають на рух молекул. Кінетична енергія руху молекул газу значно більша від потенціальної енергії їх взаємодії. Молекули газу рухаються хаотично (в довільних напрямах і з довільною швидкістю). Молекула, що складається з декількох атомів, під час свого поступального руху буде ще й обертатися.
У твердому стані відстані між молекулами (атомами) майже дорівнюють r0. Через значні міжатомні взаємодії атоми в твердих тілах здійснюють лише коливальний рух відносно положень рівноваги (у кристалах відносно вузлів кристалічних ґрат). Тому потенціальна енергія взаємодії молекул значно більша від їх кінетичної енергії.
У рідинах сили взаємодії між молекулами слабкіші, ніж у твердих тілах і значно сильніші, ніж у газах. Молекула рідини, коливаючись біля певного положення рівноваги, змінює з часом це положення, перескакуючи до інших молекул. Молекули рідини здійснюють коливальний, поступальний і обертальний рухи. У рідинах відстані між молекулами сумірні з їх ефективним діаметром, тому сили взаємодії молекул є значними. У цілому кінетична енергія молекул рідин приблизно дорівнює їх потенціальній енергії.
Отже, молекули рідини знаходяться в неперервному хаотичному русі. Якщо молекула випадково з'являється біля поверхні внаслідок підштовхування знизу іншою, то вона може набути швидкості, достатньої для подолання притягання з боку інших молекул і вийти в простір над рідиною. Сукупність молекул, що знаходяться в цьому просторі, називають парою, а процес переходу рідини в стан пари - пароутворенням.
Пароутворення з вільної поверхні рідини називають випаровуванням. Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, в бік рідини, і до неї повернутись. Процес переходу молекул пари в рідину називають конденсацією. Оскільки з рідини під час випаровування вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість тих молекул, що залишились, зменшується, тому під час випаровування рідина охолоджується. Для підтримання температури такої рідини сталою необхідно підводити тепло. Унаслідок конденсації затрачене для випаровування тепло повертається.
Накриємо посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою наступить стан теплової рівноваги. При цьому кількість молекул, що випаровуються за час Dt, стане дорівнювати кількості молекул, які утворюють конденсат за такий самий час.
Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Зрідка вдається одержати насичену пару і у відчинених посудинах.
Тиск насиченої пари наближено можна розрахувати за виразом основного рівняння МКТ:
p = nkT.
Оскільки концентрація молекул насиченої пари не залежить від об'єму за сталої температури, то і тиск насиченої пари не залежить від об'єму, а залежить від температури. Ці закономірності встановлено експериментально. З підвищенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (рис.3.3.3, ділянка АВ), бо під час нагрівання тиск насиченої пари збільшується не тільки через підвищення температури, а й унаслідок збільшення концентрації молекул (густини) пари.
Коли вся рідина випарується, пара за подальшого нагрівання стане вже ненасиченою і її тиск за сталого об'єму зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (рис.3.3.3, ділянка ВС).
Описати стан ненасиченої пари можна використовуючи закони ідеального газу, а стан насиченої пари - за рівнянням Клапейрона-Менделеєва за низьких температур і малих концентрацій:
де p0 і r0 - відповідно тиск і густина насиченої пари.
У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Випаровування відбувається за будь-якої температури. Особливим видом випаровування є процес кипіння.
Кипіння - процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а і в її об'ємі. У рідині завжди містяться бульбашки розчиненого в ній газу, вони заповнені насиченою парою. За звичайної температури тиск насиченої пари бульбашок набагато менший від зовнішнього тиску, тому ці бульбашки сплюснуті і мають мікроскопічні розміри:
pатм + rgh + pкр > pнас,
де pатм - атмосферний тиск; rgh - гідростатичний тиск рідини; pкр - тиск, зумовлений кривизною поверхні бульбашки (тиск Лапласа).
З підвищенням температури тиск насиченої пари в бульбашці зростає (p = nkT). За деякої граничної температури для кожної рідини, яку називають температурою кипіння, тиск пари всередині бульбашок переважає зовнішній, внаслідок чого бульбашки збільшуються в об'ємі і під дією сили Архімеда спливають на поверхню та лопаються (рис.3.3.4). На місці цих бульбашок утворюються інші, і вся рідина закипає. Кипіння починається вже при температурі, що відповідає рівності pнас = pзовн. Чим більший зовнішній тиск, тим вищою буде температура кипіння і навпаки. Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску насиченої пари. Чим більший тиск насиченої пари, тим менша температура кипіння. Чим менший тиск насиченої пари, тим більша температура кипіння.
Завдяки якісній обробці поверхонь посудини та очищенню самої рідини можна досягти практичної відсутності в ній центрів пароутворення, що призводить до того, що кипіння не відбувається навіть за температур вищих від температури кипіння. Таку рідину називають перегрітою.
Важлива характеристика процесів випаровування і конденсації - питома теплота пароутворення. Це фізична скалярна величина r, що чисельно дорівнює кількості теплоти, потрібної для перетворення 1 кг рідини в пару при температурі її кипіння. Її в СІ вимірюють у джоулях на кілограм; [r] = Дж/кг.
Питому теплоту пароутворення можна визначити не тільки при температурі кипіння, а й під час пароутворення за будь-якої температури. У цьому разі питома теплота пароутворення буде залежною від температури.
Для випаровування рідини масою m їй треба надати кількість теплоти:
Q = rm.
Під час конденсації 1 кг пари буде виділятися теплота, що чисельно дорівнює кількості теплоти пароутворення з 1 кг рідини.
З підвищенням температури рідини зростає тиск насиченої пари і одночасно зростає її густина r0, а густина рідини зменшується rp. За деякої температури, яку називають критичною, r0 = rp (рис.3.3.5).
Критична температура - це температура, за якої зникає відмінність у фізичних властивостях рідини й її насиченої пари. Цей стан називають критичним станом речовини. В Україні вперше дослідив цей стан професор Київського університету М. П. Авенаріус за методом зникнення меніска.
У разі критичної температури густина і тиск насиченої пари стають максимальними, а густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою, - мінімальною. Питома теплота пароутворення зменшується із зростання температури і за критичної температури дорівнює нулю.
Кожна речовина має свою критичну температуру. Наприклад, критична температура води приблизно дорівнює 375 оС.
Особливе значення критичної температури полягає в тому, що якщо температури вищі за критичну, газ не можна перетворити в рідину ні за яких значень тиску.
З поверхні водойм, вологого ґрунту, листків рослин, легенів і шкіри тварин та людини в атмосферу Землі випаровується величезна кількість водяної пари (1014 т/рік), тому атмосферне повітря завжди вологе. Вміст водяної пари в повітрі, тобто його вологість, можна охарактеризувати декількома величинами.
Атмосферне повітря є сумішшю різних газів (N2 = 78 %, O2 = 21 %, інертні гази, водяна пара). Тиск, який чинила б водяна пара, коли б не було інших газів, називають парціальним тиском водяної пари. Парціальний тиск пари ще називають пружністю. За парціальним тиском водяної пари не можна судити про те, наскільки водяна пара в цих умовах близька до насиченої. Тому ввели величину, яка показує наскільки водяна пара за певної температури близька до насичення - відносну вологість повітря.
Відносна вологість - це відношення парціального тиску водяної пари p, що міститься в повітрі за певної температури, до тиску pн насиченої пари (за такої самої температури), виражена у відсотках:
Абсолютна вологість - це кількість водяної пари в повітрі, виражена для зручності в грамах на кубічний метр (г/м3), або це густина ненасиченої пари. Через густину пари можна знаходити й відносну вологість, адже згідно з рівнянням (3.3.1) тиск пари пропорційний її густині, або відносна вологість дорівнює:
де r - відповідно густина ненасиченої пари (абсолютна вологість); r0 - густина насиченої водяної пари.
Вологість повітря вимірюють спеціальними приладами - психрометром, гігрометром та ін. Психрометр складається з двох термометрів: резервуар одного з них, який показує температуру повітря, залишається сухим, резервуар другого оточений шматком тканини, опущеної у воду. Вода випаровується і завдяки цьому термометр охолоджується. Чим більша відносна вологість j, тим менш інтенсивне випаровування і тим вищу температуру показує термометр, оточений вологою тканиною. За різницею температур термометрів і спеціальною таблицею можна визначити j повітря.
Для людини сприятливим є значення j = 40 - 60 %. Якщо знижується температура ненасиченої пари, то її відносна вологість буде зростати без додаткового випаровування води.
За деякої температури ненасичена пара перетворюється в насичену. Цю температуру називають точкою роси. Визначити точку роси можна за допомогою гігрометра - пристрою, що має дзеркальну поверхню. Цю поверхню охолоджують під час випаровування леткої рідини типу ефіру і приводять до конденсації пари в шарах повітря, що прилягають до дзеркальної поверхні. За виміряним термометром значенням точки роси знаходять густину пари, що відповідає абсолютній вологості r. Густину насиченої пари при температурі досліду r0 знаходять за табл.14 (див. дод. 3.1.1).
Автор розробив конденсаційний гігрометр, що не потребує використання шкідливої леткої речовини Такий гігрометр (рис.3.3.6) складається з мідного стрижня 1 з нікельованою головкою 2. Цей стрижень поміщають у посудину Дьюара 4 з танучим льодом. Через кілька хвилин дзеркальна поверхня головки стрижня тьмяніє, тобто на ній з'являються краплі роси. Це означає, що температура поверхні гігрометра і температура прилеглого до нього шару повітря досягли точки роси. Цю температуру t', а також температуру t" зникнення роси після виймання власне гігрометра з посудини Дьюара вимірюють за допомогою чутливого датчика температури (диференціальної термопари 3) і мілівольтметра. За точку роси беруть середнє значення виміряних величин t' і t":
Слід зауважити, що під час спостережень між експериментатором і гігрометром розміщують прозорий екран, щоб запобігти впливу дихання на вологість повітря поблизу дзеркальної поверхні.
Вимірюють вологість також за допомогою волосяного гігрометра, дія якого ґрунтується на властивості волосини людини змінювати свою довжину у вологому повітрі. Унаслідок збільшення вологості довжина волосини зростає, а зі зменшенням вологості волосина коротшає.
