Si dans un espace contenant de la vapeur d'un liquide, une évaporation supplémentaire de ce liquide peut se produire, alors la vapeur située dans cet espace est appelée vapeur insaturée.
En modifiant le volume de vapeur insaturée, on remarquera que sa pression change également : à mesure que le volume diminue, la pression augmente, et à mesure que le volume augmente, la pression diminue.
Laissez le tube B être élevé si haut qu'il contienne Pas vapeur saturée. La pression de cette vapeur est égale à H – h, où H – Pression atmosphérique. Si vous abaissez ensuite le tube, le niveau de mercure qu'il contient diminuera : h 1< h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h 1 >H-H). La pression de la vapeur augmentera jusqu'à ce que la vapeur devienne saturée. Le liquide apparaîtra au-dessus du mercure. A partir du moment où la vapeur est saturée, sa pression deviendra constante et égale à H – h 2. Ce sera la pression de vapeur la plus élevée à une température donnée.
La vapeur produit la plus grande pression à une température donnée en état de saturation.
Graphiquement, la transition d'une vapeur insaturée en liquide en réduisant son volume sans changer de température est représentée par la courbe ABCD. La partie AB de cette courbe correspond à la vapeur insaturée, le point B à l'état de saturation, la ligne BC à la condensation de la vapeur et CD au liquide. La courbe ABCD est appelée isotherme vapeur-liquide.
La vapeur insaturée peut être amenée à un état de saturation non seulement en réduisant son volume, mais également en abaissant sa température. Ainsi, si vous versez de l'éther sur la partie extérieure du tube B, l'éther, en s'évaporant, le refroidira, ce qui fera que la vapeur insaturée entrera dans un état de saturation et se transformera partiellement en liquide.
Cette propriété de la vapeur explique la buée des objets froids amenés dans une pièce chaude, la formation de brouillard, de rosée, etc. Ainsi, le passage de la vapeur d'un état insaturé à un état saturé s'effectue de deux manières : 1) en abaissant la température et 2) augmenter la pression (diminuer le volume).
La transition inverse d'un état saturé à un état insaturé est obtenue : 1) sans changement de température en diminuant la pression (augmentation du volume) et 2) en augmentant la température de la vapeur.
Si vous chauffez soigneusement un tube contenant de la vapeur saturante, le liquide au-dessus du mercure s'évaporera progressivement et, avec un chauffage supplémentaire, il y aura de la vapeur insaturée au-dessus du mercure.
En ingénierie, la vapeur insaturée produite par la surchauffe de la vapeur saturée est appelée vapeur surchauffée. Pour le travail machines à vapeur Actuellement, on utilise exclusivement de la vapeur surchauffée, ayant une température de 150 à 600°C.
Avant de répondre à la question posée dans le titre de l’article, voyons ce qu’est la vapeur. Les images qui surgissent chez la plupart des gens en entendant ce mot : une bouilloire ou une poêle bouillante, un hammam, boisson chaude et bien d'autres photos similaires. D'une manière ou d'une autre, dans nos idées, un liquide et une substance gazeuse s'élèvent au-dessus de sa surface. Si on vous demande de donner un exemple de vapeur, vous retiendrez immédiatement la vapeur d'eau, l'alcool, l'éther, l'essence, l'acétone.
Il existe un autre mot pour les états gazeux : gaz. Ici, on retient généralement l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et d'autres gaz, sans les associer aux liquides correspondants. De plus, il est bien connu qu’ils existent à l’état liquide. À première vue, les différences sont que la vapeur correspond aux liquides naturels et que les gaz doivent être spécialement liquéfiés. Cependant, ce n’est pas entièrement vrai. De plus, les images qui naissent du mot vapeur ne sont pas de la vapeur. Pour donner une réponse plus précise, regardons comment la vapeur apparaît.
En quoi la vapeur est-elle différente du gaz ?
L'état physique d'une substance est déterminé par la température, plus précisément par le rapport entre l'énergie avec laquelle ses molécules interagissent et l'énergie de leur mouvement thermique chaotique. Approximativement, nous pouvons supposer que si l’énergie d’interaction est significativement plus grande – état solide, si l'énergie du mouvement thermique est nettement supérieure - gazeuse, si les énergies sont comparables - liquide.
Il s'avère que pour qu'une molécule se détache du liquide et participe à la formation de vapeur, la quantité d'énergie thermique doit être supérieure à l'énergie d'interaction. Comment cela peut-il arriver ? vitesse moyenne le mouvement thermique des molécules est égal à une certaine valeur en fonction de la température. Cependant, les vitesses individuelles des molécules sont différentes : la plupart d'entre elles ont des vitesses proches de la valeur moyenne, mais certaines ont des vitesses supérieures à la moyenne, d'autres inférieures.
Des molécules plus rapides peuvent avoir l'énérgie thermique supérieure à l'énergie d'interaction, ce qui signifie qu'une fois à la surface d'un liquide, ils sont capables de s'en détacher en formant de la vapeur. Cette méthode de vaporisation est appelée évaporation. En raison de la même répartition des vitesses, le processus inverse existe également : la condensation : les molécules de la vapeur passent dans le liquide. À propos, les images qui apparaissent généralement lorsque l’on entend le mot vapeur ne sont pas de la vapeur, mais le résultat du processus inverse : la condensation. La vapeur n'est pas visible.
Dans certaines conditions, la vapeur peut devenir liquide, mais pour cela, sa température ne doit pas dépasser une certaine valeur. Cette valeur est appelée température critique. La vapeur et le gaz sont des états gazeux qui diffèrent par la température à laquelle ils existent. Si la température ne dépasse pas la température critique, c'est de la vapeur ; si elle la dépasse, c'est du gaz. Si vous maintenez la température constante et réduisez le volume, la vapeur se liquéfie, mais le gaz ne se liquéfie pas.
Qu'est-ce que la vapeur saturée et insaturée
Le mot « saturé » lui-même véhicule certaines informations ; il est difficile de saturer une grande partie de l’espace. Cela signifie que pour obtenir de la vapeur saturée, il faut limiter l'espace dans lequel se trouve le liquide. La température doit être inférieure à la température critique pour une substance donnée. Désormais, les molécules évaporées restent dans l’espace où se trouve le liquide. Au début, la plupart des transitions moléculaires se produiront à partir du liquide et la densité de vapeur augmentera. Cela entraînera à son tour plus grand nombre transitions inverses des molécules en liquide, ce qui augmentera la vitesse du processus de condensation.
Enfin, on établit un état pour lequel le nombre moyen de molécules passant d'une phase à l'autre sera égal. Cette condition est appelée Équilibre dynamique. Cet état est caractérisé par le même changement dans l'ampleur et la direction des taux d'évaporation et de condensation. Cet état correspond à la vapeur saturée. Si l’état d’équilibre dynamique n’est pas atteint, cela correspond à de la vapeur insaturée.
Ils débutent l'étude d'un objet, toujours par son modèle le plus simple. Dans la théorie de la cinétique moléculaire, il s'agit d'un gaz parfait. Les principales simplifications ici sont la négligence du volume propre des molécules et de l’énergie de leur interaction. Il s’avère qu’un tel modèle décrit de manière tout à fait satisfaisante la vapeur insaturée. Par ailleurs, moins il est saturé, plus son usage est légitime. Gaz parfait- c'est un gaz ; il ne peut devenir ni vapeur ni liquide. Par conséquent, pour la vapeur saturée, un tel modèle n’est pas adéquat.
Les principales différences entre la vapeur saturée et insaturée
- Saturé signifie que l'objet possède le plus grand des valeurs possibles certains paramètres. Pour un couple, c'est densité et pression. Ces paramètres pour la vapeur non saturée ont valeurs plus petites. Plus la vapeur est éloignée de la saturation, plus ces valeurs sont faibles. Une précision : la température de référence doit être constante.
- Pour la vapeur non saturée : Loi Boyle-Mariotte: si la température et la masse du gaz sont constantes, une augmentation ou une diminution de volume entraîne une diminution ou une augmentation de pression d'autant, la pression et le volume sont inversement liés dépendance proportionnelle. De la densité et de la pression maximales à Température constante Il s'ensuit qu'ils sont indépendants du volume de vapeur saturée ; il s'avère que pour la vapeur saturée, la pression et le volume ne dépendent pas l'un de l'autre.
- Pour vapeur insaturée la densité ne dépend pas de la température, et si le volume est maintenu, la valeur de densité ne change pas. Pour la vapeur saturée, tout en conservant le volume, la densité change si la température change. Dépendance en dans ce cas droit. Si la température augmente, la densité augmente également, si la température diminue, la densité change également.
- Si le volume est constant, la vapeur insaturée se comporte conformément à la loi de Charles : à mesure que la température augmente, la pression augmente également du même facteur. Cette dépendance est dite linéaire. Pour la vapeur saturée, à mesure que la température augmente, la pression augmente plus rapidement que pour la vapeur non saturée. La dépendance est exponentielle.
Pour résumer, on peut noter des différences significatives dans les propriétés des objets comparés. La principale différence est que la vapeur, en état de saturation, ne peut être considérée isolément de son liquide. Il s’agit d’un système en deux parties auquel la plupart des lois sur le gaz ne peuvent pas s’appliquer.
Tutoriel vidéo 2 : Dépendance de la température à la pression de la vapeur. point de rosée
Conférence: Paires saturées et insaturées
Vaporisation et condensation
Les solides diffèrent des liquides par la position plus stable de leurs molécules. Les liquides ont des forces attractives, mais elles ne sont pas toujours suffisantes. Si une molécule d'une substance liquide reçoit de l'énergie cinétique, ce qui permet aux unités structurelles de se libérer, elles sont alors capables de quitter la surface du liquide et de s'envoler dans le gaz situé au-dessus. Certaines molécules deviennent insuffisamment énergétiques et retournent dans le liquide.
Le processus par lequel les molécules quittent un liquide est appelé vaporisation. Le processus inverse de vaporisation est appelé condensation.
Il existe deux types de formation d’état de vapeur : l’évaporation et l’ébullition.
Évaporation
Le processus d'évaporation est caractérisé par la capacité des molécules liquides à quitter les couches supérieures à n'importe quelle température. Dès que la molécule quitte la surface, la température du liquide diminue. Cela se produit parce que de l’énergie est nécessaire pour arracher une unité structurelle et que lorsque l’énergie est consommée, la température baisse.
C'est pourquoi le corps humain produit de la sueur. En raison de son évaporation, la température corporelle baisse. Chacun de nous, quittant une rivière, une mer ou un autre plan d'eau, a ressenti un frisson - cela est dû à l'évaporation.
Le taux d'évaporation dépend:
1. De la taille Surface libre liquides. Si vous prenez une tasse et une assiette du même volume, l'évaporation de l'assiette se produira plus rapidement en raison de la plus grande surface.
2. Du type de liquide. L'eau s'évapore plus rapidement que l'alcool, par exemple. Plus c'est facile unité structurelle substances, plus l’évaporation est rapide.
3. De la température du liquide. Plus la température est élevée, plus le processus est rapide.
4. De la pression environnement . Si la pression est élevée, le liquide ne peut pas quitter la surface et l'évaporation se déroule donc plus lentement.
5. Si le liquide se trouve dans un espace fermé, il est plus difficile de s'évaporer.. La vitesse dépend donc de la quantité de vapeur d’eau au-dessus de la surface du liquide.
Paires : saturées et insaturées
Imaginez que vous preniez deux vaisseaux. Dont l'un était recouvert d'un couvercle. L'évaporation et la condensation se produisent dans les deux récipients.
Dans un récipient qui n'est pas fermé, le nombre de molécules qui s'évaporent est supérieur à celles qui reviennent. Une telle vapeur est dite insaturée. Dans un récipient fermé, le nombre de molécules qui quittent le liquide est égal à celui qui y revient. Une telle vapeur est dite saturée.
Ébullition
Ce processus de transition du liquide vers état gazeux se produit à partir de tout le volume et à une certaine température. Chaque liquide a son propre point d'ébullition. Pour l’eau, par exemple, à pression normale, le point d’ébullition est de 100 degrés. Plus la pression est basse, plus le point d’ébullition est bas. Ainsi, sur haute montagne Vous pouvez faire bouillir de l'eau à une température plus basse.
Notez simplement qu'il est presque impossible de cuire de la viande dans une telle eau - cela nécessite une température plus élevée.
Lors de l'ébullition, les bulles de gaz contenues dans le liquide quittent son volume. Il est plus difficile de faire bouillir à nouveau l'eau, car il n'y a pas de bulles. L'ébullition commence lorsque la pression dans les bulles est inférieure à celle dans le liquide - elles commencent à éclater.
Les liquides ont tendance à s'évaporer. Si nous laissions tomber une goutte d'eau, d'éther et de mercure sur la table (ne faites pas ça à la maison !), nous pourrions observer comment les gouttes disparaissent progressivement - s'évaporent. Certains liquides s'évaporent plus rapidement, d'autres plus lentement. Le processus d’évaporation d’un liquide est également appelé vaporisation. Et le processus inverse de transformation de la vapeur en liquide est la condensation.
Ces deux processus illustrent transition de phase – le processus de transition des substances d'un état d'agrégation à un autre :
- évaporation (passage de l'état liquide à l'état gazeux) ;
- condensation (passage d'un état gazeux à un état liquide) ;
- désublimation (passage de l'état gazeux à l'état solide en contournant la phase liquide) ;
- la sublimation, également appelée sublimation (passage de l'état solide à l'état gazeux, contournement du liquide).
C'est d'ailleurs la bonne saison pour observer le processus de désublimation dans la nature : le gel et le givre sur les arbres et les objets, les motifs givrés sur les fenêtres en sont le résultat.
Comment se forme la vapeur saturée et insaturée
Mais revenons à la vaporisation. Nous continuerons à expérimenter et à verser du liquide - de l'eau, par exemple, dans un récipient ouvert et à y connecter un manomètre. Invisible à l’œil nu, l’évaporation se produit dans la cuve. Toutes les molécules liquides sont en mouvement continu. Certains bougent si vite qu'ils énergie cinétique s'avère plus fort que celui qui lie les molécules liquides entre elles.
Ayant quitté le liquide, ces molécules continuent de se déplacer de manière chaotique dans l'espace, la grande majorité d'entre elles s'y dispersent - c'est ainsi vapeur insaturée. Seule une petite partie d’entre eux retourne dans le liquide.
Si nous fermons le récipient, le nombre de molécules de vapeur augmentera progressivement. Et ils seront de plus en plus nombreux à retourner dans le liquide. Cela augmentera la pression de la vapeur. Ceci sera enregistré par un manomètre connecté au navire.
Après un certain temps, le nombre de molécules sortant du liquide et y revenant sera égal. La pression de la vapeur cessera de changer. Par conséquent saturation de la vapeur l'équilibre thermodynamique du système liquide-vapeur sera établi. Autrement dit, l'évaporation et la condensation seront égales.
Propriétés de la vapeur saturée
Pour les illustrer clairement, nous utilisons une autre expérience. Utilisez toute la puissance de votre imagination pour l'imaginer. Prenons donc un manomètre à mercure, composé de deux coudes - tubes communicants. Les deux sont remplis de mercure, une extrémité est ouverte, l'autre est scellée, et au-dessus du mercure il y a encore une certaine quantité d'éther et sa vapeur saturée. Si vous abaissez et relevez le genou non scellé, le niveau de mercure dans celui scellé diminuera et augmentera également.
Dans ce cas, la quantité (volume) de vapeur d’éther saturée changera également. La différence entre les niveaux de colonnes de mercure dans les deux branches du manomètre montre la pression de vapeur saturée de l'éther. Il restera inchangé tout le temps.
Cela implique la propriété de la vapeur saturée : sa pression ne dépend pas du volume qu'elle occupe. Pression vapeurs saturées différents liquides (eau et éther, par exemple) sont différents à la même température.
Cependant, la température de la vapeur saturée compte. Plus la température est élevée, plus la pression est élevée. La pression de la vapeur saturée augmente avec la température plus rapidement que celle de la vapeur insaturée. La température et la pression de la vapeur insaturée sont liées de manière linéaire.
Une autre expérience intéressante peut être réalisée. Prenez un flacon vide sans vapeur de liquide, fermez-le et branchez le manomètre. Petit à petit, goutte à goutte, ajoutez du liquide dans le flacon. Au fur et à mesure que le liquide entre et s’évapore, la pression de vapeur saturée s’établit, la plus élevée pour un liquide donné à une température donnée.
En savoir plus sur la température et la vapeur saturée
La température de la vapeur affecte également le taux de condensation. Tout comme la température d'un liquide détermine le taux d'évaporation, c'est-à-dire le nombre de molécules qui s'échappent de la surface du liquide par unité de temps, en d'autres termes.
Pour la vapeur saturée, sa température est égale à la température du liquide. Plus la température de la vapeur saturée est élevée, plus sa pression et sa densité sont élevées, plus la densité du liquide est faible. Lorsque la température critique d’une substance est atteinte, la densité du liquide et de la vapeur est la même. Si la température de la vapeur est supérieure à la température critique de la substance, différences physiques entre le liquide et la vapeur saturée sont effacés.
Détermination de la pression de vapeur saturée dans un mélange avec d'autres gaz
Nous avons parlé du fait que la pression de vapeur saturée était constante à température constante. Nous avons déterminé la pression dans des conditions « idéales » : lorsqu'un récipient ou un flacon contient du liquide et de la vapeur d'une seule substance. Considérons également une expérience dans laquelle les molécules d'une substance sont dispersées dans l'espace en mélange avec d'autres gaz.
Pour ce faire, prenez deux cylindres en verre ouverts et placez des récipients fermés contenant de l'éther dans les deux. Comme d'habitude, connectons les manomètres. Nous ouvrons un récipient avec de l'éther, après quoi le manomètre enregistre l'augmentation de la pression. La différence entre cette pression et la pression dans un cylindre avec un récipient fermé d'éther permet de connaître la pression de la vapeur saturée d'éther.
À propos de la pression et de l'ébullition
L'évaporation est possible non seulement à partir de la surface du liquide, mais également dans son volume - on parle alors d'ébullition. À mesure que la température du liquide augmente, des bulles de vapeur se forment. Lorsque la pression de vapeur saturée est supérieure ou égale à la pression du gaz dans les bulles, le liquide s'évapore dans les bulles. Et ils se dilatent et remontent à la surface.
Les liquides bout à différentes températures. Dans des conditions normales, l'eau bout à 100 0 C. Mais avec un changement de pression atmosphérique, le point d'ébullition change également. Ainsi, dans les montagnes, où l'air est très raréfié et la pression atmosphérique plus basse, à mesure que l'on monte dans les montagnes, le point d'ébullition de l'eau diminue.
À propos, faire bouillir dans un récipient hermétiquement fermé est impossible du tout.
Un autre exemple de la relation entre la pression de vapeur et l’évaporation est démontré par la caractéristique suivante de la teneur en vapeur d’eau de l’air : humidité relative air. C'est le rapport entre la pression partielle de vapeur d'eau et la pression de vapeur saturée et est déterminé par la formule : φ = r/r o * 100 %.
À mesure que la température de l'air diminue, la concentration de vapeur d'eau augmente, c'est-à-dire ils deviennent plus saturés. Cette température est appelée point de rosée.
Résumons-le
À l'aide d'exemples simples, nous avons analysé l'essence du processus d'évaporation et la vapeur insaturée et saturée qui en résulte. Vous pouvez observer tous ces phénomènes autour de vous chaque jour : par exemple, voir des flaques d'eau sécher dans les rues après la pluie ou un miroir embué à cause de la vapeur dans la salle de bain. Dans la salle de bain, vous pouvez même observer comment la formation de vapeur se produit d'abord, puis l'humidité accumulée sur le miroir se condense à nouveau en eau.
Vous pouvez également utiliser ces connaissances pour rendre votre vie plus confortable. Par exemple, en hiver, l’air de nombreux appartements est très sec, ce qui nuit au bien-être. Vous pouvez utiliser un humidificateur moderne pour le rendre plus humide. Ou, à l'ancienne, placez un récipient d'eau dans la pièce : en s'évaporant progressivement, l'eau saturera l'air de ses vapeurs.
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La vapeur qui n’est pas en équilibre avec son liquide est dite insaturée.
Pour différents liquides, l'équilibre dynamique avec la vapeur se produit lorsque différentes densités paire. La raison en est la différence dans les forces d’interaction intermoléculaire. Dans les liquides dans lesquels les forces d'attraction intermoléculaires sont fortes, comme le mercure, seules les molécules « les plus rapides », dont le nombre est insignifiant, peuvent s'envoler du liquide. Par conséquent, pour de tels liquides, même à faible densité de vapeur, un état d'équilibre se produit. Dans les liquides volatils avec une faible force d'attraction entre les molécules, par exemple l'éther, à la même température, de nombreuses molécules peuvent s'envoler hors du liquide. C'est pourquoi état d'équilibre se produit uniquement à une densité de vapeur significative.
La vapeur saturée a une densité et une pression maximales à une température donnée.
§6.3. Isothermes du gaz réel
Pour une élucidation plus détaillée des conditions dans lesquelles les transformations mutuelles du gaz et du liquide sont possibles, de simples observations de l'évaporation du liquide ne suffisent pas. Vous devez surveiller attentivement les changements de pression vrai gaz en fonction de son volume à différentes températures.
Qu'il y ait du dioxyde de carbone dans le cylindre sous le piston (Fig. 6.3). Nous allons le comprimer lentement, pendant que nous travaillons sur le gaz, ce qui devrait augmenter l'énergie interne du gaz. Si l'on veut réaliser le processus à température constante T, il faut alors assurer un bon échange thermique entre le cylindre et l'environnement. Pour ce faire, vous pouvez placer la bouteille dans un grand récipient contenant un liquide à température constante (thermostat) et comprimer le gaz si lentement que la chaleur a le temps de se transférer du gaz aux corps environnants.
En réalisant cette expérience, vous remarquerez qu'au début, lorsque le volume est suffisamment grand ( V > V 2 , voir fig. 6.3), pression gaz carbonique avec une diminution du volume, il augmente conformément à la loi de Boyle-Mariotte, puis avec une nouvelle augmentation de la pression, de légers écarts par rapport à cette loi sont observés. Cette relation entre la pression et le volume de gaz est représentée graphiquement dans la courbe de la figure 6.3. UN B.
Avec une nouvelle diminution du volume, à partir de la valeur V 2 , la pression dans le cylindre sous le piston cesse de changer. Si vous regardez dans le cylindre à travers une fenêtre de visualisation spéciale, vous verrez qu'une partie du volume du cylindre est occupée par un liquide transparent. Cela signifie que le gaz (vapeur) s'est transformé en vapeur saturée et qu'une partie s'est transformée en liquide, c'est-à-dire condensée.
À mesure que nous continuons à comprimer le contenu du cylindre, nous remarquerons que la quantité de liquide dans le cylindre augmente et que l’espace occupé par la vapeur saturée diminue. La pression indiquée par le manomètre reste constante jusqu'à ce que tout l'espace sous le piston soit rempli de liquide. Ce processus est décrit dans la figure 6.3 par la section Soleil arts graphiques.
Par la suite, avec une légère diminution de volume, à partir de la valeur V3, la pression augmente très fortement (section CD arts graphiques; voir fig. 6.3). Cela s'explique par le fait que les liquides sont peu compressibles.
Puisque le processus considéré s'est produit à une température constante T, le graphique A B C D (voir Fig. 6.3), illustrant la dépendance de la pression du gaz R. du volume V, appelé l'isotherme d'un gaz réel. Parcelle UN B (V > V 2 ) correspond à de la vapeur insaturée, surface Soleil (V 3 < V < V 2 ) - l'état d'équilibre du liquide et de sa vapeur saturée, et la section CD (V < V 3 ) - état liquide d'une substance.
Les expériences montrent que les isothermes d'autres substances ont la même forme si leur température n'est pas trop élevée.
