Évaporation des liquides. Saturé et vapeurs insaturées. Pression de vapeur saturée. Humidité de l'air.

Évaporation- la vaporisation qui se produit à n'importe quelle température avec surface libre liquides. Répartition inégale L'énergie cinétique des molécules lors du mouvement thermique conduit au fait qu'à n'importe quelle température, l'énergie cinétique de certaines molécules d'un liquide ou solide peut dépasser énergie potentielle leurs connexions avec d'autres molécules. Les molécules ayant une plus grande vitesse ont une plus grande énergie cinétique et la température d'un corps dépend de la vitesse de déplacement de ses molécules. L'évaporation s'accompagne donc d'un refroidissement du liquide. Le taux d'évaporation dépend de : la surface ouverte, la température et la concentration de molécules à proximité du liquide.

Condensation- le processus de transition d'une substance d'un état gazeux à un état liquide.

L'évaporation d'un liquide dans un récipient fermé à température constante entraîne une augmentation progressive de la concentration des molécules de la substance qui s'évapore à l'état gazeux. Quelque temps après le début de l'évaporation, la concentration de la substance à l'état gazeux atteindra une valeur à laquelle le nombre de molécules retournant au liquide deviendra égal au nombre molécules quittant le liquide pendant le même temps. Un équilibre dynamique s'établit entre les processus d'évaporation et de condensation de la substance. Une substance à l’état gazeux qui est en équilibre dynamique avec un liquide est appelée vapeur saturée. (La vapeur est l'ensemble des molécules qui quittent le liquide pendant le processus d'évaporation.) La vapeur à une pression inférieure à la pression saturée est dite insaturée.

En raison de l'évaporation constante de l'eau des surfaces des réservoirs, du sol et de la végétation, ainsi que de la respiration des humains et des animaux, l'atmosphère contient toujours de la vapeur d'eau. La pression atmosphérique est donc la somme de la pression de l’air sec et de la vapeur d’eau qu’il contient. La pression de vapeur d’eau sera maximale lorsque l’air sera saturé de vapeur. La vapeur saturée, contrairement à la vapeur insaturée, n'obéit pas aux lois des gaz parfaits. Ainsi, la pression de vapeur saturée ne dépend pas du volume, mais de la température. Cette dépendance ne peut pas être exprimée par une formule simple, c'est pourquoi, sur la base d'une étude expérimentale de la dépendance de la pression de vapeur saturée à la température, des tableaux ont été établis à partir desquels sa pression peut être déterminée à différentes températures.

La pression de la vapeur d’eau dans l’air à une température donnée est appelée humidité absolue ou pression de vapeur d’eau. La pression de vapeur étant proportionnelle à la concentration de molécules, l’humidité absolue peut être définie comme la densité de vapeur d’eau présente dans l’air à une température donnée, exprimée en kilogrammes par mètre cube (p).

La plupart des phénomènes observés dans la nature, comme le taux d'évaporation, le séchage diverses substances Le flétrissement des plantes ne dépend pas de la quantité de vapeur d'eau dans l'air, mais de la proximité de cette quantité avec la saturation, c'est-à-dire de l'humidité relative, qui caractérise le degré de saturation de l'air en vapeur d'eau. À basse température et à forte humidité, le transfert de chaleur augmente et la personne devient hypothermique. À températures élevées et l'humidité, le transfert de chaleur, au contraire, est fortement réduit, ce qui entraîne une surchauffe du corps. Le plus favorable pour l'homme dans les latitudes climatiques moyennes est humidité relative 40-60%. L'humidité relative est le rapport entre la densité (ou pression) de vapeur d'eau dans l'air à une température donnée et la densité (ou pression) de vapeur d'eau à la même température, exprimé en pourcentage, c'est-à-dire

L'humidité relative varie considérablement. De plus, la variation journalière de l’humidité relative est à l’opposé de la variation journalière de la température. Pendant la journée, avec l'augmentation de la température et, par conséquent, avec l'augmentation de la pression de saturation, l'humidité relative diminue et la nuit, elle augmente. La même quantité de vapeur d’eau peut saturer ou non l’air. En abaissant la température de l'air, la vapeur qu'il contient peut être amenée à saturation. Le point de rosée est la température à laquelle la vapeur présente dans l'air devient saturée. Lorsque le point de rosée est atteint dans l'air ou sur les objets avec lesquels il entre en contact, la vapeur d'eau commence à se condenser. Pour déterminer l'humidité de l'air, des instruments appelés hygromètres et psychromètres sont utilisés.

En raison du mouvement thermique, certaines molécules à la surface du liquide ont des vitesses suffisamment élevées pour vaincre les forces de cohésion qui maintiennent les molécules dans le liquide et quittent le liquide. Ce phénomène est appelé évaporation. À la suite de la collision, les molécules de vapeur peuvent à nouveau se retrouver près de la surface du liquide et pénétrer plus profondément.

Ainsi, des molécules individuelles quittent le liquide et y retournent. S'il plante plus de molécules puis il revient, le liquide s'évapore. Si au contraire il plante plus petit nombre molécules que les retours, une condensation de vapeur se produit. Dans le cas où le même nombre de molécules quittent un liquide à leur retour, un équilibre s'établit entre la vapeur et le liquide. Steam dans ce cas s'appelle riche. La pression de vapeur saturée à température constante est une valeur constante.

Pression de vapeur saturée pour certaines substances à T = 20 °C

Pour une solution, la pression de vapeur saturée est la somme des pressions vapeurs saturées composants de la solution en tenant compte de leurs concentrations et est déterminé par la loi de Raoult.

La valeur de la pression de vapeur saturée caractérise la volatilité du liquide. Dernière caractéristique est pratiquement très important pour phase liquide développeurs lors de leur utilisation sur le terrain, en particulier pendant la période automne-hiver, lorsque la température de l'air baisse et que la productivité du processus de contrôle chute fortement en raison du long séchage du révélateur. De plus, la volatilité est associée à la sécurité environnementale du détecteur de défauts, ainsi qu'à la sécurité incendie et explosion de l'ensemble de l'installation.

Condensation capillaire- il s'agit de la condensation de la vapeur dans les capillaires et les microfissures des corps poreux, ainsi que dans les espaces entre particules ou corps solides étroitement adjacents. La condensation capillaire commence par l'adsorption des molécules de vapeur par la surface de condensation et la formation de ménisques liquides. Comme le mouillage a lieu, la forme des ménisques dans les capillaires est concave et la pression de vapeur saturée p au-dessus d'eux est inférieure à la pression de vapeur saturée p 0 au-dessus de la surface plane.

Ainsi, la condensation capillaire se produit à des pressions inférieures à p0. Le volume de liquide condensé dans les pores atteint une valeur limite à p = p 0. Dans ce cas, l’interface liquide-gaz présente une courbure nulle (planéité).

La condensation capillaire augmente l'absorption (sorption) des vapeurs par les corps poreux, en particulier près du point de saturation des vapeurs. La condensation capillaire peut entraîner une détérioration significative des propriétés des révélateurs utilisés dans la détection des défauts capillaires lorsqu'ils sont stockés dans des conteneurs mal fermés, notamment dans des conditions de forte humidité.

Dans cette leçon, nous analyserons les propriétés d'un gaz quelque peu spécifique : la vapeur saturée. Nous définirons ce gaz, indiquerons en quoi il diffère fondamentalement de gaz parfaits, dont nous avons parlé plus tôt, et, plus précisément, en quoi la dépendance de la pression du gaz saturé diffère. Également dans cette leçon, un processus tel que l’ébullition sera discuté et décrit.

Pour comprendre les différences entre la vapeur saturée et un gaz parfait, il faut imaginer deux expériences.

Tout d'abord, prenons un récipient hermétiquement fermé contenant de l'eau et commençons à le chauffer. À mesure que la température augmente, les molécules liquides auront de plus en plus énergie cinétique, et c'est tout plus les molécules pourront s'échapper du liquide (voir Fig. 2), donc la concentration de la vapeur et, par conséquent, sa pression augmenteront. Alors, premier point :

La pression de vapeur saturée dépend de la température

Riz. 2.

Cependant, cette situation est tout à fait attendue et pas aussi intéressante que la suivante. Si vous placez un liquide avec sa vapeur saturée sous un piston mobile et commencez à abaisser ce piston, alors, sans aucun doute, la concentration de vapeur saturée augmentera en raison d'une diminution de volume. Cependant, après un certain temps, la vapeur se déplacera avec le liquide vers un nouvel équilibre dynamique en condensant l'excès de vapeur, et la pression ne changera finalement pas. La deuxième position de la théorie de la vapeur saturée :

La pression de vapeur saturée ne dépend pas du volume

Il convient maintenant de noter que la pression de la vapeur saturée dépend de la température, comme celle d'un gaz parfait, mais la nature de cette dépendance est quelque peu différente. Le fait est que, comme nous le savons grâce à l’équation de base MKT, la pression du gaz dépend à la fois de la température et de la concentration du gaz. Et par conséquent, la pression de vapeur saturée dépend de la température de manière non linéaire jusqu'à ce que la concentration de vapeur augmente, c'est-à-dire jusqu'à ce que tout le liquide s'évapore. Le graphique ci-dessous (Fig. 3) montre la nature de la dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température,

Riz. 3

De plus, le passage d'une section non linéaire à une section linéaire signifie précisément le point d'évaporation de tout liquide. Étant donné que la pression d'un gaz saturé ne dépend que de la température, il est possible de déterminer sans ambiguïté quelle sera la pression de la vapeur saturée à une température donnée. Ces ratios (ainsi que les valeurs de densité de vapeur saturée) sont inscrits dans un tableau spécial.

Tournons maintenant notre attention vers un sujet aussi important processus physique comme bouillir. En huitième année, l’ébullition était déjà définie comme un processus de vaporisation plus intense que l’évaporation. Nous allons maintenant élargir quelque peu ce concept.

Définition. Ébullition- le processus de vaporisation qui se produit dans tout le volume de liquide. Quel est le mécanisme d’ébullition ? Le fait est qu'il y a toujours de l'air dissous dans l'eau et qu'en raison d'une augmentation de la température, sa solubilité diminue et des microbulles se forment. Le fond et les parois du récipient n'étant pas parfaitement lisses, ces bulles s'accrochent aux irrégularités. à l'intérieur navire. Désormais, la section eau-air existe non seulement à la surface de l’eau, mais également à l’intérieur du volume d’eau, et les molécules d’eau commencent à former des bulles. Ainsi, de la vapeur saturée apparaît à l’intérieur des bulles. Ensuite, ces bulles commencent à flotter, augmentant de volume et absorbant davantage de molécules d'eau à l'intérieur d'elles, et éclatent à la surface, libérant de la vapeur saturée dans l'air. environnement(Fig. 4).

Riz. 4. Processus d'ébullition ()

La condition de formation et de remontée de ces bulles est l'inégalité suivante: La pression de vapeur saturée doit être supérieure ou égale à la pression atmosphérique.

Ainsi, comme la pression de vapeur saturée dépend de la température, le point d'ébullition est déterminé par la pression ambiante : plus elle est basse, plus la température à laquelle le liquide bout est basse, et vice versa.

Dans la prochaine leçon, nous commencerons à examiner les propriétés des solides.

Références

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Devoirs

1. Page 74 : n° 546-550. Physique. Livre de problèmes. 10-11 années. Rymkevitch A.P. - M. : Outarde, 2013. ()
2. Pourquoi les grimpeurs ne peuvent-ils pas faire bouillir des œufs en altitude ?
3. À quelles façons pouvez-vous penser pour refroidir le thé chaud ? Justifiez-les du point de vue de la physique.
4. Pourquoi devriez-vous réduire la pression du gaz sur le brûleur après que l'eau bout ?
5. *Comment pouvez-vous chauffer l’eau au-dessus de cent degrés Celsius ?

La pression de vapeur saturée d’un liquide augmente fortement avec l’augmentation de la température. Ceci est visible sur la figure 12, qui montre les courbes de pression de vapeur de certains liquides commençant aux points de fusion et se terminant aux points critiques.

Riz. 12. Dépendance de la pression de vapeur saturée de certains liquides sur la température.

La dépendance fonctionnelle de la pression de vapeur saturée d'un liquide sur la température peut être exprimée par l'équation (IV, 5), et loin de la température critique par l'équation (IV, 8).

En considérant la chaleur d'évaporation (sublimation) constante dans une petite plage de température, on peut intégrer l'équation (IV, 8)

(IV, 9)

Présentation de l'équation (IV, 9) sous la forme intégrale indéfinie, on obtient :

(IV, 10),

où C est la constante d'intégration.

Conformément à ces équations, la dépendance de la pression de vapeur saturée d'un liquide (ou substance cristalline) sur la température peut être exprimé par une droite en coordonnées (dans ce cas, la pente de la droite est égale à ). Cette dépendance ne se produit que dans une certaine plage de température éloignée de la plage critique.

La figure 13 montre la dépendance de la pression de vapeur saturée de certains liquides dans les coordonnées indiquées, qui s'ajustent de manière satisfaisante aux lignes droites dans la plage de 0 à 100°C.

Riz. 13. Dépendance du logarithme de la pression de vapeur saturée de certains liquides sur l'inverse de la température.

Cependant, l'équation (IV, 10) ne couvre pas la dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température sur toute la plage de température - du point de fusion à la température critique. D'une part, la chaleur d'évaporation dépend de la température, et l'intégration doit être réalisée en tenant compte de cette dépendance. En revanche, la vapeur saturée à haute température ne peut être considérée comme gaz parfait, parce que Dans le même temps, sa pression augmente considérablement. Par conséquent, l’équation couvrant la dépendance P = f(T) sur une large plage de températures, devient inévitablement empirique.

État supercritique- la quatrième forme de l'état d'agrégation d'une substance dans laquelle de nombreuses substances organiques et non organiques peuvent se transformer matière organique.

L'état supercritique de la matière a été découvert pour la première fois par Cagniard de la Tour en 1822. Un réel intérêt pour ce nouveau phénomène est apparu en 1869 après les expériences de T. Andrews. En menant des expériences dans des tubes de verre à paroi épaisse, le scientifique a étudié les propriétés du CO 2, qui se liquéfie facilement avec l'augmentation de la pression. En conséquence, il a constaté qu'à 31°C et 7,2 MPa, le ménisque, frontière séparant le liquide et la vapeur en équilibre avec lui, disparaît, tandis que le système devient homogène (homogène) et que l'ensemble du volume prend l'aspect d'un liquide opalescent blanc laiteux. Avec une nouvelle augmentation de la température, il devient rapidement transparent et mobile, constitué de jets circulant constamment, rappelant les flux d'air chaud sur une surface chauffée. De nouvelles augmentations de température et de pression n’ont pas entraîné de changements visibles.

Il a qualifié le point auquel une telle transition se produit de critique et l'état de la substance située au-dessus de ce point de supercritique. Malgré le fait qu'extérieurement cet état ressemble à un liquide, un terme spécial est maintenant utilisé pour lui appliquer - fluide supercritique (de mot anglais fluide, c’est-à-dire « capable de s’écouler »). DANS littérature moderne La désignation abrégée des fluides supercritiques est SCF.

L'emplacement des lignes délimitant les régions des états gazeux, liquide et solide, ainsi que la position point triple, où convergent les trois domaines, sont individuels pour chaque substance. La région supercritique commence au point critique (indiqué par un astérisque), qui est certainement caractérisé par deux paramètres - la température ( T cr.) et la pression ( R cr.). Réduire la température ou la pression en dessous valeurs critiques retire une substance d’un état supercritique.

L'existence d'un point critique a permis de comprendre pourquoi certains gaz, comme l'hydrogène, l'azote et l'oxygène pendant longtemps ne pouvaient pas être obtenus sous forme liquide avec une pression croissante, c'est pourquoi ils étaient appelés gaz permanents (du latin permanent- "constante"). Le diagramme ci-dessus montre que la région d'existence de la phase liquide est située à gauche de la ligne de température critique. Ainsi, pour liquéfier un gaz, il doit d’abord être refroidi en dessous d’une température critique. Le CO 2 a une température critique supérieure à la température ambiante, il peut donc être liquéfié à conditions spécifiées, augmentant la pression. L'azote a une température critique beaucoup plus basse : –239,9°C donc, si vous comprimez l'azote à conditions normales, on peut éventuellement atteindre la région supercritique, mais azote liquide cependant, il ne peut pas être formé. Il faut d'abord refroidir l'azote en dessous d'une température critique puis, en augmentant la pression, atteindre la région où l'existence liquide est possible. La situation est similaire pour l’hydrogène et l’oxygène (les températures critiques sont respectivement de –118,4°C et –147°C), donc avant la liquéfaction, ils sont refroidis à une température inférieure à la température critique, et alors seulement la pression est augmentée. L'état supercritique est possible pour la plupart des substances, il suffit que la substance ne se décompose pas lorsqu'elle température critique. Par rapport aux substances indiquées, le point critique pour l'eau est atteint avec avec beaucoup de difficulté: t cr= 374,2°C et R cr = 21,4 MPa.

Point critique reconnu comme important paramètre physique une substance est la même que son point de fusion ou d’ébullition. La densité du SCF est extrêmement faible ; par exemple, l'eau à l'état SCF a une densité trois fois inférieure à celle des conditions normales. Tous les SCF ont une viscosité extrêmement faible.

Les fluides supercritiques sont un croisement entre un liquide et un gaz. Ils peuvent être comprimés comme des gaz (les liquides ordinaires sont pratiquement incompressibles) et, en même temps, sont capables de dissoudre de nombreuses substances à l'état solide et liquide, ce qui est inhabituel pour les gaz. L'éthanol supercritique (à des températures supérieures à 234°C) dissout très facilement une partie sels inorganiques(CoCl2, KBr, KI). Le dioxyde de carbone, l'oxyde nitreux, l'éthylène et certains autres gaz à l'état SCF acquièrent la capacité de dissoudre de nombreuses substances organiques - acide stéarique, paraffine, naphtalène. Les propriétés du CO 2 supercritique en tant que solvant peuvent être ajustées - avec une pression croissante, sa capacité de dissolution augmente fortement.

Les fluides supercritiques ne se sont largement répandus que dans les années 1980, lorsque niveau général Les développements industriels ont rendu largement disponibles les installations d'obtention de SCF. A partir de ce moment commence le développement intensif des technologies supercritiques. Les SCF ne sont pas seulement de bons solvants, mais aussi des substances avec un coefficient de diffusion élevé, c'est-à-dire ils pénètrent facilement dans les couches profondes de divers solides et matériaux. Le plus utilisé est le CO 2 supercritique, qui s'avère être un solvant large gamme composés organiques. Le dioxyde de carbone est devenu un leader dans le monde des technologies supercritiques parce que... présente toute une série d’avantages. Il est assez simple de le transférer à un état supercritique ( t cr– 31°C, R cr – 73,8 ATM.), de plus, il est non toxique, ininflammable, non explosif et bon marché et disponible. Du point de vue de tout technologue, il s'agit d'un élément idéal de tout processus. Ce qui le rend particulièrement attirant, c'est qu'il est partie intégrante air atmosphérique et ne pollue donc pas l'environnement. Le CO 2 supercritique peut être considéré comme un solvant respectueux de l'environnement.

Maintenant deux directions indépendantes utilisation de fluides supercritiques. Ces deux directions sont différentes objectifs ultimes ce que l'on obtient avec ces fluides supercritiques. Dans le premier cas, les SCF sont utilisés pour extraire les substances nécessaires de divers matériaux, produits ou déchets de production. Et cela présente un énorme intérêt économique. Dans le second cas, SCF est utilisé directement pour mettre en œuvre des outils précieux, souvent nouveaux. transformations chimiques. Il convient de souligner que les avantages des SCF en tant qu'agents d'extraction sont principalement dus au fait qu'ils se sont révélés capables de dissoudre de manière extrêmement efficace des composés non polaires, notamment solides. Cet avantage principal est fortement renforcé par la forte capacité de diffusion des SCF que nous avons déjà évoquée et leur viscosité exceptionnellement faible. Ces deux dernières caractéristiques font que le taux d’extraction devient extrêmement élevé. Donnons juste quelques exemples.

Ainsi, le désasphaltage des huiles lubrifiantes est réalisé au propane supercritique. Le pétrole brut se dissout dans le propane supercritique à une pression sensiblement supérieure à R cr. Dans ce cas, tout entre dans la solution, sauf les fractions lourdes d’asphalte. En raison de l’énorme différence de viscosité entre la solution supercritique et la fraction asphaltique, la séparation mécanique est très simple. Ensuite, la solution supercritique pénètre dans les vases d'expansion, dans lesquels la pression diminue progressivement, mais reste plus élevée R cr jusqu'au dernier conteneur. Dans ces conteneurs, des fractions d'impuretés d'huiles de plus en plus légères sont systématiquement libérées de la solution en raison d'une diminution de leur solubilité avec une chute de pression. La séparation des phases dans chacun de ces récipients est là encore très aisée du fait de la forte différence de leurs viscosités. La pression dans le dernier récipient est plus faible R cr, le propane s'évapore, entraînant la libération d'une huile purifiée des impuretés indésirables.

La caféine est un médicament utilisé pour améliorer les performances. système cardiovasculaire, obtenu à partir de grains de café même sans broyage préalable. Une extraction complète est obtenue grâce à la capacité de pénétration élevée du SCF. Les grains sont placés dans un autoclave - un récipient pouvant résister hypertension artérielle, puis du CO 2 gazeux y est introduit, puis la pression nécessaire est créée (>73 ATM.), le CO 2 passe alors dans un état supercritique. Tous les contenus sont mélangés, après quoi le liquide ainsi que la caféine dissoute sont versés dans un récipient ouvert. Le dioxyde de carbone, une fois exposé à la pression atmosphérique, se transforme en gaz et s'échappe dans l'atmosphère, tandis que la caféine extraite reste dans un récipient ouvert sous sa forme pure.

Actuellement grand signification pratique a une solubilité élevée du H 2 dans les fluides supercritiques, car les processus d'hydrogénation bénéfiques sont très courants. Par exemple, il a été développé processus efficace hydrogénation catalytique du CO 2 dans un état supercritique, conduisant à la formation acide formique. Le processus est très rapide et propre.

Étant donné que la vapeur saturée est l'un des composants d'un système d'équilibre thermodynamique d'une substance homogène en composition mais différente en fractions de phase, comprendre l'influence de facteurs physiques individuels sur l'ampleur de la pression qu'elle crée nous permet d'utiliser ces connaissances dans activités pratiques, par exemple, lors de la détermination du taux de combustion de certains liquides en cas d'incendie, etc.

Dépendance de la pression de vapeur saturée sur la température

La pression de vapeur saturée augmente à mesure que la température augmente. Dans ce cas, le changement de valeurs n'est pas directement proportionnel, mais se produit beaucoup plus rapidement. Cela est dû au fait qu'avec l'augmentation de la température, le mouvement des molécules les unes par rapport aux autres s'accélère et il leur est plus facile de surmonter les forces. attirance mutuelle et passer à une autre phase, c'est-à-dire le nombre de molécules à l'état liquide diminue, et à l'état gazeux il augmente jusqu'à ce que tout le liquide se transforme en vapeur. Cette pression croissante fait monter le couvercle dans la casserole ou lorsque l'eau commence à bouillir.

Dépendance de la pression de vapeur saturée à d'autres facteurs

La quantité de pression de vapeur saturée est également influencée par la quantité de état gazeux molécules, puisque leur nombre détermine la masse de vapeur formée dans un récipient fermé. Cette valeur n'est pas constante, car avec une différence de température entre le fond du récipient et le couvercle qui le recouvre, deux processus mutuellement opposés se produisent constamment : la vaporisation et la condensation.

Puisque pour chaque substance à une certaine température, il existe des indicateurs connus du passage d'un certain nombre de molécules d'une phase de l'état de la substance à une autre, il est possible de modifier la valeur de la pression de vapeur saturée en modifiant le volume du navire. Ainsi, le même volume d'eau, par exemple 0,5 litre, créera des pressions différentes dans un bidon de cinq litres et dans une bouilloire.

Le facteur déterminant pour déterminer la valeur de référence de la pression de vapeur saturée à volume constant et à augmentation progressive de la température est structure moléculaire le liquide lui-même étant chauffé. Ainsi, les indicateurs de l'acétone, de l'alcool et eau ordinaire différeront considérablement les uns des autres.

Pour voir le processus d'ébullition d'un liquide, il faut non seulement amener la pression de vapeur saturée à certaines limites, mais aussi de corréler cette valeur avec la valeur externe pression atmosphérique, puisque le processus d'ébullition n'est possible que lorsque la pression extérieure est supérieure à la pression à l'intérieur du récipient.