Номер 2, страница 302 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 63. Давление насыщенного пара. Влажность воздуха. 11. Жидкость и пар. Молекулярная физика - номер 2, страница 302.

Условие.

2. Почему давление насыщенного пара при определённой температуре является максимальным давлением, которое может иметь пар при этой температуре?

Решение.

1. Ненасыщенный пар — это пар, давление которого меньше давления насыщенного пара при той же температуре. Чтобы превратить ненасыщенный пар в насыщенный, необходимо довести его состояние до точки насыщения. Это можно сделать несколькими способами, изменяя параметры состояния пара (давление, объем, температуру).

а) Изотермическое сжатие (уменьшение объема при постоянной температуре).
При уменьшении объема, занимаемого паром, при постоянной температуре, концентрация $n$ его молекул увеличивается. Давление пара, которое можно приблизительно описать уравнением состояния идеального газа $p = nkT$, прямо пропорционально концентрации. Следовательно, сжатие приводит к росту давления. Этот рост будет продолжаться до тех пор, пока давление пара не достигнет значения давления насыщенного пара для данной температуры. В этот момент пар станет насыщенным. Дальнейшее уменьшение объема приведет к конденсации пара — превращению его в жидкость, при этом давление пара будет оставаться постоянным и равным давлению насыщения.

б) Изохорное охлаждение (понижение температуры при постоянном объеме).
Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры: с понижением температуры оно резко уменьшается. Давление ненасыщенного пара при постоянном объеме также уменьшается при охлаждении (согласно закону Шарля, $p/T = const$), но эта зависимость менее резкая. Поэтому при охлаждении ненасыщенного пара в замкнутом объеме наступит момент, когда его давление станет равным давлению насыщенного пара для этой новой, более низкой температуры. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. С этого момента пар становится насыщенным, и при дальнейшем охлаждении избыток пара будет конденсироваться в жидкость.

в) Добавление пара в тот же объем при постоянной температуре.
Если увеличивать массу пара в замкнутом объеме (например, за счет дополнительного испарения жидкости, находящейся в этом же сосуде), его концентрация, а следовательно и давление, будут расти. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока пар не станет насыщенным, то есть пока не установится динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.

Ответ: Превратить ненасыщенный пар в насыщенный можно следующими способами: 1) уменьшить его объем при постоянной температуре; 2) понизить его температуру при постоянном объеме до точки росы; 3) увеличить массу пара в том же объеме при постоянной температуре.

2. Давление насыщенного пара при определённой температуре является максимальным, потому что оно соответствует состоянию динамического равновесия между жидкостью и её паром.

В замкнутом пространстве над поверхностью жидкости одновременно протекают два противоположных процесса:

• Испарение — переход молекул из жидкости в пар. Скорость этого процесса (число молекул, покидающих жидкость в единицу времени) зависит в основном от температуры: чем выше температура, тем больше молекул обладают достаточной кинетической энергией для преодоления сил притяжения в жидкости и тем интенсивнее испарение.
• Конденсация — переход молекул из пара обратно в жидкость. Скорость этого процесса зависит от концентрации молекул пара над жидкостью (и, соответственно, от его давления). Чем выше концентрация, тем чаще молекулы пара сталкиваются с поверхностью жидкости и возвращаются в нее.

Когда пар является ненасыщенным, скорость испарения превышает скорость конденсации, поэтому количество пара над жидкостью растет, а вместе с ним и его давление. Увеличение давления приводит к росту скорости конденсации.

В какой-то момент скорость конденсации становится равной скорости испарения. С этого момента, сколько молекул покидает жидкость, столько же в нее и возвращается. Устанавливается динамическое равновесие. Пар, находящийся в таком равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным, а его давление — давлением насыщенного пара.

Если попытаться увеличить давление пара выше этого равновесного значения при той же температуре (например, сжав объем), то концентрация молекул пара возрастет. Это приведет к тому, что скорость конденсации станет больше скорости испарения (которая при постоянной температуре не изменилась). В результате начнется преобладающий процесс конденсации, из-за которого число молекул в газовой фазе будет уменьшаться, а давление пара будет падать до тех пор, пока снова не достигнет значения давления насыщенного пара, при котором скорости испарения и конденсации уравняются.

Таким образом, система саморегулируется и не позволяет давлению пара превысить значение, соответствующее равновесию при данной температуре.

Ответ: Давление насыщенного пара является максимальным при данной температуре, так как оно соответствует состоянию динамического равновесия между жидкостью и паром. При любой попытке увеличить давление сверх этого значения, скорость конденсации превысит скорость испарения, и избыточный пар сконденсируется, возвращая давление к равновесному (максимально возможному) значению.