Номер 1, страница 243 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 72. Давление насыщенного пара. Глава 11. Взаимные превращения жидкостей и газов - номер 1, страница 243.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Давление насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре, потому что насыщенный пар находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Давайте разберем этот процесс подробнее.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью, из которой он образовался. Это означает, что в закрытом сосуде, где одновременно присутствуют жидкость и её пар, происходят два противоположных процесса с одинаковой скоростью:

• Испарение: молекулы с достаточной кинетической энергией покидают поверхность жидкости и переходят в газообразное состояние (в пар). Скорость этого процесса зависит в основном от температуры.
• Конденсация: молекулы пара, хаотично двигаясь, возвращаются обратно в жидкость. Скорость этого процесса зависит от концентрации молекул пара (а следовательно, и от его давления) и от температуры.

В состоянии равновесия скорость испарения равна скорости конденсации. Это означает, что в единицу времени столько же молекул покидает жидкость, сколько и возвращается в неё. Концентрация молекул пара $n = N/V$ (где $N$ — число молекул, $V$ — объём) и его давление $p$ остаются постоянными. Давление пара в этом состоянии и называется давлением насыщенного пара.

Теперь рассмотрим, что произойдет при изменении объёма сосуда при постоянной температуре ($T = \text{const}$).

Увеличение объёма: если мы увеличим объём сосуда (например, поднимем поршень), то концентрация молекул пара $n$ мгновенно уменьшится, так как то же число молекул $N$ теперь занимает больший объём $V$. В результате уменьшится и давление. Из-за снижения концентрации уменьшится и скорость конденсации (меньше молекул будет сталкиваться с поверхностью жидкости). Однако скорость испарения, зависящая от температуры, останется прежней. Поскольку испарение начнет преобладать над конденсацией, дополнительное количество жидкости испарится. Число молекул пара $N$ в сосуде будет расти до тех пор, пока его концентрация $n$ и, соответственно, давление $p$ не достигнут первоначального равновесного значения. Как только это произойдет, скорость конденсации снова сравняется со скоростью испарения, и система вернется в состояние динамического равновесия.

Уменьшение объёма: если мы уменьшим объём сосуда (опустим поршень), то концентрация молекул пара $n$ мгновенно возрастет. Это приведет к увеличению скорости конденсации (больше молекул будет сталкиваться с поверхностью жидкости и возвращаться в неё). Скорость испарения при этом останется неизменной. Поскольку конденсация начнет преобладать над испарением, часть пара сконденсируется и превратится в жидкость. Число молекул пара $N$ в сосуде будет уменьшаться до тех пор, пока его концентрация $n$ и давление $p$ не вернутся к исходному равновесному значению. После этого скорости испарения и конденсации снова станут равными.

Таким образом, при любой изотермической деформации (сжатии или расширении) система «жидкость — насыщенный пар» сама регулирует количество пара так, чтобы его концентрация и давление оставались постоянными. Это будет происходить до тех пор, пока в сосуде присутствует жидкость (в случае расширения) или пока не сконденсируется весь пар (в случае сжатия).

Давление насыщенного пара зависит только от температуры и природы вещества. С ростом температуры увеличивается кинетическая энергия молекул жидкости, что приводит к увеличению скорости испарения и, как следствие, к установлению нового равновесия при более высокой концентрации и давлении пара.

Ответ: Давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объёма, так как система «жидкость – пар» находится в состоянии динамического равновесия. При изменении объёма происходит либо дополнительное испарение жидкости, либо конденсация части пара, в результате чего концентрация молекул пара (а значит, и его давление) возвращается к своему первоначальному равновесному значению, которое определяется только температурой.