Страница 58 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какое явление называют испарением?

1. Испарением называют процесс парообразования, то есть перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), который происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Этот процесс объясняется на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. В жидкостях молекулы колеблются около положения равновесия и время от времени перескакивают на новые места. Скорости движения молекул, а значит и их кинетические энергии, не одинаковы. Среди них всегда есть «быстрые» молекулы, кинетическая энергия которых может оказаться достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, удерживающих их в жидкости. Такие молекулы, оказавшись у поверхности, вылетают из жидкости. Этот процесс и представляет собой испарение.

Так как жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Это означает, что температура жидкости в процессе испарения понижается, то есть испаряющаяся жидкость охлаждается.

Скорость испарения зависит от нескольких ключевых факторов:

— Температуры жидкости: чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия молекул и тем большее их число способно покинуть жидкость.

— Площади свободной поверхности: с увеличением площади поверхности возрастает число молекул, которые могут одновременно вылететь из жидкости.

— Движения воздуха (ветра) над поверхностью: ветер уносит молекулы пара, не позволяя им вернуться обратно в жидкость (конденсироваться), что ускоряет процесс испарения.

— Рода жидкости: разные жидкости испаряются с разной скоростью. Например, спирт испаряется значительно быстрее воды при той же температуре, так как силы притяжения между его молекулами слабее.

Ответ: Испарение — это явление парообразования, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

2. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории, как происходит процесс испарения.

1. Испарением называют явление парообразования, то есть перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, которое происходит со свободной поверхности жидкости. Этот процесс может происходить при любой температуре, при которой вещество способно находиться в жидком состоянии.

Ответ: Испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий с ее поверхности при любой температуре.

2. Согласно положениям молекулярно-кинетической теории (МКТ), молекулы в жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом силами притяжения. Кинетическая энергия отдельных молекул различна; всегда существуют молекулы, энергия которых значительно превышает среднее значение. Температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

На поверхности жидкости некоторые, наиболее "быстрые", молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул и покинуть жидкость. Этот процесс и есть испарение. Поскольку жидкость покидают молекулы с наибольшей энергией, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Это приводит к охлаждению жидкости в процессе испарения.

Ответ: На основе МКТ, испарение объясняется тем, что молекулы жидкости, находящиеся у поверхности и обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают силы межмолекулярного притяжения и вылетают из жидкости, переходя в состояние пара.

3. Вопрос, вероятно, касается температуры кипения. Кипение, в отличие от испарения, — это интенсивный процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости при достижении ею определённой температуры, называемой температурой кипения.

Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению (например, атмосферному). Давление насыщенного пара — это давление, которое создает пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это давление сильно зависит от температуры: с ростом температуры оно увеличивается.

Для каждого вещества эта зависимость уникальна, так как она определяется силой межмолекулярного взаимодействия. У веществ с сильными связями между молекулами (как у воды) парциальное давление пара при данной температуре ниже, чем у веществ со слабыми связями (как у спирта или эфира). Следовательно, чтобы давление их насыщенного пара достигло внешнего давления, им требуется большее количество энергии, то есть более высокая температура. По этой причине каждое вещество имеет свою уникальную и постоянную температуру кипения при фиксированном внешнем давлении.

Ответ: Каждое вещество имеет определённую температуру кипения, так как кипение наступает при температуре, при которой давление насыщенного пара вещества сравнивается с внешним давлением. Эта температура уникальна для каждого вещества, поскольку зависит от индивидуальной для него силы межмолекулярного взаимодействия.

3. Почему для каждого вещества существует определённая температура плавления, но не существует определённой температуры испарения?

3. Каждое кристаллическое вещество имеет определённую температуру плавления, потому что плавление — это процесс разрушения кристаллической решётки. Молекулы или атомы в твёрдом кристаллическом теле занимают строго определённые положения (узлы решётки) и совершают колебательные движения около них. Для того чтобы разрушить эту упорядоченную структуру и позволить молекулам свободно перемещаться друг относительно друга (то есть перейти в жидкое состояние), им необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления сил межмолекулярного притяжения, удерживающих их в узлах решётки. Эта энергия соответствует определённой температуре, называемой температурой плавления. Пока всё вещество не расплавится, вся подводимая энергия идёт на разрушение связей, а не на увеличение кинетической энергии частиц, поэтому температура остаётся постоянной.

Испарение же — это принципиально иной процесс. Это парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре. В жидкости молекулы движутся хаотично и с разными скоростями. Всегда найдутся молекулы, находящиеся у поверхности, кинетическая энергия которых оказывается достаточной, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны других молекул и вылететь из жидкости. Этот процесс происходит при любой температуре, при которой вещество находится в жидком состоянии. Чем выше температура, тем больше «быстрых» молекул и тем интенсивнее происходит испарение, но нет какой-то одной определённой температуры, при которой оно начинается. Следует отличать испарение от кипения. Кипение — это интенсивное парообразование по всему объёму жидкости, которое происходит при определённой температуре (температуре кипения), зависящей от внешнего давления.

Ответ: Плавление — это фазовый переход, связанный с разрушением кристаллической решётки твёрдого тела, что требует определённого количества энергии и происходит при постоянной, характерной для данного вещества температуре. Испарение — это процесс ухода отдельных молекул с поверхности жидкости, который возможен при любой температуре, так как в жидкости всегда есть молекулы с достаточной для этого кинетической энергией.

4. Испарение — это процесс, при котором молекулы покидают поверхность жидкости. Скорость этого процесса, то есть количество испарившейся жидкости за единицу времени, зависит от нескольких факторов. Чтобы ускорить испарение, нужно изменить эти факторы следующим образом:

• Повысить температуру жидкости. С ростом температуры увеличивается средняя кинетическая энергия молекул. В результате большее число молекул на поверхности будет обладать энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения и перехода в газообразное состояние. Например, лужа на асфальте в жаркий день высохнет быстрее, чем в прохладный.
• Увеличить площадь свободной поверхности жидкости. Испарение происходит только с поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше молекул одновременно могут её покинуть. Например, вода, разлитая на столе, испарится гораздо быстрее, чем то же количество воды в стакане.
• Создать поток воздуха над поверхностью жидкости (ветер). Молекулы, покинувшие жидкость, образуют над её поверхностью пар. Ветер или любой другой поток воздуха уносит эти молекулы, не давая им сконденсироваться обратно в жидкость и уменьшая концентрацию пара над поверхностью. Это поддерживает высокую скорость испарения. Например, бельё на ветру сохнет быстрее.
• Уменьшить влажность окружающего воздуха. Если воздух уже насыщен водяным паром (высокая влажность), то процесс конденсации (возвращения молекул в жидкость) будет почти уравновешивать процесс испарения. В сухом воздухе конденсация замедлена, и испарение идёт значительно быстрее.

Ответ: Ускорить процесс испарения можно следующими способами: повысить температуру жидкости, увеличить площадь её поверхности, создать движение воздуха (ветер) над поверхностью и уменьшить влажность окружающего воздуха.

4. Какими способами можно ускорить процесс испарения? Объясните их на основе МКТ.

4. Какими способами можно ускорить процесс испарения? Объясните их на основе МКТ.

Испарение — это процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом. Чтобы покинуть жидкость, молекула у поверхности должна обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны других молекул.

Процесс испарения можно ускорить несколькими способами:

1. Повышение температуры жидкости.

   Объяснение на основе МКТ: Температура является мерой средней кинетической энергии молекул вещества. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул увеличивается. Это означает, что возрастает число "быстрых" молекул, чья кинетическая энергия становится достаточной для преодоления межмолекулярного притяжения и вылета с поверхности жидкости. Следовательно, испарение происходит интенсивнее.

2. Увеличение площади свободной поверхности жидкости.

   Объяснение на основе МКТ: Испарение происходит только с поверхности жидкости. Чем больше площадь поверхности, тем большее число молекул одновременно находится в приповерхностном слое и имеет возможность покинуть жидкость. Даже если доля "быстрых" молекул остается прежней, их общее количество, способное вылететь в единицу времени, возрастает пропорционально площади. Например, вода, разлитая по столу, испарится гораздо быстрее, чем то же количество воды в стакане.

3. Наличие ветра или потока воздуха над поверхностью жидкости.

   Объяснение на основе МКТ: Над поверхностью жидкости образуется слой пара, состоящий из вылетевших молекул. Некоторые из этих молекул, двигаясь хаотично, могут вернуться обратно в жидкость — этот процесс называется конденсацией. Ветер или любой поток воздуха уносит молекулы пара от поверхности жидкости, уменьшая их концентрацию вблизи нее. Это снижает скорость процесса конденсации. Поскольку скорость испарения (число молекул, покидающих жидкость в единицу времени) остается прежней, а скорость конденсации (возвращения молекул) уменьшается, результирующая скорость испарения значительно возрастает. Белье быстрее сохнет в ветреную погоду именно по этой причине.

4. Уменьшение влажности окружающего воздуха.

   Объяснение на основе МКТ: Этот способ тесно связан с предыдущим. Влажность воздуха характеризует концентрацию водяного пара в нем. Если воздух сухой (низкая влажность), то скорость конденсации будет низкой, так как в воздухе мало молекул воды, которые могли бы вернуться в жидкость. Если же воздух уже насыщен паром (высокая влажность), то скорость конденсации будет высокой, и чистое испарение замедлится или прекратится вовсе. Поэтому в сухом климате испарение происходит быстрее.

5. Род жидкости.

   Объяснение на основе МКТ: Разные жидкости испаряются с разной скоростью при одинаковых условиях. Например, спирт или эфир испаряются быстрее воды. Это связано с силами межмолекулярного взаимодействия. В летучих жидкостях (как спирт) эти силы слабее, чем в воде. Поэтому молекулам требуется меньшая кинетическая энергия, чтобы преодолеть притяжение соседей и покинуть жидкость. При одной и той же температуре в спирте будет больше молекул, способных испариться, чем в воде.

Ответ: Ускорить испарение можно повышением температуры, увеличением площади поверхности, созданием потока воздуха (ветра) над поверхностью и уменьшением влажности окружающего воздуха. Также скорость испарения зависит от рода жидкости.

5. Что такое динамическое равновесие?

Динамическое равновесие — это состояние замкнутой системы, при котором два противоположно направленных процесса протекают с одинаковой скоростью, в результате чего макроскопические параметры системы (такие как давление, температура, объем, концентрация веществ) остаются неизменными во времени.

Классическим примером динамического равновесия является равновесие между жидкостью и ее паром в закрытом сосуде.

Рассмотрим этот процесс на основе МКТ:

1. В закрытый сосуд помещают жидкость. Молекулы с поверхности жидкости начинают испаряться, переходя в газообразное состояние (пар). Вначале, когда пара над жидкостью почти нет, скорость испарения значительно превышает скорость обратного процесса — конденсации.

2. По мере испарения концентрация молекул пара над жидкостью растет. Это приводит к тому, что все большее число молекул пара, двигаясь хаотично, сталкивается с поверхностью жидкости и возвращается в нее. Таким образом, скорость конденсации увеличивается.

3. Наступает момент, когда скорость испарения (число молекул, покидающих жидкость в единицу времени) становится равной скорости конденсации (числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время). С этого момента система приходит в состояние динамического равновесия.

В состоянии динамического равновесия макроскопически кажется, что ничего не происходит: уровень жидкости не меняется, давление пара постоянно. Однако на микроскопическом уровне процессы испарения и конденсации не прекращаются, они просто уравновешивают друг друга. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Ответ: Динамическое равновесие — это состояние, в котором скорость прямого процесса (например, испарения) равна скорости обратного процесса (например, конденсации), из-за чего видимые (макроскопические) характеристики системы не изменяются, хотя на микроуровне оба процесса продолжаются.

5. Что такое динамическое равновесие?

5. Что такое динамическое равновесие?

Динамическое равновесие — это состояние термодинамической системы, в котором два противоположных, обратимых процесса протекают с одинаковой скоростью. В результате видимые, макроскопические параметры системы, такие как температура, давление, объем и концентрация веществ, остаются неизменными во времени.

Ключевой особенностью динамического равновесия является то, что на микроскопическом уровне система не находится в покое. Частицы продолжают непрерывно двигаться и переходить из одного состояния в другое. Например, в закрытом сосуде, содержащем жидкость и ее пар, постоянно происходят два процесса. Во-первых, это испарение: молекулы с достаточной кинетической энергией покидают поверхность жидкости и переходят в газообразное состояние (пар). Во-вторых, это конденсация: молекулы пара, сталкиваясь с поверхностью жидкости, возвращаются в жидкое состояние. Когда скорость испарения становится равной скорости конденсации ($v_{исп} = v_{конд}$), система достигает состояния динамического равновесия. Количество молекул, покидающих жидкость, в среднем равно количеству молекул, возвращающихся в нее. Поэтому количество жидкости и пара в сосуде остается постоянным, хотя состав частиц в каждой фазе постоянно обновляется.

Ответ: Динамическое равновесие – это состояние системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны, в результате чего макроскопические параметры системы не изменяются, несмотря на непрерывное движение на микроуровне.

6. Какой пар называют насыщенным?

Насыщенным паром называют пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью (или твердым телом). Это означает, что процессы испарения и конденсации сбалансированы: сколько молекул покидает поверхность жидкости за единицу времени, столько же молекул в среднем возвращается в нее из пара.

Основные свойства насыщенного пара заключаются в следующем. Во-первых, при данной температуре он имеет максимально возможную плотность и создает максимальное давление. Если попытаться увеличить плотность пара (например, сжав его), избыток пара сконденсируется в жидкость. Во-вторых, давление и плотность насыщенного пара не зависят от его объема, а зависят только от температуры и рода вещества. С повышением температуры давление насыщенного пара резко возрастает, так как увеличивается кинетическая энергия молекул, и большее их число способно покинуть жидкость. Для поддержания равновесия концентрация молекул в паре (а следовательно, и давление) должна возрасти.

Ответ: Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

7. Какой пар называют ненасыщенным?

Ненасыщенным паром называют пар, который не находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Его давление и плотность меньше, чем у насыщенного пара при той же температуре.

В системе с ненасыщенным паром над поверхностью жидкости скорость процесса испарения превышает скорость процесса конденсации ($v_{исп} > v_{конд}$). Это означает, что количество молекул, покидающих жидкость, больше, чем количество молекул, возвращающихся в нее. Если система открыта, жидкость будет постепенно испаряться. Если система закрыта, испарение будет продолжаться до тех пор, пока пар не станет насыщенным (если для этого достаточно жидкости).

Ненасыщенный пар обладает следующими свойствами. Во-первых, его давление можно увеличивать (например, уменьшая объем или добавляя вещество) до тех пор, пока оно не достигнет давления насыщенного пара, после чего начнется конденсация. Во-вторых, при постоянной температуре давление ненасыщенного пара прямо пропорционально его концентрации (и плотности) и обратно пропорционально объему. Свойства ненасыщенного пара, особенно при низких давлениях, близки к свойствам идеального газа, и к нему применим закон Бойля-Мариотта.

Ответ: Ненасыщенный пар — это пар, давление которого меньше давления насыщенного пара при той же температуре.

6. Какой пар называют насыщенным?

6. Какой пар называют насыщенным?

Насыщенным паром называют пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью (или, в некоторых случаях, со своим твердым телом).

Рассмотрим это подробнее. В закрытом сосуде, частично заполненном жидкостью, происходит два противоположных процесса:

1. Испарение — молекулы с достаточной кинетической энергией покидают поверхность жидкости и переходят в газообразное состояние (пар).

2. Конденсация — молекулы пара, хаотично двигаясь, возвращаются обратно в жидкость.

Вначале, когда пара над жидкостью мало, скорость испарения значительно превышает скорость конденсации. По мере накопления пара его плотность и давление растут, и, следовательно, увеличивается и скорость конденсации. В определенный момент наступает состояние, когда скорость испарения становится равной скорости конденсации. Это состояние и называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в таком равновесии со своей жидкостью, и есть насыщенный пар.

Основные свойства насыщенного пара:

- При данной температуре насыщенный пар имеет максимально возможную плотность и оказывает максимальное давление, которое называется давлением насыщенного пара.

- Давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема (пока в системе присутствует жидкость), а зависит только от вещества и его температуры.

- При повышении температуры давление и плотность насыщенного пара увеличиваются, так как возрастает скорость испарения.

Ответ: Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

7. Какой пар называют ненасыщенным?

6. Какой пар называют насыщенным?

Насыщенным называют пар, который находится в состоянии динамического термодинамического равновесия со своей жидкостью (или твердым телом).

Представим себе закрытый сосуд, в котором находится жидкость и ее пар. Молекулы с поверхности жидкости непрерывно переходят в газообразное состояние (испаряются). В то же время, молекулы пара, хаотично двигаясь, возвращаются обратно в жидкость (конденсируются).

Состояние динамического равновесия наступает тогда, когда скорость процесса испарения становится равной скорости процесса конденсации. В этом состоянии количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству молекул, возвращающихся в нее за одно и то же время. Концентрация молекул пара над жидкостью, а следовательно, его плотность и давление, достигают максимального возможного значения при данной температуре и далее не меняются.

Ключевые свойства насыщенного пара:

- При постоянной температуре он имеет максимальную плотность и оказывает максимальное давление (давление насыщенного пара).

- Давление и плотность насыщенного пара не зависят от занимаемого им объема (до тех пор, пока в сосуде присутствует жидкая фаза), а определяются только температурой и природой вещества.

- С ростом температуры давление и плотность насыщенного пара увеличиваются, так как возрастает кинетическая энергия молекул и интенсивность испарения.

- При изотермическом сжатии насыщенного пара его давление остается постоянным, а избыток пара конденсируется, превращаясь в жидкость.

Ответ: Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

7. Какой пар называют ненасыщенным?

Ненасыщенным называют пар, давление которого меньше, чем давление насыщенного пара при той же температуре.

Для ненасыщенного пара состояние динамического равновесия с жидкостью не достигнуто. В этом случае скорость испарения превышает скорость конденсации. Если в замкнутом объеме с ненасыщенным паром имеется поверхность его жидкости, то испарение будет продолжаться до тех пор, пока пар не станет насыщенным (или пока вся жидкость не испарится).

Ключевые свойства ненасыщенного пара:

- Его плотность и давление ниже, чем у насыщенного пара при той же температуре.

- Свойства ненасыщенного пара (особенно далекого от насыщения) с хорошей точностью описываются законами идеального газа. Например, при изотермическом сжатии (уменьшении объема при постоянной температуре) его давление и плотность возрастают в соответствии с законом Бойля–Мариотта.

- Ненасыщенный пар можно перевести в насыщенное состояние. Для этого можно либо охладить его при постоянном объеме, либо сжать при постоянной температуре. В обоих случаях его состояние будет меняться до тех пор, пока его давление не достигнет значения давления насыщенного пара для соответствующей температуры.

Ответ: Ненасыщенный пар — это пар, давление и плотность которого при данной температуре меньше давления и плотности насыщенного пара.

1. Почему испарение из почвы летом больше, чем зимой?

1. Почему испарение из почвы летом больше, чем зимой?

Испарение из почвы летом значительно интенсивнее, чем зимой, из-за совокупности нескольких ключевых физических и биологических факторов. Эти факторы напрямую влияют на скорость, с которой вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Основные причины кроются в различиях между летним и зимним периодами по температуре, количеству солнечной энергии, агрегатному состоянию воды в почве и биологической активности растительного покрова.

Температура: Скорость испарения напрямую зависит от температуры. Летом температура воздуха и самой почвы значительно выше. Это означает, что молекулы воды имеют большую кинетическую энергию, и большее их число может преодолеть силы межмолекулярного притяжения и улететь с поверхности почвы в виде пара. Зимой же низкие температуры резко снижают энергию молекул и, соответственно, интенсивность испарения.

Солнечная энергия: Для испарения воды (фазового перехода из жидкости в газ) требуется энергия. Главным ее источником является солнце. Летом дни длиннее, и солнечные лучи падают на землю под более прямым углом, принося гораздо больше энергии на единицу площади. Эта дополнительная энергия поглощается почвой и водой в ней, нагревая их и ускоряя процесс испарения.

Агрегатное состояние воды: Зимой при отрицательных температурах вода в верхних слоях почвы замерзает и находится в виде льда. Прямой переход льда в пар, называемый сублимацией (или возгонкой), — это гораздо более медленный процесс, чем испарение жидкой воды. Кроме того, часто образующийся снежный покров служит изолятором и физическим барьером, который дополнительно замедляет потерю влаги из почвы.

Растительность и транспирация: Летом растения активно растут. Они поглощают воду из почвы с помощью корневой системы и испаряют ее через устьица на своих листьях. Этот процесс называется транспирацией и является очень существенным фактором потери воды почвой в теплый период. Зимой большинство растений в умеренном климате находятся в состоянии покоя, и транспирация практически прекращается. Совместное действие испарения с поверхности и транспирации (эвапотранспирация) летом многократно превосходит зимние показатели.

Ветер: Ветер уносит насыщенный водяным паром воздух непосредственно от поверхности почвы, заменяя его более сухим. Это поддерживает разность концентраций водяного пара и способствует дальнейшему испарению. Хотя ветер есть в оба сезона, его эффект усиливается высокой летней температурой, которая и так способствует интенсивному парообразованию.

Ответ: Испарение из почвы летом больше, чем зимой, главным образом потому, что летом выше температура воздуха и почвы, на поверхность поступает больше солнечной энергии, вода в почве находится в жидком состоянии (а не в виде льда), и происходит активный процесс транспирации (испарения воды растениями), который почти полностью отсутствует зимой.

2. Как влияет испарение на температуру жидкости?

2. Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), который происходит с поверхности жидкости. Этот процесс напрямую влияет на температуру жидкости, вызывая её понижение. Рассмотрим этот эффект с точки зрения молекулярной физики.

Молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Их кинетические энергии различны: есть более «медленные» молекулы и более «быстрые». Температура жидкости является мерой средней кинетической энергии всех её молекул.

Для того чтобы молекула покинула поверхность жидкости и перешла в газообразное состояние (испарилась), она должна обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения, удерживающие её в жидкости. Таким образом, с поверхности жидкости улетают в первую очередь самые быстрые молекулы, то есть молекулы с наибольшей кинетической энергией.

Когда самые энергичные молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается. Поскольку температура — это мера средней кинетической энергии, её уменьшение означает, что температура жидкости понижается. Жидкость охлаждается.

Этот процесс требует затрат энергии, называемой удельной теплотой парообразования ($L$). Энергия $Q$, необходимая для испарения массы жидкости $m$, рассчитывается по формуле:

$Q = L \cdot m$

Эта энергия забирается от самой жидкости (из её внутренней энергии), что и приводит к её охлаждению. Этот эффект мы постоянно наблюдаем в быту: например, когда мы выходим из воды, нам становится холодно, так как вода, испаряясь с поверхности кожи, забирает тепло у нашего тела; потоотделение является естественным механизмом терморегуляции организма, основанным на том же принципе; вода в глиняном кувшине остается прохладной даже в жаркий день, потому что она просачивается сквозь поры и испаряется с внешней поверхности, охлаждая сосуд и оставшуюся в нём воду.

Таким образом, испарение всегда сопровождается охлаждением жидкости, если нет подвода тепла извне, который бы компенсировал эти энергетические потери.

Ответ: Испарение приводит к понижению температуры жидкости, так как в процессе испарения жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что и означает понижение температуры.

3. Как предотвратить испарение воды в открытом сосуде?

Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное, который происходит на свободной поверхности жидкости. Полностью прекратить испарение в открытом сосуде невозможно, поскольку молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении, и наиболее быстрые из них способны преодолеть силы притяжения и покинуть поверхность. Однако, интенсивность испарения можно значительно снизить, воздействуя на ключевые факторы, от которых она зависит.

Основные способы уменьшения испарения воды из открытого сосуда:

• Создание физического барьера на поверхности воды. Это самый эффективный метод. Можно налить на поверхность воды тонкий слой жидкости, которая не смешивается с водой, не испаряется сама и имеет меньшую плотность, например, растительное или минеральное масло. Слой масла создаст пленку, которая будет препятствовать выходу молекул воды в атмосферу.

• Уменьшение площади испарения. Скорость испарения прямо пропорциональна площади свободной поверхности жидкости. Следовательно, для уменьшения испарения следует использовать высокий и узкий сосуд вместо широкого и низкого. Также можно покрыть большую часть поверхности воды плавающими объектами, не впитывающими воду (например, специальными пластиковыми шарами или дисками), что сократит открытую площадь контакта воды с воздухом.

• Понижение температуры. С повышением температуры растет кинетическая энергия молекул, и большее их число оказывается способным покинуть жидкость. Соответственно, для замедления испарения необходимо понизить температуру воды и окружающей среды, поместив сосуд в прохладное место.

• Повышение влажности окружающего воздуха. Испарение происходит за счет разницы между давлением насыщенного пара у поверхности жидкости и парциальным давлением пара в окружающем воздухе. Если увеличить влажность воздуха (например, в закрытом помещении), эта разница уменьшится, и испарение замедлится. При 100% относительной влажности устанавливается динамическое равновесие: скорость испарения становится равной скорости конденсации, и видимое испарение прекращается.

• Предотвращение движения воздуха над поверхностью. Ветер или сквозняк уносят образовавшийся над водой пар, поддерживая низкую влажность вблизи поверхности и ускоряя тем самым испарение. Чтобы этого избежать, сосуд следует размещать в месте, защищенном от потоков воздуха.

Хотя вопрос касается открытого сосуда, стоит отметить, что самый радикальный способ предотвратить испарение — это закрыть сосуд крышкой, сделав систему замкнутой.

Ответ: Чтобы предотвратить (существенно замедлить) испарение воды в открытом сосуде, можно применить следующие методы: налить на поверхность воды тонкий слой масла; уменьшить площадь свободной поверхности воды (использовать узкий сосуд или плавающие покрытия); понизить температуру; повысить влажность окружающего воздуха; исключить движение воздуха (ветер, сквозняк) над поверхностью воды.

4. Почему очки запотевают, когда вы входите с мороза в тёплое помещение?

4. Решение

Это явление объясняется физическим процессом, который называется конденсация.

1. Воздух в тёплом помещении всегда содержит определённое количество невидимого водяного пара. Чем выше температура воздуха, тем больше влаги он может в себе содержать.

2. Когда вы входите в тёплое помещение с мороза, ваши очки имеют низкую температуру, близкую к температуре наружного воздуха.

3. Тёплый и влажный воздух комнаты, соприкасаясь с холодной поверхностью линз очков, резко охлаждается в тонком слое непосредственно у стекла.

4. При охлаждении относительная влажность воздуха в этом слое достигает 100%, и он больше не может удерживать всю влагу в виде пара. Температура, при которой это происходит, называется точкой росы. Поскольку температура холодных линз ниже точки росы для комнатного воздуха, "излишки" водяного пара превращаются в жидкость.

5. В результате этого процесса на поверхности линз образуется множество мельчайших капелек воды. Эти капли рассеивают проходящий через них свет, из-за чего линзы выглядят мутными — мы говорим, что они "запотели".

Через некоторое время очки нагреваются от окружающего воздуха до комнатной температуры. Когда их поверхность становится теплее точки росы, сконденсировавшаяся вода испаряется, и очки снова становятся прозрачными.

Ответ: Очки запотевают из-за конденсации водяного пара из тёплого комнатного воздуха на их холодной поверхности, занесённой с мороза.