Страница 68 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какой процесс называют испарением?

1. Какой процесс называют испарением?

Решение:

Испарение — это физический процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), который происходит с его свободной поверхности. Этот процесс является одним из видов парообразования, наряду с кипением. В отличие от кипения, которое происходит при определенной температуре (температуре кипения) по всему объему жидкости, испарение возможно при любой температуре, при которой вещество существует в жидком состоянии.

Механизм испарения объясняется на основе молекулярно-кинетической теории. Молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Их кинетические энергии распределены по определенному закону: есть как "медленные" молекулы, так и очень "быстрые". Те молекулы, которые находятся у поверхности жидкости и чья кинетическая энергия оказывается достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения со стороны других молекул, вылетают из жидкости. Совокупность этих вылетевших молекул и образует пар над жидкостью.

Так как жидкость покидают молекулы с наибольшей энергией, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Поскольку температура тела является мерой средней кинетической энергии его молекул, это приводит к охлаждению испаряющейся жидкости (если нет подвода тепла извне). Поэтому испарение является эндотермическим процессом, то есть процессом, идущим с поглощением теплоты.

Скорость испарения зависит от нескольких ключевых факторов:

• Температура: С повышением температуры средняя кинетическая энергия молекул возрастает, и большее их число оказывается способным преодолеть поверхностный барьер. Поэтому испарение идет быстрее.
• Площадь поверхности: Чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше молекул одновременно могут ее покинуть.
• Скорость ветра: Ветер или любой другой поток воздуха над поверхностью уносит образовавшиеся молекулы пара, уменьшая их концентрацию и предотвращая их возвращение в жидкость (процесс конденсации). Это увеличивает чистую скорость испарения.
• Род жидкости: Жидкости с более слабыми межмолекулярными силами (например, эфир, спирт) испаряются значительно быстрее, чем жидкости с сильными связями (например, вода или ртуть) при одинаковых условиях.
• Влажность воздуха: Чем суше воздух над поверхностью жидкости, тем интенсивнее идет испарение, так как разность концентраций пара у поверхности и вдали от нее больше.

Ответ: Испарением называют процесс парообразования (перехода вещества из жидкого состояния в газообразное), происходящий со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

2. Объясните на основе МКТ, как происходит процесс испарения.

1. Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), происходящий на свободной поверхности этого вещества. Важной особенностью испарения является то, что оно может происходить при любой температуре, в отличие от кипения, которое происходит при определённой температуре и по всему объёму жидкости.

Ответ: Испарением называют процесс парообразования, который происходит со свободной поверхности жидкости при любой температуре.

2. На основе молекулярно-кинетической теории (МКТ) процесс испарения объясняется следующим образом. Молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Их скорости, а следовательно и кинетические энергии, не одинаковы: среди них есть как "медленные", так и "быстрые" молекулы. Молекулы в жидкости удерживаются вместе силами межмолекулярного притяжения.

Те молекулы, которые находятся у поверхности жидкости и обладают достаточно большой кинетической энергией ($E_k$), могут преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул и вылететь за пределы жидкости. Совокупность таких покинувших жидкость молекул и образует пар над ней.

Поскольку жидкость покидают молекулы с наибольшей кинетической энергией, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается. Так как температура тела является мерой средней кинетической энергии его молекул, то температура испаряющейся жидкости понижается. Именно поэтому испарение сопровождается охлаждением.

Ответ: Согласно МКТ, молекулы жидкости постоянно движутся. Некоторые молекулы у поверхности обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения соседних молекул и покинуть жидкость, превратившись в пар. Уход "быстрых" молекул приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся, что вызывает охлаждение жидкости.

3. Процесс испарения для каждого вещества имеет свои особенности (например, разную скорость или требуемую энергию) из-за различий в строении и свойствах их молекул. Ключевыми факторами являются:

• Сила межмолекулярного взаимодействия. У разных веществ молекулы притягиваются друг к другу с разной силой. Чем сильнее эти силы, тем большую кинетическую энергию должна иметь молекула, чтобы "оторваться" от поверхности. Например, в воде молекулы связаны прочными водородными связями, поэтому для ее испарения требуется больше энергии, и оно происходит медленнее, чем испарение спирта или эфира, где межмолекулярные силы слабее.
• Молярная масса. При одной и той же температуре средняя кинетическая энергия молекул одинакова. Однако молекулы с меньшей массой имеют большую среднюю скорость, что облегчает им преодоление поверхностного барьера.

Эти молекулярные свойства определяют величину удельной теплоты парообразования ($L$) — физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо сообщить единице массы вещества, чтобы полностью превратить его в пар при температуре кипения. Поскольку силы взаимодействия и масса молекул уникальны для каждого вещества, то и удельная теплота парообразования, а также скорость испарения при прочих равных условиях, для каждого вещества свои.

Ответ: Особенности испарения для каждого вещества определяются уникальными для него силами межмолекулярного взаимодействия и массой молекул. Чем сильнее притяжение между молекулами и чем они тяжелее, тем больше энергии требуется для их отрыва от поверхности, и тем медленнее идет процесс испарения.

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

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

Это различие обусловлено фундаментальными отличиями в механизмах этих двух фазовых переходов на молекулярном уровне.

Плавление – это переход вещества из твёрдого кристаллического состояния в жидкое. В твёрдых телах частицы (атомы или молекулы) жёстко связаны друг с другом и образуют упорядоченную структуру — кристаллическую решётку. Частицы могут лишь совершать тепловые колебания около своих положений равновесия. Чтобы разрушить эту решётку и заставить частицы двигаться свободно, как в жидкости, им необходимо сообщить определённую энергию. Этот процесс является коллективным, то есть он охватывает весь объём тела. Разрушение всей кристаллической структуры происходит при достижении частицами определённой средней кинетической энергии, которая соответствует строго определённой температуре — температуре плавления ($T_{пл}$). Во время плавления вся подводимая к телу теплота идёт на разрушение связей в решётке, а не на увеличение температуры.

Испарение – это процесс парообразования, который происходит со свободной поверхности жидкости (или твёрдого тела). Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом движении. Их скорости и, соответственно, кинетические энергии не одинаковы: есть медленные, средние и очень быстрые молекулы. В любой момент времени у поверхности жидкости находятся молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылететь из жидкости. Поскольку такие «быстрые» молекулы существуют при любой температуре (выше абсолютного нуля), то и испарение происходит при любой температуре. Скорость этого процесса, конечно, зависит от температуры: чем она выше, тем больше молекул обладают достаточной энергией для отрыва, и испарение идёт интенсивнее.

Следует отличать испарение от кипения. Кипение — это тоже процесс парообразования, но он происходит не с поверхности, а по всему объёму жидкости, с образованием пузырьков пара. Кипение, как и плавление, начинается при строго определённой для данного давления температуре — температуре кипения ($T_{кип}$). Вопрос же касается именно испарения.

Ответ: Температура плавления является определённой, так как плавление — это коллективный процесс разрушения кристаллической решётки во всём объёме вещества, для которого требуется достижение определённого энергетического порога всеми частицами, что соответствует конкретной температуре. Испарение же — это статистический процесс ухода отдельных, наиболее энергичных молекул с поверхности жидкости. Так как в жидкости при любой температуре существует распределение молекул по скоростям, всегда найдутся молекулы, способные покинуть жидкость, поэтому испарение происходит при любой температуре.

4. Какими способа-

Вопрос на изображении приведён не полностью. Предположительно, полный вопрос звучит так: «Какими способами можно ускорить процесс испарения?». Исходя из этого, приводим ответ.

Скорость испарения можно увеличить несколькими основными способами:

1. Повысить температуру жидкости. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул возрастает. Это приводит к тому, что большее число молекул на поверхности жидкости будет обладать энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения и перехода в газообразное состояние.
2. Увеличить площадь поверхности жидкости. Испарение происходит со свободной поверхности. Чем больше эта площадь, тем большее число молекул одновременно имеет возможность покинуть жидкость. Например, вода, разлитая по тарелке, испарится значительно быстрее, чем то же количество воды в стакане.
3. Создать движение воздуха (ветер) над поверхностью. Ветер уносит молекулы пара, которые только что покинули жидкость. Это снижает концентрацию пара над поверхностью и уменьшает скорость обратного процесса — конденсации (возвращения молекул в жидкость). В результате чистая скорость испарения увеличивается.
4. Уменьшить влажность окружающего воздуха. Если воздух сухой, он может вместить больше водяного пара. Процесс испарения в сухую погоду идёт гораздо быстрее, чем во влажную, когда воздух уже насыщен паром.

Ответ: Ускорить испарение можно повышением температуры жидкости, увеличением площади её поверхности, созданием ветра над поверхностью или уменьшением влажности окружающего воздуха.

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

4. Процесс испарения, то есть перехода вещества из жидкого состояния в газообразное с его свободной поверхности, можно ускорить несколькими способами. Объяснение этих способов основывается на положениях молекулярно-кинетической теории (МКТ).

Повышение температуры жидкости.
Согласно МКТ, температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул увеличивается. Это означает, что возрастает доля «быстрых» молекул, энергия которых достаточна для преодоления сил межмолекулярного притяжения и вылета с поверхности жидкости. Чем больше таких молекул, тем интенсивнее идет испарение.

Увеличение площади свободной поверхности жидкости.
Испарение происходит только с поверхности жидкости. Чем больше площадь этой поверхности, тем большее количество молекул одновременно находится в приповерхностном слое и имеет возможность покинуть жидкость. Следовательно, скорость испарения прямо пропорциональна площади поверхности. Например, вода, разлитая по тарелке, испарится гораздо быстрее, чем то же количество воды в стакане.

Наличие ветра (движения воздуха) над поверхностью жидкости.
Над поверхностью жидкости образуется слой пара, состоящий из вылетевших молекул. Если этот слой остается неподвижным, пар может стать насыщенным, и тогда начнется обратный процесс — конденсация, когда молекулы пара возвращаются в жидкость, что замедляет общее испарение. Ветер уносит молекулы пара от поверхности жидкости, не давая им скопиться и снижая их концентрацию. Это уменьшает скорость обратного процесса (конденсации) и, соответственно, увеличивает результирующую скорость испарения.

Использование более летучих жидкостей.
Разные жидкости испаряются с разной скоростью при одинаковых условиях. Например, спирт или эфир испаряются быстрее воды. С точки зрения МКТ, это объясняется тем, что силы межмолекулярного притяжения в этих жидкостях слабее, чем в воде. Поэтому молекулам требуется меньшая кинетическая энергия, чтобы покинуть жидкость, и при той же температуре большее их число способно это сделать.

Ответ: Процесс испарения можно ускорить: 1) повышая температуру жидкости; 2) увеличивая площадь ее свободной поверхности; 3) создавая ветер или поток воздуха над поверхностью; 4) используя жидкость с более слабыми межмолекулярными силами (более летучую). Все эти способы, с точки зрения МКТ, увеличивают число молекул, покидающих поверхность жидкости в единицу времени, и/или уменьшают число молекул, возвращающихся обратно.

5. Конденсацией называют процесс фазового перехода вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое. Этот процесс является обратным испарению.

С точки зрения МКТ, конденсация происходит, когда молекулы в газовой фазе, находясь в хаотичном движении, теряют свою кинетическую энергию (например, при столкновении с более холодной поверхностью или друг с другом при достаточно высокой концентрации). Когда их скорость уменьшается настолько, что силы межмолекулярного притяжения становятся способными удержать их вместе, они объединяются, образуя капли жидкости. Процесс конденсации всегда сопровождается выделением энергии (так называемой теплоты конденсации).

Примерами конденсации являются образование росы на траве, появление капель воды на запотевшем окне или на стенках стакана с холодным напитком, а также образование облаков в атмосфере.

Ответ: Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, сопровождающийся выделением энергии.

6. Динамическое равновесие — это состояние закрытой системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны друг другу. В результате этого макроскопические параметры системы (такие как давление, температура, объем, концентрация) остаются постоянными, несмотря на то, что на микроскопическом уровне процессы продолжаются.

Рассмотрим пример динамического равновесия между жидкостью и её паром в закрытом сосуде. Сразу после герметизации сосуда начинается процесс испарения: молекулы с поверхности жидкости переходят в газовую фазу. По мере накопления пара над жидкостью, его плотность и давление растут. Это приводит к тому, что все большее число молекул пара, двигаясь хаотично, сталкивается с поверхностью жидкости и возвращается в нее — начинается процесс конденсации.

Скорость испарения (при постоянной температуре) остается практически постоянной, а скорость конденсации растет по мере увеличения концентрации пара. В некоторый момент наступает состояние, когда число молекул, покидающих жидкость за единицу времени (скорость испарения), становится равным числу молекул, возвращающихся в нее за то же время (скорость конденсации). Это и есть состояние динамического равновесия. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.

Ответ: Динамическое равновесие (в контексте фазовых переходов) — это состояние в закрытой системе, при котором скорость испарения жидкости равна скорости конденсации ее пара, в результате чего количество жидкости и пара остаются неизменными.

5. Какой процесс называют конденсацией?

Конденсация — это физический процесс перехода вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое или, в некоторых случаях, сразу в твердое (этот процесс также называют десублимацией). Конденсация является фазовым переходом, обратным процессу парообразования (испарения).

Этот процесс происходит при выполнении одного из двух условий: либо пар охлаждается до температуры ниже точки росы, либо его давление увеличивается до значения, превышающего давление насыщенного пара при данной температуре. Когда молекулы пара теряют свою кинетическую энергию (например, при столкновении с более холодной поверхностью или другими, более медленными молекулами), силы межмолекулярного притяжения начинают преобладать. Это заставляет молекулы сближаться и образовывать скопления, которые мы наблюдаем как капли жидкости.

Конденсация — экзотермический процесс, то есть он сопровождается выделением тепла. Количество теплоты $Q$, выделяющееся при конденсации массы $m$ вещества, равно произведению массы на удельную теплоту парообразования $L$:

$Q = L \cdot m$

Примерами конденсации, встречающимися в повседневной жизни и в природе, являются: образование капель воды на внешней стороне стакана с холодным напитком, запотевание окон и зеркал, формирование росы на траве по утрам, а также образование облаков и тумана в атмосфере.

Ответ: Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое, сопровождающийся выделением тепла.

6. Что такое динамическое равновесие?

5. Какой процесс называют конденсацией?

Конденсация — это фазовый переход вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое. Этот процесс является обратным испарению. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, молекулы в газообразном состоянии находятся в непрерывном хаотическом движении. Когда пар охлаждается или сжимается, кинетическая энергия его молекул уменьшается. Силы межмолекулярного притяжения, которые на больших расстояниях пренебрежимо малы, становятся достаточно сильными, чтобы удержать медленные молекулы вместе, формируя капли жидкости. Процесс конденсации сопровождается выделением энергии, называемой теплотой конденсации. Примерами конденсации в природе являются образование росы, тумана и облаков.

Ответ: Конденсацией называют процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

6. Что такое динамическое равновесие?

Динамическое равновесие — это состояние, в котором замкнутая термодинамическая система кажется статичной на макроскопическом уровне, но на самом деле в ней с одинаковой скоростью протекают два взаимообратных процесса. В результате этого макроскопические параметры системы, такие как давление, температура и концентрация веществ, не изменяются со временем. «Динамическое» означает, что процессы на микроуровне не останавливаются. Например, в закрытом сосуде с водой и ее паром устанавливается динамическое равновесие, когда скорость испарения (перехода молекул из жидкости в пар) становится равной скорости конденсации (возвращения молекул из пара в жидкость). В итоге количество жидкости и пара остается постоянным, хотя отдельные молекулы постоянно переходят из одной фазы в другую.

Ответ: Динамическое равновесие — это состояние системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны, в результате чего макроскопические характеристики системы остаются неизменными.

7. Какой пар называют насыщенным?

Насыщенным называют пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. В этом состоянии число молекул, покидающих поверхность жидкости за единицу времени, равно числу молекул пара, возвращающихся в жидкость за то же время. Для данной температуры насыщенный пар имеет максимально возможную плотность и оказывает максимально возможное давление. Это давление называют давлением насыщенного пара. Если при постоянной температуре попытаться уменьшить объем, занимаемый насыщенным паром, его давление не увеличится, а часть пара сконденсируется в жидкость. Если же объем увеличить, то часть жидкости испарится, поддерживая пар в насыщенном состоянии, пока вся жидкость не испарится.

Ответ: Насыщенным называют пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

7. Какой пар называют насыщенным?

Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей сконденсированной фазой (то есть с жидкостью или твердым телом, из которого он образовался).

Рассмотрим этот процесс подробнее. В закрытом сосуде с жидкостью молекулы постоянно покидают ее поверхность (процесс испарения) и, хаотично двигаясь в пространстве над жидкостью, некоторые из них возвращаются обратно (процесс конденсации).

• Вначале, когда пара над жидкостью мало, скорость испарения намного больше скорости конденсации.
• По мере того как концентрация (плотность) молекул пара увеличивается, возрастает и скорость конденсации.
• В итоге наступает момент, когда количество молекул, покидающих жидкость за единицу времени, становится равным количеству молекул, возвращающихся в нее. Это состояние и называется динамическим равновесием.

Пар, достигший такого состояния равновесия, и является насыщенным. При данной температуре он обладает максимальной возможной плотностью и оказывает максимальное давление, которое называется давлением насыщенного пара. Это давление не зависит от объема сосуда (пока в нем есть жидкость), но сильно зависит от температуры: с ростом температуры давление насыщенного пара быстро увеличивается.

Если пар не находится в равновесии со своей жидкостью и его давление меньше давления насыщенного пара при данной температуре, его называют ненасыщенным.

Ответ: Насыщенным называют пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. В этом состоянии скорость испарения равна скорости конденсации, а пар имеет максимально возможные плотность и давление при данной температуре.

8. Какой пар называют ненасыщенным?

7. Какой пар называют насыщенным?

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

Представим себе закрытый сосуд, в котором находится жидкость. Молекулы жидкости постоянно движутся, и наиболее быстрые из них могут преодолеть силы притяжения и покинуть поверхность жидкости. Этот процесс называется испарением. Одновременно с этим, молекулы пара, находящиеся над жидкостью, хаотично движутся и некоторые из них возвращаются обратно в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

В начальный момент времени скорость испарения значительно превышает скорость конденсации. Однако по мере увеличения концентрации молекул пара над жидкостью, скорость конденсации возрастает. В конце концов, наступает момент, когда число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в неё. Устанавливается динамическое равновесие: скорость испарения становится равной скорости конденсации. Пар, находящийся в таком равновесном состоянии со своей жидкостью, и называется насыщенным.

Важнейшее свойство насыщенного пара заключается в том, что его давление (и плотность) при постоянной температуре ($T = \text{const}$) не зависит от объема, который он занимает (до тех пор, пока в сосуде остается жидкость). Давление и плотность насыщенного пара зависят только от температуры и природы вещества. С ростом температуры давление и плотность насыщенного пара увеличиваются.

Ответ: Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, когда скорость процесса испарения равна скорости процесса конденсации.

8. Какой пар называют ненасыщенным?

Ненасыщенным паром называют пар, давление которого меньше, чем давление насыщенного пара при той же самой температуре. Такой пар не находится в состоянии равновесия со своей жидкостью.

В системе, где пар является ненасыщенным, скорость испарения превышает скорость конденсации (если жидкость еще присутствует). Это означает, что жидкость будет продолжать испаряться до тех пор, пока пар не станет насыщенным, либо пока вся жидкость не испарится. Если вся жидкость испарилась, а пар занимает весь предоставленный объем, он также является ненасыщенным.

Свойства ненасыщенного пара, в отличие от насыщенного, зависят от объема. При изотермическом сжатии ($T = \text{const}$) его давление и плотность увеличиваются. По своим свойствам ненасыщенный пар (особенно при невысоких давлениях) близок к идеальному газу, и его состояние можно описать уравнением Менделеева-Клапейрона: $p V = \frac{m}{M} R T$.

Ненасыщенный пар можно перевести в состояние насыщения либо путем изотермического сжатия (уменьшая объем), либо путем изохорного охлаждения (понижая температуру при постоянном объеме).

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