Страница 69 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Объясните, почему давление насыщенного пара зависит от рода вещества.

Давление насыщенного пара — это давление, при котором жидкость и её пар находятся в состоянии динамического равновесия. В этом состоянии скорость испарения (перехода молекул из жидкости в пар) равна скорости конденсации (возврата молекул из пара в жидкость). Зависимость этого давления от рода вещества объясняется различиями в силах межмолекулярного взаимодействия.

Рассмотрим процессы, происходящие на молекулярном уровне в закрытом сосуде с жидкостью:

1. Испарение: Молекулы в жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении. Некоторые из них, особенно у поверхности, обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны других молекул. Такие молекулы покидают жидкость и образуют пар над ней.
2. Конденсация: Молекулы пара, двигаясь над поверхностью жидкости, могут быть захвачены силами притяжения и вернуться в жидкое состояние. Скорость этого процесса пропорциональна концентрации (а значит, и давлению) пара.

Вначале скорость испарения превышает скорость конденсации. По мере накопления пара его давление растет, и скорость конденсации увеличивается. В итоге наступает динамическое равновесие, когда оба процесса уравновешивают друг друга. Давление пара в этот момент и является давлением насыщенного пара.

Ключевым фактором, который отличает одно вещество от другого в этом контексте, является сила межмолекулярного взаимодействия.

• У веществ со слабыми силами притяжения между молекулами (например, у эфира) молекулам требуется меньше энергии, чтобы покинуть жидкость. При одной и той же температуре гораздо большее число молекул обладает этой энергией. Это приводит к высокой скорости испарения. Чтобы уравновесить этот интенсивный поток, требуется высокая концентрация молекул в паре, что создает высокое давление насыщенного пара.
• У веществ с сильными межмолекулярными связями (например, у воды, где действуют водородные связи, или у ртути с её металлическими связями) для испарения требуется значительно больше энергии. Лишь небольшая доля молекул способна преодолеть эти силы притяжения при данной температуре. Скорость испарения будет низкой. Равновесие наступит уже при небольшой концентрации молекул в паре, что соответствует низкому давлению насыщенного пара.

Таким образом, так как каждое вещество имеет уникальное строение молекул и, как следствие, свою собственную величину сил межмолекулярного взаимодействия, то и работа, которую нужно совершить молекуле для выхода из жидкости, будет разной. Это напрямую влияет на скорость испарения и, в конечном счете, определяет величину давления насыщенного пара при данной температуре.

Ответ: Давление насыщенного пара зависит от рода вещества, потому что у разных веществ различны силы межмолекулярного притяжения. Чем слабее силы притяжения между молекулами жидкости, тем легче им испариться. Это приводит к более высокой скорости испарения, и для достижения динамического равновесия (когда скорость испарения равна скорости конденсации) требуется более высокая концентрация молекул в паре, что и означает более высокое давление насыщенного пара.

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

Испарение из почвы летом значительно интенсивнее, чем зимой. Это обусловлено совокупностью нескольких ключевых факторов.

1. Температура

Скорость испарения напрямую зависит от температуры. Испарение — это процесс, при котором молекулы жидкости (в данном случае, воды) приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и перейти в газообразное состояние. Летом температура воздуха и поверхности почвы значительно выше из-за более интенсивного и продолжительного солнечного излучения. Высокая температура сообщает молекулам воды большую кинетическую энергию, что приводит к их более быстрому переходу в атмосферу. Зимой же низкие температуры означают, что молекулы воды обладают меньшей энергией, и, следовательно, процесс испарения сильно замедляется.

2. Агрегатное состояние воды

В зимний период в большинстве климатических зон вода в верхних слоях почвы замерзает, превращаясь в лед. Испарение может происходить и с твердой поверхности (этот процесс называется сублимацией или возгонкой), но его скорость несравненно ниже, чем скорость испарения с жидкой поверхности. Молекулам в кристаллической решетке льда требуется гораздо больше энергии для отрыва, чем молекулам в жидкой воде. Летом вся доступная влага в почве находится в жидком состоянии, что благоприятствует интенсивному испарению.

3. Наличие снежного покрова

Зимой почва часто бывает укрыта снегом. Снежный покров действует как теплоизолятор и физический барьер. Он препятствует прямому контакту почвенной влаги с атмосферой, тем самым практически останавливая испарение непосредственно из почвы. Испарение (сублимация) происходит с поверхности самого снежного покрова, но не из грунта под ним.

4. Влияние растительности (транспирация)

Летом огромный вклад в потерю влаги почвой вносит процесс транспирации — испарение воды растениями. Растения поглощают воду корнями и испаряют ее через устьица на листьях. Совокупный процесс испарения с поверхности почвы и транспирации растениями называется эвапотранспирацией. В летний период растительность активна, и транспирация достигает максимума. Зимой же большинство растений находятся в состоянии покоя, а листопадные деревья сбрасывают листву, что сводит транспирацию к минимуму.

Ответ: Испарение из почвы летом больше, чем зимой, главным образом из-за более высокой температуры, которая ускоряет переход воды в пар. Кроме того, летом вода в почве жидкая, а зимой часто замерзает (испарение со льда, или сублимация, идет гораздо медленнее). Также летом активная растительность усиливает потерю влаги через транспирацию, а зимой снежный покров часто служит барьером, препятствующим испарению из почвы.

2. Как предотвратить испарение воды в открытом сосуде?

Решение

Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности жидкости. Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении. Те из них, которые находятся у поверхности и обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения, вылетают из жидкости. Скорость испарения зависит от нескольких факторов: температуры, площади свободной поверхности, движения воздуха над поверхностью и влажности окружающего воздуха.

Хотя полностью прекратить испарение в открытом сосуде невозможно (пока он остается открытым), можно значительно его уменьшить или практически свести к нулю. Для этого необходимо повлиять на факторы, от которых зависит скорость испарения. Рассмотрим основные способы.

1. Создание физического барьера на поверхности воды

Это один из самых эффективных способов. На поверхность воды можно налить тонкий слой вещества, которое не смешивается с водой, имеет меньшую плотность и медленно испаряется. Классическим примером является масло (например, растительное или минеральное). Молекулы масла создают на поверхности воды пленку, которая физически препятствует выходу молекул воды в атмосферу. Этот метод используется даже в промышленных масштабах для уменьшения потерь воды из открытых резервуаров и водохранилищ.

2. Изменение условий окружающей среды

Скорость испарения сильно зависит от внешних условий. Управляя ими, можно замедлить процесс. Во-первых, следует понизить температуру: чем ниже температура воды и окружающего воздуха, тем меньше кинетическая энергия молекул воды. Соответственно, меньшему числу молекул будет хватать энергии для преодоления поверхностного натяжения и перехода в газообразное состояние. Поэтому сосуд следует держать в прохладном месте. Во-вторых, нужно уменьшить движение воздуха: ветер или сквозняк уносит молекулы пара, образовавшиеся над поверхностью воды, тем самым снижая локальную влажность и стимулируя дальнейшее испарение. Чтобы замедлить испарение, сосуд нужно поставить в безветренное место. В-третьих, можно повысить влажность воздуха: если воздух над поверхностью воды уже насыщен водяным паром (относительная влажность близка к 100%), то наступает динамическое равновесие, когда количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству молекул, возвращающихся в нее. В этом случае чистое испарение прекращается.

3. Уменьшение площади свободной поверхности

Испарение происходит со свободной поверхности жидкости. Чем меньше площадь этой поверхности, тем медленнее идет испарение при прочих равных условиях. Если есть выбор, то для хранения воды лучше использовать высокий и узкий сосуд, а не низкий и широкий, так как у первого площадь испарения будет меньше.

4. Закрытие сосуда

Хотя вопрос касается открытого сосуда, наиболее радикальным и действенным способом предотвратить испарение является его закрытие. Если сосуд плотно закрыть крышкой, то испарившиеся молекулы воды останутся в пространстве над жидкостью. Очень скоро это пространство насытится водяным паром, и установится динамическое равновесие, при котором скорость испарения станет равной скорости конденсации. В результате видимое испарение (уменьшение объема воды) прекратится.

Ответ:

Чтобы предотвратить или значительно уменьшить испарение воды в открытом сосуде, можно: налить на поверхность воды тонкий слой масла, который создаст барьер для испаряющихся молекул; понизить температуру воды и окружающего воздуха; защитить сосуд от ветра или сквозняков; повысить влажность окружающего воздуха; уменьшить площадь свободной поверхности воды, используя узкий и высокий сосуд. Наиболее эффективным способом является закрытие сосуда крышкой, что приводит к установлению динамического равновесия между процессами испарения и конденсации.

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

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

Это явление объясняется физическим процессом, который называется конденсацией. Давайте разберем его по шагам:

1. Когда вы находитесь на улице в морозную погоду, ваши очки (и линзы, и оправа) охлаждаются до низкой температуры окружающего воздуха.
2. Воздух в тёплом помещении всегда содержит определенное количество влаги в виде невидимого водяного пара. Причем тёплый воздух способен удерживать в себе гораздо больше водяного пара, чем холодный.
3. Когда вы с холодными очками входите в тёплое помещение, влажный воздух начинает контактировать с холодной поверхностью линз.
4. Слой воздуха, который соприкасается с холодными линзами, резко охлаждается. Из-за понижения температуры этот воздух больше не может удерживать в себе прежнее количество влаги. Температура поверхности линз оказывается ниже так называемой "точки росы" для воздуха в комнате.
5. "Избыточный" водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое, то есть конденсируется. На поверхности линз образуются миллионы мельчайших капелек воды.
6. Эти капельки воды рассеивают свет, проходящий через линзы, из-за чего они становятся непрозрачными, мутными — мы говорим, что они "запотели".

Через некоторое время линзы очков нагреваются до температуры комнаты, и сконденсировавшаяся на них вода испаряется обратно в воздух. Очки снова становятся прозрачными.

Ответ: Очки запотевают из-за конденсации водяного пара, содержащегося в тёплом воздухе помещения, на холодной поверхности линз. Когда температура поверхности очков ниже точки росы окружающего воздуха, пар превращается в мельчайшие капли воды, которые делают линзы мутными.

1. Нанесите пипеткой на лист бумаги по капле воды, одеколона и наблюдайте за их испарением. Какая жидкость испарится быстрее?

Нанесите пипеткой по одной капле спирта на разные листы бумаги. Один из листов наклоните, чтобы капля растеклась. Тем самым вы увеличите поверхность испарения этой капли. Наблюдайте за испарением капель. Какая капля испарится быстрее? Дайте объяснение.

Нанесите пипеткой по капле спирта на разные листы бумаги. Один лист отложите в сторону, а около второго помашите тетрадкой до полного высыхания капли. Посмотрите, испарилась ли другая капля. Дайте объяснение. Сделайте общий вывод из опытов.

Нанесите пипеткой на лист бумаги по капле воды, одеколона и наблюдайте за их испарением.

При проведении этого опыта можно заметить, что капля одеколона исчезнет с листа бумаги значительно быстрее, чем капля воды. Это происходит потому, что скорость испарения зависит от рода жидкости. Одеколон — это в основном раствор спирта в воде. Молекулы спирта слабее связаны друг с другом по сравнению с молекулами воды, которые удерживаются прочными водородными связями. Из-за более слабых межмолекулярных сил молекулам спирта требуется меньше энергии, чтобы вырваться с поверхности жидкости. Поэтому спирт и жидкости на его основе (одеколон) испаряются быстрее воды.

Ответ: Быстрее испарится капля одеколона.

Нанесите пипеткой по одной капле спирта на разные листы бумаги. Один из листов наклоните, чтобы капля растеклась.

В данном эксперименте быстрее испарится та капля спирта, которую "размазали" по бумаге, увеличив ее площадь. Испарение — это процесс, происходящий со свободной поверхности жидкости. Чем больше площадь этой поверхности, тем большее количество молекул может одновременно покинуть жидкость и перейти в состояние пара. Таким образом, увеличив площадь поверхности капли, мы увеличиваем и скорость ее испарения.

Ответ: Быстрее испарится капля, которая растеклась, так как у нее больше площадь поверхности испарения.

Нанесите пипеткой по капле спирта на разные листы бумаги. Один лист отложите в сторону, а около второго помашите тетрадкой...

Капля спирта на листе, возле которого создавали движение воздуха (махали тетрадкой), высохнет очень быстро. Вторая капля, оставленная в спокойном воздухе, за это же время испарится лишь незначительно. Это объясняется тем, что ветер, создаваемый тетрадкой, уносит испарившиеся молекулы спирта от поверхности капли. В результате над жидкостью не образуется слой воздуха, насыщенного парами спирта, который бы замедлял дальнейшее испарение (как это происходит над второй каплей). Постоянное удаление паров поддерживает высокую скорость испарения.

Ответ: Капля, обдуваемая воздухом, испарится полностью, в то время как вторая капля за это же время практически не изменится.

Общий вывод из опытов:

На основании проведенных экспериментов можно заключить, что скорость испарения жидкости зависит от трех основных факторов:
1. Род жидкости: Разные жидкости испаряются с разной скоростью (например, спирт испаряется быстрее воды).
2. Площадь поверхности: Чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем быстрее она испаряется.
3. Движение воздуха (ветер): Наличие ветра над поверхностью жидкости значительно ускоряет процесс испарения.

2*. Возьмите шприц, наполните его горячей водой так, чтобы и маленького пузырька воздуха не было под поршнем (рис. 35, а). Заткните отверстие шприца пальцем и выдвигайте поршень. Что образуется в пространстве между водой и поршнем? Опишите ваши ощущения во время этого опыта. Постарайтесь запомнить, как менялась сила, с которой надо было вытаскивать поршень.

Повторите эксперимент, используя вместо воды такой же объём воздуха (рис. 35, б). Удалось ли вам обнаружить разницу в ощущениях? Попробуйте объяснить результат.

Эксперимент с горячей водой (рис. 35, а)

Когда мы затыкаем отверстие шприца, наполненного горячей водой без пузырьков воздуха, и начинаем выдвигать поршень, мы увеличиваем объём пространства над водой. Поскольку вода является практически несжимаемой жидкостью, она не может расшириться и заполнить этот новый объём. В результате в пространстве между поршнем и поверхностью воды создаётся область очень низкого давления, близкого к вакууму.

Температура кипения жидкости зависит от давления над её поверхностью: чем ниже давление, тем при более низкой температуре она закипает. Горячая вода уже имеет достаточно высокую температуру. При резком понижении давления она начинает интенсивно кипеть. Этот процесс называется парообразованием. Таким образом, пространство между водой и поршнем заполняется водяным паром.

Ощущения и изменение силы: С самого начала выдвигать поршень очень тяжело. Это связано с тем, что на поршень снаружи давит атмосфера с силой, равной произведению атмосферного давления $p_{атм}$ на площадь поршня $S$. Внутри шприца давление очень низкое (оно равно давлению насыщенного пара воды $p_{нп}$ при данной температуре), поэтому сила, противодействующая нашему усилию, велика. По мере выдвижения поршня вода продолжает испаряться, и пространство заполняется насыщенным водяным паром, давление которого $p_{нп}$ остаётся постоянным (пока в шприце есть жидкая вода и её температура не меняется). Давление насыщенного пара горячей воды значительно меньше атмосферного давления. Поэтому для удержания поршня в выдвинутом положении требуется прикладывать почти постоянную и значительную силу. Ощущается сильное, практически не меняющееся сопротивление, как будто поршень "присасывается" обратно.

Ответ: В пространстве между водой и поршнем образуется водяной пар в результате кипения воды при пониженном давлении. Выдвигать поршень очень трудно, так как приходится преодолевать силу атмосферного давления. Сила, необходимая для выдвижения поршня, велика с самого начала и почти не меняется по мере его движения.

Эксперимент с воздухом (рис. 35, б) и сравнение результатов

Когда мы повторяем эксперимент с воздухом, ситуация кардинально меняется. Воздух, в отличие от воды, является газом и легко сжимаем и расширяем. Когда мы затыкаем отверстие шприца с воздухом и выдвигаем поршень, объём, занимаемый воздухом, увеличивается. Согласно закону Бойля–Мариотта, при постоянной температуре произведение давления газа на его объём остаётся постоянным ($p \cdot V = const$). Следовательно, при увеличении объёма $V$ давление воздуха $p$ внутри шприца уменьшается.

Ощущения и изменение силы: В начальный момент, когда мы только начинаем тянуть поршень, давление внутри шприца равно атмосферному, и сила, которую нужно приложить, равна нулю. По мере выдвижения поршня объём воздуха растёт, давление внутри падает, и возникает разность давлений между внешней средой и внутренней полостью шприца ($p_{атм} - p_{внутр}$). Эта разность давлений создаёт силу, противодействующую движению поршня. Чем дальше мы выдвигаем поршень, тем больше увеличивается объём, тем ниже становится давление внутри, а значит, тем большую силу нужно прикладывать. Таким образом, ощущается, что выдвигать поршень с воздухом гораздо легче, чем с водой, и сопротивление плавно нарастает по мере движения.

Разница в ощущениях и её объяснение: Да, разница в ощущениях очень существенна. Главные отличия заключаются в следующем: во-первых, в величине силы — в эксперименте с водой сила сопротивления очень велика с самого начала, а в эксперименте с воздухом она намного меньше. Во-вторых, в характере изменения силы — с водой сила практически постоянна, а с воздухом она плавно нарастает от нуля. Объясняется эта разница фундаментальными свойствами веществ: вода — практически несжимаемая жидкость, а воздух — легко расширяемый газ. В первом случае мы создаём вакуум, и на поршень действует почти вся сила атмосферного давления. Во втором случае мы просто расширяем газ, и сила определяется постепенным уменьшением его давления.

Ответ: Да, разницу в ощущениях обнаружить удалось. Выдвигать поршень с воздухом намного легче, чем с водой. Сила сопротивления в случае с воздухом нарастает плавно от нуля, в то время как в случае с водой она велика с самого начала и почти не меняется. Это объясняется тем, что воздух (газ) легко расширяется при увеличении объёма, а вода (жидкость) практически несжимаема, и при попытке увеличить объём над ней образуется пространство с очень низким давлением (заполненное водяным паром), из-за чего на поршень действует большая сила атмосферного давления.