Насыщенные и ненасыщенные пары

Если сосуд герметически закрыт, то пар над свободной поверхностью жидкости не удаляется из объема сосуда. В результате этого общее количество молекул и плотность пара над поверхностью жидкости возрастает. Вместе с этим увеличивается количество тех молекул пара, которые при конденсации возвращаются обратно в жидкость. В начальный момент времени испарение преобладает над конденсацией. В результате возрастает количество молекул пара. Понятно, что тогда увеличивается и число молекул, ежесекундно переходящих из пара в жидкость. В некоторый момент времени оба процесса будут уравновешивать друг друга. Количество, как пара, так и жидкости после этого изменяться не будет, хотя оба процесса будут протекать непрерывно. Равновесие между паром и жидкостью в этом случае называется подвижным или динамическим.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Если же испарение преобладает над конденсацией, то пар называется ненасыщенным. Его плотность меньше плотности пара, насыщающего пространство при данной температуре.

С ростом температуры давление насыщающего пара р₀ возрастает. Это обстоятельство объясняется двумя причинами.

Во-первых, при повышении температуры возрастает концентрация молекул пара л, т. е. количество молекул в единице объема. Дело в том, что при увеличении температуры, например от Tj до Т₂, существующее при температуре Т| равновесие жидкости и пара нарушается в связи с усилением испарения при более высокой температуре Т₂. Когда же пар вновь будет в динамическом равновесии с жидкостью при температуре Т₂, его концентрация п₂ будет больше прежней, равной «/. Следовательно, при каждом значении температуры Т концентрация насыщенного пара п имеет определенное однозначное значение.

Во-вторых, с ростом температуры возрастает значение средней скорости хаотического движения молекул, что повышает силу их удара о стенки сосуда, о поверхность соприкасающегося с газом тела.

Таким образом, каждому значению температуры будет соответствовать строго определенное значение давления насыщенного пара данного вещества. Зависимость давления р₀ насыщенного пара воды от температуры t°C можно наглядно продемонстрировать графически (рис. 16).

При рассмотрении графика видно, что давление р₀ более интенсивно, возрастает в области высоких температур.

Рис. 16.

При температуре 0 °C давление р₀ несколько отлично от нуля. Однако в некоторых учебных пособиях график изображен выходящим из точки, соответствующей t°=0. Такой вид графика, очевидно, соответствует допущению, что при t°=0 значением давления р₀ можно пренебречь.

Однако это допущение принципиально не верно, так как и при 0 °C происходит образование насыщенного пара, более того, насыщенный пар образуется и при отрицательных значениях температуры, когда происходит его образование с поверхности льда.

В отличие от газа давление насыщенного пара не зависит от объема. Чтобы понять, чем обусловлен этот факт, представим некоторое количество жидкости в цилиндре под поршнем (рис. 17).

Рис. 17.

Пусть пар находится в состоянии насыщения (рис. 17, а). При изотермическом увеличении объема пара (рис. 17,6) пар перестает насыщать новый объем, динамическое равновесие пара и жидкости нарушится. Тогда процесс испарения начнет преобладать над конденсацией пара, в результате будет восстановлено динамическое равновесие пара и жидкости. Концентрация пара вновь примет прежнее значение, соответствующее данной температуре. При этом количество жидкости под поршнем уменьшится, а общее количество насыщенного пара при другом значении объема увеличится.

При изотермическом уменьшении объема (рис. 17, в) пар переходит в перенасыщенное состояние, что приводит к нарушению динамического равновесия пара и жидкости с преобладанием процесса конденсации над испарением. В результате увеличится количество жидкости при уменьшении общего количества пара, концентрация же пара в насыщенном состоянии примет прежнее значение, соответствующее данному значению температуры.

Таким образом, для насыщенного пара не выполняется закон БойляМариотта. Это связано с тем, что масса насыщенного пара изменяется при изотермическом увеличении или уменьшении объема, а для газа же масса имеет постоянное значение.

Поскольку для каждой температуры характерна определенная концентрация (и давление) насыщенного пара, то общее количество насыщенного пара в данном объеме уменьшается при снижении температуры и увеличивается при се повышении. Этим объясняется образование росы и тумана, когда в ночные часы температура существенно понижается по сравнению с дневной. Иначе говоря, содержащийся в атмосфере пар в ночное время становится насыщенным при понижении температуры.

Для ненасыщенного пара выполняются газовые законы, причем с тем большей точностью, чем пар больше отличается от насыщенного.