СВОЙСТВА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ*

Урок № 11

Тема. Парообразование и конденсация. Насыщенная и ненасичена пара

Цель: совершенствовать знания учащихся о парообразование и конденсацию, объяснить процессы парообразования и конденсации на основе атомно-молекулярных и термодинамических подходов; ввести понятие насыщенного и ненасыщенного пара, зависимость насыщенного пара от давления.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование: вода, спирт, бумага, масло.

Основные понятия: парообразование, испарение, конденсация, сублимация, скорость испарения, причины испарения жидкости и твердых тел, насыщенная и ненасичена пара.

Тот, кто болтает о природе, вместо того,

чтобы с помощью эксперимента и наблюдений

заставить и говорить, никогда не познает ее.

Только опыт снимает завесу с тайн природы.

Галилео Галилей

ХОД УРОКА

И. Актуализация опорных знаний

Вода путь берет из ручья,

Ручьи по пути собирает река.

Река повноводно течет на просторе,

Пока она не вливается в море.

Моря поповняють запас океана,

Над ним возникают клубы тумана.

Поднимаются вверх - их уже не достать,

Потому облаками в небе суждено стать.

Облака же кудрявые, проплыв над нами,

Дождем проливаются, сыплют снегами.

Вода же весной в ручьях заговорит,

И те потекут в речных просторов

- Как называют описанный процесс?

- В каких агрегатных состояниях может находиться вещество?

- Описать процессы, названные на картинке: кристаллизация, конденсация, парообразование, плавление, сублимация.

Слово учителя. Вокруг нас везде происходят взаимные превращения жидкости и пара. Жидкости превращаются в невидимую пару, то есть переходят в газообразное состояние; иногда, наоборот, возникают капельки жидкости, образующиеся из пары. В особо крупных размерах происходят в природе и технике взаимные превращения водяного пара и воды. Водяной пар образуется не только на больших водных пространствах поверхности Земли, но и на суше; вода непрерывно испаряется с поверхности почвы, листьев растений, из кожи и из легких животных.

II. Изучение нового материала

Учитель. Процесс превращения веществ (жидкостей, твердых тел) в газообразное состояние - пар называется парообразованием. Существует два вида парообразования:

• Испарение (со свободной поверхности жидкости, сублимация)

• Кипения (по всему объему жидкости)

Пар - это газообразное состояние вещества, в который могут переходить как жидкости, так и твердые тела.

Испарение - процесс превращения жидкости в пар.

Происходит при любой температуре. Жидкость при испарении охлаждается, поскольку ее покидают «найшвидкіші» молекулы, которые находятся ближе к поверхностному слою. Кинетическая энергия таких молекул достаточно велика, чтобы они смогли вылететь из жидкости, преодолев притяжения остальных молекул. Скорости молекул жидкости все время меняются из-за столкновения. Хотя средняя скорость молекул остается неизменной, некоторые молекулы в результате столкновений могут за счет других молекул приобретать скоростей, в несколько раз превышают среднее значение. Именно эти молекулы и вылетают из жидкости при испарении. Поскольку жидкость покидают самые быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия молекул, оставшихся уменьшается, т.е. жидкость при испарении охлаждается. Чем быстрее испаряется жидкость, тем сильнее она охлаждается.

Во время нагрева жидкости скорость ее испарения увеличивается, поскольку, чем выше температура жидкости, тем больше средняя кинетическая энергия ее молекул, а следовательно, тем больше число «быстрых молекул», способных вылететь из жидкости. Этим свойством часто пользуются, чтобы ускорить высыхание различных поверхностей. Означает ли это, что средняя кинетическая энергия молекул пара будет больше, чем средняя кинетическая энергия молекул жидкости при той же температуре? Нет, не значит! Во время вылетания из жидкости молекула тормозится силами молекулярного притяжения со стороны других молекул жидкости. Молекулы, в результате вылетают, теряют избыток кинетической энергии, и средняя кинетическая энергия молекул пара оказывается точно такой же, как и средняя кинетическая энергия молекул жидкости.

На что же расходуется энергия, подводимая к жидкости, если кинетическая энергия молекул не изменяется? Для того чтобы «вырвать» молекулу из жидкости, необходимо совершить работу. Но, совершая работу, мы увеличиваем потенциальную энергию, то есть полная энергия молекул пара при той же температуре больше полную энергию молекул жидкости. На «вырывание» молекул из жидкости и тратится почти вся теплота, подводимая к жидкости.

Опыт. Вещество быстрее испарится при одинаковых условиях?

На бумагу нанести кисточкой воду, спирт, масло.

Работа в группах

Задание для 1-й группы: исследуйте скорость испарения воды, спирта, масла.

Задание для 2-й группы: исследуйте зависимость скорости испарения от площади поверхности жидкости. Для этого нанесите пипеткой 2 капли воды на сухую стеклянную пластину и пластинку, покрытую парафином.

Задания 3-й группы: исследуйте зависимость скорости испарения от температуры жидкости. Для этого нанесите на 2 стеклянные пластинки пипеткой 2 капли воды. Одну из этих пластинок нагрейте. Сделайте вывод.

Отчет групп: скорость испарения зависит от температуры жидкости, площади ее поверхности, от рода вещества.

Вопрос к классу

- Назовите свойства испарения.

1) Происходит при любой температуре;

2) вследствие вылетания быстрых молекул вещество охлаждается;

3) зависит от температуры, площади поверхности, наличия ветра, рода вещества, давления, влажности;

4) существует обратный процесс - конденсация.

Слово учителя. Кипения - особый вид испарения. Изучая кипения в 8 классе, мы обращали внимание на внешние признаки кипения: мелкие пузырьки, появляющиеся на поверхности воды, лопаются, и пара, которая содержится в них, выходит в атмосферу. В случае достижения жидкостью определенной температуры, которую называют температурой кипения, образование пара начинается не только со свободной поверхности, но и внутри жидкости. Интересно то, что когда вода нагреется до 100 °С и кипит, то сколько бы времени мы не грели воду, температура ее не будет меняться. На что же расходуется тепло, если температура воды не меняется? Процесс превращения воды в пар требует энергии. Сравним энергию грамма воды и грамма образованной из нее пара. Молекулы пара расположены дальше друг от друга, чем молекулы воды. Понятно, что через это потенциальная энергия воды будет отличаться от потенциальной энергии пара. Потенциальная энергия частиц, которые притягиваются, уменьшается с их сближением. Поэтому энергия пара больше за энергию воды, и превращение воды в пар требует энергии.

Опыт. В алюминиевой банке емкостью 0,33 л сделать с помощью сверла отверстие диаметром 2-3 мм. Слить через отверстие газированную воду в стакан, оставив в банке немного воды. Далее поставить банку на спиртовку. После того как вода в банке закипит, снять ее со спиртовки и закрыть отверстие пробкой. Через некоторое время банка начнет сплющуватись со страшным скрежетом.

1. Почему банка сплющилась?

2. Зачем было ждать кипения воды?

3. Почему, чтобы лучше прошел опыт, надо минутку подождать во время кипения воды?

4. Можно ли вернуть банке предыдущую форму?

Объяснение явления

Во время нагревания и кипения воды почти весь воздух из банки было вытеснено водяным паром. После того как банка сняли со спиртовки и отверстие закрыли пробкой, водяной пар начала остывать и конденсуватись. Давление в банке значительно уменьшился, и сила разницы давлений схлопнул банка.

Ответы на вопросы:

1. После того как банка сняли со спиртовки и отверстие закрыли пробкой, водяной пар начала остывать, превращаясь в жидкость. Давление в банке значительно уменьшился, и сила разницы давлений схлопнул банка.

2. Во время кипения интенсивно образуется водяной пар, который в этом опыте вытесняет воздух из банки и затем конденсируется.

3. Чтобы в банке почти не осталось воздуха.

4. Теоретически это выглядит так. Надо поставить банку на спиртовку нагреваться. Вода закипит, и давление водяного пара начнет раздувать банка, предоставляя ей предшествующей формы. Но на практике этого сделать нельзя, потому что во время первой или последующей деформации стенки банки не выдерживают - в местах перегибов появляются отверстия, через которые выходит пар.

Учитель. Если испарение происходит в закрытом сосуде, то через некоторое время количество жидкости в сосуде перестает уменьшаться, хотя быстрые молекулы продолжают переходить в пар. Это объясняется тем, что одновременно с испарением в сосуде происходит конденсация. Если уровень жидкости не меняется, это означает, что оба процесса идут с одинаковой скоростью, то есть за каждую секунду жидкость оставляет в среднем столько же молекул, сколько их переходит из пара в жидкость. В таком случае говорят, что жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Такое состояние представляет собой только кажущийся покой: например, при комнатной температуре каждый квадратный сантиметр поверхности воды ежесекундно «простреливают» в обоих направлениях 1022 молекул, летящих со скоростями артиллерийских снарядов.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Именно такая пара находится над поверхностью жидкости в закрытом сосуде.

Если процесс испарения идет быстрее, чем процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасичена пара.

Давление пара р0, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара.

Поскольку взаимодействием между молекулами пара можно пренебречь, то означает Ли это, что давление насыщенного пара обратно пропорционален объему, который она занимает? Нет, не значит, потому что масса насыщенного пара не остается постоянной в случае изменения объема. Для того чтобы пара оставалась насыщенной, ее концентрация должна оставаться неизменной. Поэтому масса пары изменяется пропорционально ее объему, следовательно, давление насыщенного пара не зависит от объема.

Чем выше температура, тем больше давление. Однако эта зависимость р0(Т), установленная экспериментально, не является линейной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насыщенного пара повышается быстрее, чем давление идеального газа. Давление насыщенного пара увеличивается за счет повышения концентрации молекул пара. Когда вся жидкость испаряется, пар во время дальнейшего нагрева перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объема будет расти прямо пропорционально абсолютной температуре.

Следовательно, давление насыщенного пара зависит только от ее химического состава и температуры и не зависит от величины объема, который она занимает.

Опыты с водой показали, что при температуре 374 °С переход пар - жидкость происходит одним скачком. Такая температура называется критической, а состояние газа - критическим. В критическом состоянии газ и жидкость не будут отличаться друг от друга. Если температура выше критической, то газ нельзя превратить в жидкость ни при каких давлениях.

Свойства насыщенного пара и условия кипения применяют в различных отраслях:

1. Кипения при высоких температурах: автоклавы в медицине, пищевой промышленности, строительной индустрии, паровые двигатели.

2. Кипения при низких температурах: сахарная промышленность (сушильни), в горах чаще жарят, чем варят.

III. Обобщение знаний

Опыт (перед началом опыта установить прозрачный защитный экран!). Кругло-донную колбу заполнить наполовину водой. Довести ее до кипения. Прекратить подогревать и закрыть колбу резиновой пробкой, перевернуть вверх дном и, подставив под нее емкость, полить со стакана холодной водой. Вода в колбе снова закипит.

- Почему вода в колбе закипела?

- Почему для этого опыта лучше брать кругло-донную колбу?

- Почему трудно вытащить пробку из колбы после проведения опыта?

- Что будет, если во время кипения воды в колбе закрыть ее пробкой?

Объяснение явления

Учащимся предоставляется возможность высказать мнение и помочь объяснить явление на основе изученного материала.

1. Охлаждалась не только вода, но и стенки колбы. Вследствие этого водяной пар, что была в колбе, частично сконденсувалась. Это повлекло за собой снижение давления в колбе. Как известно, вода закипает при температурах ниже 100 °С, если давление меньше атмосферного.

2. В этом опыте происходят значительные перепады давлений. Как известно, кругло-подобные формы хорошо выдерживают давление и внутренние механические напряжения.

3. Под действием силы разности давлений, атмосферного и в колбе, пробка сильно закупоривает колбу. Чтобы ее вытащить, надо снова нагреть воду до кипения.

4. Кипение прекратится, потому что в колбе начнет расти давление.

IV. Итог урока

Объяснить:

а) сходство между насыщенным паром и идеальным газом;

б) различие между ними.

Решить задачу: в 10 л воздуха при температуре 30 °С содержится 0,2 г водяного пара. Какое количество пара сконденсується, если при постоянной температуре уменьшить объем воздуха вдвое?

V. Домашнее задание

1. Которой является плотность насыщенного пара при температуре 100 °С?

2. До какого значения надо снизить давление, чтобы вода кипела при температуре 90 °С? При температуре 50 °С?