Глава 1. Тепловые явления. § 18. Испарение. Конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар — с. 69
§ 18. Дополнительный вопрос. Объясните, почему давление насыщенного пара зависит от рода вещества.
Давление насыщенного пара определяется числом молекул пара в единице объёма при динамическом равновесии с жидкостью. Между молекулами разных веществ действуют разные силы притяжения. Если притяжение слабое (как у спирта или эфира), молекулы легче покидают жидкость, равновесие устанавливается при большей плотности пара, и давление насыщенного пара при данной температуре больше. Если притяжение сильное (как у воды, а тем более ртути или масла), вылетает меньше молекул, и плотность и давление насыщенного пара при той же температуре меньше. Поэтому при одинаковой температуре у разных жидкостей давление насыщенного пара разное.
Упражнение 15. Задача 1. Почему испарение из почвы летом больше, чем зимой?
Решение. Летом температура почвы и воздуха выше, чем зимой. С повышением температуры увеличивается средняя скорость молекул воды, и большее число молекул может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь с поверхности. Зимой же вода в почве часто замёрзшая, а испарение льда идёт очень медленно. Кроме того, летом чаще бывает ветер и воздух суше, что тоже ускоряет испарение.
Ответ: летом выше температура, поэтому скорость испарения воды из почвы больше.
Ответ: летом выше температура, поэтому скорость испарения воды из почвы больше.
Упражнение 15. Задача 2. Как предотвратить испарение воды в открытом сосуде?
Решение. Скорость испарения зависит от площади поверхности, температуры и движения воздуха над ней. Чтобы предотвратить испарение, сосуд надо плотно закрыть крышкой: тогда над водой быстро образуется насыщенный пар, число вылетающих и возвращающихся молекул сравняется, и масса воды перестанет уменьшаться. Можно также налить на поверхность тонкий слой масла, которое не смешивается с водой и мало испаряется, или хранить воду в прохладном месте, защищённом от ветра.
Ответ: закрыть сосуд крышкой (пар станет насыщенным); дополнительно — хранить в прохладном месте, без сквозняка.
Ответ: закрыть сосуд крышкой (пар станет насыщенным); дополнительно — хранить в прохладном месте, без сквозняка.
Упражнение 15. Задача 3. Почему очки запотевают, когда вы входите с мороза в тёплое помещение?
Решение. Стёкла очков на морозе холодные. В тёплом помещении в воздухе содержится водяной пар. Соприкасаясь с холодным стеклом, воздух охлаждается, и водяной пар, находящийся в нём, конденсируется (превращается в жидкость) в мельчайшие капельки воды, которые оседают на стекле. Они рассеивают свет, поэтому очки как бы затуманиваются. Когда стёкла нагреются до температуры воздуха, капли испарятся, и очки снова станут прозрачными.
Ответ: пар из тёплого воздуха конденсируется на холодном стекле в капельки воды.
Ответ: пар из тёплого воздуха конденсируется на холодном стекле в капельки воды.
Задание 11. Пункт 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 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.
Опыт 1. На лист бумаги наносим рядом по капле воды и одеколона примерно одинакового размера. Через 1–2 минуты капля одеколона полностью испаряется (остаётся лишь влажное пятно), капля воды остаётся значительно дольше (на высыхание уходит 10–20 минут и больше). Одеколон содержит спирт, молекулы которого притягиваются друг к другу слабее, чем молекулы воды, поэтому они легче вылетают с поверхности: быстрее испаряется одеколон.
Опыт 2. Две капли спирта наносим на два листа, один из листов наклоняем, и капля растекается тонкой плёнкой. Растёкшаяся капля исчезает быстрее (например, за 20–30 с против 1 мин у неразмазанной). Объяснение: при большей площади поверхности больше молекул находится у границы жидкости и воздуха и может вылететь за единицу времени.
Опыт 3. Две одинаковые капли спирта на двух листах: рядом с одной машем тетрадкой, другую оставляем в покое. Обдуваемая капля испаряется быстрее; к моменту её исчезновения вторая капля ещё не полностью высохла. Объяснение: воздух уносит вылетевшие молекулы пара, и они не возвращаются обратно в жидкость, поэтому испарение преобладает над конденсацией.
Вывод: скорость испарения зависит от рода жидкости (чем слабее притяжение между молекулами, тем быстрее), от площади свободной поверхности и от движения воздуха над ней (а также от температуры). Время испарения зависит от температуры помещения и размера капель, поэтому числа приблизительные.
Опыт 2. Две капли спирта наносим на два листа, один из листов наклоняем, и капля растекается тонкой плёнкой. Растёкшаяся капля исчезает быстрее (например, за 20–30 с против 1 мин у неразмазанной). Объяснение: при большей площади поверхности больше молекул находится у границы жидкости и воздуха и может вылететь за единицу времени.
Опыт 3. Две одинаковые капли спирта на двух листах: рядом с одной машем тетрадкой, другую оставляем в покое. Обдуваемая капля испаряется быстрее; к моменту её исчезновения вторая капля ещё не полностью высохла. Объяснение: воздух уносит вылетевшие молекулы пара, и они не возвращаются обратно в жидкость, поэтому испарение преобладает над конденсацией.
Вывод: скорость испарения зависит от рода жидкости (чем слабее притяжение между молекулами, тем быстрее), от площади свободной поверхности и от движения воздуха над ней (а также от температуры). Время испарения зависит от температуры помещения и размера капель, поэтому числа приблизительные.
Задание 11. Пункт 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. [на рисунке: шприц с водой, поршень выдвигается вверх, отверстие шприца у ладони; шприц с воздухом]
Повторите эксперимент, используя вместо воды такой же объём воздуха (рис. 35, б). Удалось ли вам обнаружить разницу в ощущениях? Попробуйте объяснить результат. [на рисунке: шприц с водой, поршень выдвигается вверх, отверстие шприца у ладони; шприц с воздухом]
Ход выполнения. Набираем в шприц горячую (около 50–60 °C, но не кипяток) воду без пузырьков воздуха, затыкаем отверстие пальцем и медленно тянем поршень. Поршень сначала выдвигается с заметным усилием, а когда между водой и поршнем появляется свободное пространство, внутри оно заполняется водяным паром: над поверхностью воды видны мелкие пузырьки и «закипание» воды при пониженном давлении. Ощущение: тянуть нужно примерно с одинаковой силой (она не растёт заметно) на протяжении всего движения; при отпускании поршень втягивается обратно, пар конденсируется.
Повторение с воздухом: по мере выдвижения поршня объём воздуха увеличивается, его давление уменьшается, и сила, необходимая для вытягивания поршня, всё время растёт. Разницу в ощущениях обнаружить удаётся: с воздухом тянуть становится всё тяжелее, с горячей водой — сила остаётся приблизительно постоянной.
Объяснение. В пространстве над водой образуется насыщенный водяной пар. Давление насыщенного пара зависит от температуры, но не от объёма: при увеличении объёма часть воды испаряется, и плотность пара остаётся постоянной. Разность давлений снаружи (атмосферное) и внутри (давление насыщенного пара) не меняется, поэтому и сила остаётся примерно постоянной. Давление воздуха при увеличении объёма падает, разность давлений растёт, и тянуть всё труднее.
Оговорка: ощущения субъективны, зависят от трения поршня и температуры воды; опыт проводить осторожно, в присутствии взрослых.
Повторение с воздухом: по мере выдвижения поршня объём воздуха увеличивается, его давление уменьшается, и сила, необходимая для вытягивания поршня, всё время растёт. Разницу в ощущениях обнаружить удаётся: с воздухом тянуть становится всё тяжелее, с горячей водой — сила остаётся приблизительно постоянной.
Объяснение. В пространстве над водой образуется насыщенный водяной пар. Давление насыщенного пара зависит от температуры, но не от объёма: при увеличении объёма часть воды испаряется, и плотность пара остаётся постоянной. Разность давлений снаружи (атмосферное) и внутри (давление насыщенного пара) не меняется, поэтому и сила остаётся примерно постоянной. Давление воздуха при увеличении объёма падает, разность давлений растёт, и тянуть всё труднее.
Оговорка: ощущения субъективны, зависят от трения поршня и температуры воды; опыт проводить осторожно, в присутствии взрослых.