6.Фазовые переходы (5). Ок учебника Тема 46 ок46 70 Испарение и конденсация Насыщенный пар Свойства насыщенного пара Тема 47 ок47
 Скачать 2.09 Mb.
|
|
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 1 ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Содержание ОК № ОК § § учебника Тема 46 ОК-46 §70 Испарение и конденсация Насыщенный пар Свойства насыщенного пара Тема 47 ОК-47 §71 Кипение Особенности жидкости при кипении Тема 48 ОК-48 §72 Влажность воздуха Приборы для измерения влажности Тема 49 ОК-49 §73 Свойства твердых тел Анизотропия. Изотропия Виды кристаллических решеток Тема 50 ОК-50 ----- Деформация Закон Гука Диаграмма растяжений Урок взаимоконтроля Повторим теорию ВЗК-6 Тренировочные задания к БЛОКУ Фазовые переходы БЛОК -6 РАЗДЕЛ - 2 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 2 ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ИСПАРЕНИЕ со свободной поверхности, при любой температуре) жидкость Т газ К ОН ДЕ НС А Ц И Я Скорость рода жидкости При испарение испарения температуры происходит зависит от от S поверхности понижение Тот воздуха Насыщенный пар нет равновесия) (динамическое равновесие) Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным Свойства насыщенного пара Р 4 1-2 – ненасыщенный 3 2 2-3 - насыщенный V 3-4 - жидкость 1.Реальный газ можно перевести в жидкость При Т, n – не зависит от V, след-но, что Р не зависит от V ( участок 2-3, закон Бойля-Мариотта не выполняется) 3.Р нас.пара зависит от рода жидкости 4.Р нас.пара зависит от температуры БЛОК -6 ОК -46 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 3 Пояснения к ОК-46 Испарение и конденсация Явление перехода вещества в пар называется парообразованием Парообразование с открытой поверхности называется испарением, происходит с поглощением Q при постоянной температуре. Рассмотрим процесс испарения жидкостей. Также как диффузия, испарение происходит вследствие непрерывного хаотического движения молекул жидкости. Всякая молекула, движущаяся из глубины жидкости к ее поверхности, испытывает в поверхностном слое действие силы, препятствующей вырыванию молекулы с поверхности жидкости. Чтобы пройти сквозь поверхностный слой, молекула должна обладать достаточной величиной кинетической энергии для совершения работы выхода с поверхности жидкости. Скорости молекул жидкости, как и молекул газа, различны. Жидкость покидают наиболее "быстрые" молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что ведет к понижению температуры жидкости. Для поддержания постоянной температуры жидкости ей необходимо сообщать энергию извне, например, в виде теплоты. Количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар кг жидкости при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования. 𝑳 После того как молекула жидкости переместилась от границы поверхностного слоя на расстояние большее, чем радиус действия молекулярных сил жидкости, она становится молекулой пара. Молекулярные силы, действуют на сравнительно коротких расстояниях нм. В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. При конденсации пара некоторой массы выделяется столько энергии, сколько затрачивается при испарении жидкости такой же массы. Испарение жидкости происходит при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от рода жидкости от температуры от площади поверхности от скорости воздушного потока. Если жидкость находится в открытом сосуде, то молекул испаряется больше, чем конденсируется, и масса жидкости уменьшается. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 4 Насыщенный пар. Пусть жидкость находится в замкнутом сосуде, из которого откачан воздух. Вначале число молекул, испарившихся из жидкости, растет, но чем больше число молекул пара, тем больше молекул конденсируется. В случае, если число молекул пара все же увеличивается, пар, находящийся над жидкостью, называется ненасыщенным. В случае, когда число испаряющихся и конденсирующихся заодно и тоже время молекул пара одинаково, число молекул пара над жидкостью будет оставаться постоянным. Такое состояние называют динамическим равновесием пара и жидкости. Пар, находящейся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным. Число молекул, покинувших жидкость за ед.времени Число молекул, вернувшихся в жидкость за ед.времени 100 -20 -35 -40 -100 100 100 100 Давление насыщенного пара. Рассмотрим, как зависит давление насыщенного пара при неизменной температуре от его объема. Исследуемый газ помещают в очень прочный прозрачный цилиндр с подвижным поршнем. Так как при сжатии газ нагревается, то для отвода тепла и поддержания температуры газа цилиндр помещают в термостат. Вначале опыта давление газа изменяется в соответствии с законом Бойля- Мариотта. На графике этот момент изображен изотермой 1-2. Но начиная с некоторого момента (т) дальнейшее уменьшение объема газа уже не приводит к увеличению давления. В этот момент можно заметить появление на поверхности стенок цилиндра капелек жидкости. Следовательно, часть газа превратилась в жидкость и теперь в цилиндре находятся одновременно жидкость и газ. При этом газ и жидкость находятся под одинаковым давлением и имеют одинаковую температуру, те. газ и жидкость находятся в термодинамическом равновесии. Поэтому такой газ называют насыщенным паром своей жидкости. Дальнейшее сжатие газа приводит к уменьшению его массы и к увеличению массы жидкости. Давление при этом остается постоянным изобара 2-3). Наконец весь газ превратится в жидкость. Попытка сжать жидкость приводит к тому, что давление очень резко возрастает. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 5 ВЫВОДЫ: 1.Описанный опыт по сжижению газа говорит о том, что реальный газ может быть превращен в жидкость, что газ и жидкость-это два состояния две фазы) одного итого же вещества. В этом и заключается основное отличие реальных газов от идеального, который всегда, при любых давлениях остается газом. 2 Концентрация молекула, следовательно, и давление насыщенного пара над испаряющейся жидкостью при T=const не зависят от объема. 3.Давление насыщенного пара зависит от рода жидкости. Жидкость Давление нас. пара, кПа Давление нас. пара, мм.рт.ст Температура, С Вода 1,2 17,5 20 Спирт 3,2 44 Эфир 38,7 437 1 – 2 – ненасыщенный пар 2 – 3 – насыщенный пар 3 – 4 - жидкость Переход газа в жидкость с молекулярной точки зрения объясняется тем, что при достаточном сближении молекул вступают в действие силы их взаимного притяжения. Молекулы как бы слипаются, и вещество переходит в жидкое состояние. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 6 Зависимость давления насыщенного пара от температуры Р С АВ – насыщенный пар - закон Шарля не выполняется ВВС ненасыщенный пар - закон Шарля выполняется АТ Условия перехода V T Ненасыщенный пар Насыщенный пар V T КИПЕНИЕ парообразование со всего объема жидкости при определенной температуре Пузырьки ( 𝒕 ↑ −𝑷 н.п. ↑ −𝑽 ↑ −𝑭 𝑨 ↑) Шум пузырьки лопаются Пар Жидкость кипит (Р н.п. = Р внешнему ) вода –Р атм. =10 5 Па, Р н.п. =10 5 Па, t кип. =100 0 С) Особенности жидкости при кипении Чем выше Р атм. , тем выше кип. - паровой котел Р атм. =1,6*10 5 Па, t=200 0 C – вода не кипит - автоклавы (стерилизация медицинских инструментов 2. Чем меньше Р атм. , тем ниже кип. - откачать воздух и вода кипит при комнатной температуре - на высоте 7134 м, t кип. =70 0 С Различие температур кипения жидкостей определяется различием в Р н.п. - при С – Р н.п. воды = 760мм.рт.ст.,а ртути – 0,28 мм.рт.ст. - t кип. ртути = С Температура кипения зависит от наличия примесей - если вода содержит 40% соли, кип. = СОК БЛОК -6 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 7 Пояснения к ОК-47 Зависимость давление насыщенного пара от температуры При увеличении температуры из жидкости станет испаряться большее число молекул. Динамическое равновесие нарушиться. Концентрация молекул пара будет расти, пока снова не установится динамическое равновесие. Следовательно, с возрастанием температуры давление насыщенных паров увеличивается. Однако эта зависимость, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чему идеального газа (участок АВ). В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации. Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенными его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (участок ВС). Участок АВ – насыщенный пар Q Лужа Закон Шарля не выполняется, т.к. изменяется концентрация молекул. Участок ВС – ненасыщенный пар Нет лужи Q Закон Шарля выполняется. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 8 Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов ограничениях давление пара должно быть не слишком велико (практически p ≤ (10 6 –10 7 ) Па, а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа. Пар можно перевести из ненасыщенного в насыщенный уменьшив объем, понизив температуру ( потеют стекла, стены в ванной комнате и т.п.). Из насыщенного в ненасыщенный можно перевести увеличив объем, повысив температуру. Критическая температура. Опыты, аналогичные описанному выше, впервые были проведены в конце XVIII в. голландским ученым ван Марумом. Ван Марум, проводя опыты с аммиаком, обнаружил, что при давлении в атм (1 атм 5 Па, аммиак переходит в жидкое состояние. После опытов ван Марума многие ученые предпринимали попытки превратить газы в жидкое состояние. Особенно больших успехов достиг Фарадей. Он первым из ученых стал не только сжижать газ, но и одновременно охлаждать его. Этим способом Фарадей перевел в жидкое состояние большинство из известных в то время газов. Однако ему не удалось перевести в жидкое состояние - водород, кислород, азот, окись углерода, метан, гелий Эти газы были названы "вечными газами. Анализируя опыты Фарадея, Д.И.Менделеев в г. высказал предположение, что каждое вещество характеризуется строго определенной температурой, выше которой это вещество при любом давлении может находиться только в газообразном состоянии. Эту температуру Менделеев назвал критической температурой. При Т = Ткр. исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и насыщенным паром. При Т = Ткр.плотность насыщенного пара и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости минимальной. С ростом температуры уменьшается удельная теплота парообразования L, a при критической температуре она равна нулю. Если Т > Ткр., то газ нельзя обратить в жидкость при любом давлении. Таким образом, газ обращается в жидкость, если Т < Ткр. и повышается давление. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 9 Менделеев предположил, что для сжижения "вечных газов" их необходимо охлаждать до температуры, которая была бы ниже критической, а затем сжать. И действительно, в г. в результате исследований английского ученого Т.Эндрюса предположение подтвердилось. Уже в г. этим путем были сжижены кислород, азот, углекислый газ, в г. был сжижен водород и, наконец, в г. был получен в жидком состоянии последний - гелий. Неудача Фарадея была связана стем, что в то время еще небыли известны способы глубокого охлаждения газов. Кипение По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения при этом остается постоянной. Выясним условия, при которых начинается кипение. В жидкости всегда присутствуют растворенные газы. Пары жидкости, которые также находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Достигая свободной поверхности воды, пузырьки лопаются и выбрасывают содержащийся в них пар в воздух. Этот процесс сопровождается шумом. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри превосходит давление в жидкости. Кипение жидкости начинается при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно внешнему давлению. Например для воды при 100 0 С, Рн.п.=10 5 Па, Ратм=10 5 Па. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. 1.так при давлении в паровом котле 1,6*10 6 Па вода не кипит и при температуре 200 0 Св медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах происходит при повышенном давлении. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 10 Такие сосуды называют автоклавы, применяют их для стерилизации хирургических инструментов и т.п. Наоборот, уменьшая давление, мы понижаем температуру кипения. откачивая воздух насосом можно заставить кипеть воду при комнатной температуре. при подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. Пик Ленина на Памире имеет высоту 7134 ми там температура кипения составляет 70 0 С. Разные жидкости имеют различные температуры кипения. Самая низкая температура - жидкий гелий - 4,215 К - водород кипит при 20 К - кислород - при 90 К - железо - при 3145 К Различие температур кипения жидкостей определяется различием вдавлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения. Например,вода - t кип 0 С, а Рн.п.=760мм.рт.ст. ртуть -t кип С, а Рн.п.=0,88мм.рт.ст. Перегретая жидкость Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха или других газов, обычно присутствующих в жидкости. Такие пузырьки-центры кипения - чаще всего прилипают к стенкам сосуда, поэтому кипение раньше начинается у стенок. Но если жидкость свободна от газов, то образование в ней пузырьков пара затруднено. Такую жидкость можно перегреть, те. нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она вскипела. Если в такую перегретую жидкость ввести ничтожное количество газа или твердых частичек, к поверхности которых прилип воздух, то она мгновенно и очень бурно закипит. Температура жидкости при этом падает до температуры кипения. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 11 ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА - содержание водяного пара в атмосфере) 1 год – 4,25 * 10 14 т Парциальное давление (Р) давление, которое производил бы водяной пар при отсутствии остальных газов. Абсолютная влажность – показывает количество водяного пара вед. объема (т.е.плотность водяного пара) Относительная влажность – величина, равная отношению Р приданной температуре,к давлению насыщенного пара Р Н при той же температуре или Точка росы (р – температура, при которой водяной пар становится насыщенным Если t = р , то конденсация паров (туман, роса) Пример воздуха =25 0 C – P 0 = Па (таблица) росы = 10 0 C – P 1 = 1,22*10 3 Па (таблица) 𝝋 = 𝟏, 𝟐𝟐 ∗ Па, 𝟏𝟕 ∗ Па 𝟏𝟎𝟎% = Приборы для определения влажности Гигрометр волосной (Гигрометр Ламбрехта (р Психрометр (гр.»психриа» - холод) сухой влажный таблица Субъективное ощущение влажности человеком Сухо Норма Влажно < 40% 40 – 60% > 60% Учет и использование Погода. 2. Самочувствие. Музеи. 4. Жизнь растений ОК - 48 БЛОК -6 𝝆 кг м Н 𝟏𝟎𝟎% 𝝋 = 𝝆 𝝆 Н 𝟏𝟎𝟎% Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 12 Пояснения к ОК-48 Водяной пар в атмосфере В воздухе всегда есть водяной пар (Он образуется в результате испарения воды с поверхности морей, океанов, озер, рек. В течение года образуется 4,25*10 14 т. От количества водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, жизнь растений, сохранность технических объектов. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты испарение преобладает над конденсацией, в других наоборот. Водяной пар, содержащейся в воздухе, обычно является ненасыщенным. Если бы водяной nap - был насыщенным, то поверхность Земли и все на ней было бы покрыто капельками жидкости и никогда не высыхало. Чем дальше водяные пары, содержащиеся в воздухе, находятся от насыщения, тем, воздух суше. Содержание водяного пара в воздухе - называется влажностью воздуха. Количество водяного пара в воздухе можно выразить при помощи следующих величин. Парциальное давление водяного пара Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называется парциальным давлением (Р. Абсолютная влажность Абсолютная влажность воздуха показывает количество водяного пара в единице объема. 𝝆 = 𝒎 𝑽 − |