Испарение и конденсация

Лужа исчезает без кипения, мокрое бельё сохнет быстрее на ветру, а на холодном стакане появляются капли. Эти три наблюдения связаны с переходами между жидким и газообразным состояниями.

Начинаем с вопросов

Попробуй ответить до чтения урока:

1. Почему вода может исчезать при комнатной температуре, если она не кипит?
2. Почему ветер ускоряет высыхание белья, даже когда воздух прохладный?
3. Вода на внешней стенке холодного стакана прошла через стекло или пришла из воздуха?

Запиши гипотезы. В конце урока вернись к ним и уточни объяснения через движение частиц и передачу энергии.

Два противоположных перехода

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий со свободной поверхности жидкости. Испарение возможно при любой температуре, при которой вещество остаётся жидкостью.

Конденсация — обратный переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

$$\text{жидкость}\xrightarrow{\text{испарение}}\text{пар},\qquad \text{пар}\xrightarrow{\text{конденсация}}\text{жидкость}.$$

Не путай испарение с кипением. При испарении частицы покидают свободную поверхность при разных температурах. Кипение охватывает весь объём жидкости и будет изучаться отдельно.

Модель частиц

Частицы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся. Их скорости различаются. Некоторые частицы у поверхности в данный момент обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть притяжение соседей и покинуть жидкость.

Рисунок — модель, а не микрофотография. Размеры, цвета, расстояния и количество частиц условны. Полезная часть модели — разные скорости частиц и возможность перехода через границу жидкости.

Пар не «исчезнувшая вода». Вещество сохраняется: изменяются расстояния между частицами и характер их движения.

От чего зависит скорость испарения

Чтобы сравнение было честным, в опыте изменяют только одно условие, а остальные сохраняют одинаковыми.

Фраза «ветер сушит, потому что греет» неверна. Даже прохладный поток может ускорять испарение: он уносит водяной пар от поверхности.

Сравнение рода жидкости — только демонстрация или видеозапись учителя с указанными условиями. Самостоятельно разные и особенно летучие жидкости не сравнивают; ученики работают только с водой.

Безопасное мини-исследование

Понадобятся две одинаковые капли воды, две одинаковые тарелки и кусок картона.

1. Нанеси по одной одинаковой капле воды на тарелки.
2. Одну оставь неподвижно. Возле второй 30 секунд двигай картонкой, создавая слабый поток воздуха.
3. Запиши, что было одинаковым, что изменили и какой след уменьшился быстрее.
4. Сформулируй вывод в форме: «При усилении воздушного потока скорость испарения …, потому что …».

Не используй спирт, духи, нагревательные приборы или открытый огонь. Не наноси исследуемые жидкости на кожу и не пробуй их.

Почему испарение охлаждает

Жидкость чаще покидают более энергичные частицы. Поэтому средняя энергия оставшихся частиц уменьшается. Если жидкость не получает достаточно энергии извне, её температура понижается.

Сравним одновременные установившиеся показания двух одинаковых датчиков в одном потоке воздуха. Сухой датчик показывает $T_{\text{сух}}$, а датчик с влажной салфеткой — $T_{\text{влаж}}$. Найдём разность показаний:

$$\Delta T=T_{\text{влаж}}-T_{\text{сух}}.$$

Например, в заранее записанном опыте $T_{\text{сух}}=22{,}4\ ^\circ\mathrm{C}$, а $T_{\text{влаж}}=19{,}1\ ^\circ\mathrm{C}$. Тогда

$$\Delta T=19{,}1-22{,}4=-3{,}3\ ^\circ\mathrm{C}.$$

Отрицательная разность показывает, что влажный датчик холоднее сухого. Это не «изменение одного датчика до и после». Нельзя говорить, что из жидкости «вышел холод»: испарение уносит энергию, а температура влажной поверхности понижается, если приток энергии извне не компенсирует этот унос.

Откуда капли на холодном стакане

В воздухе есть водяной пар. Возле холодной поверхности пар охлаждается, и часть вещества переходит в жидкое состояние. Так на внешней стенке образуются капли.

Проверка гипотезы: плотно закрытая холодная банка тоже покрывается каплями снаружи. Значит, вода не обязана проходить сквозь стенку. Источник капель — водяной пар окружающего воздуха.

Конденсация видна и на зеркале после душа, на холодном окне, утром в виде росы. Но туман не означает, что водяной пар сам видим: мы наблюдаем множество мельчайших жидких капель.

Связываем явления

Типичные ошибки

Проверь себя

1. Чем испарение отличается от кипения по месту протекания и температуре?
2. Назови четыре фактора, влияющих на скорость испарения.
3. Почему вода в блюдце обычно испаряется быстрее, чем такой же объём в узком стакане?
4. Объясни охлаждение влажной поверхности через модель частиц.
5. Откуда берутся капли на внешней стенке холодной банки?
6. Сухой датчик показывает $24\ ^\circ\mathrm{C}$, влажный — $21\ ^\circ\mathrm{C}$. Найди $\Delta T=T_{\text{влаж}}-T_{\text{сух}}$ и объясни знак.

Сначала ответь самостоятельно, затем открой ключ.

---

Ответы

1. Испарение идёт со свободной поверхности при любой температуре жидкости; кипение охватывает весь объём при температуре кипения.
2. Род жидкости, температура, площадь свободной поверхности и воздушный поток.
3. В блюдце площадь свободной поверхности больше, поэтому больше частиц одновременно могут покинуть жидкость.
4. Более энергичные частицы покидают поверхность; средняя энергия оставшихся уменьшается, поэтому температура понижается.
5. Водяной пар окружающего воздуха конденсируется на холодной поверхности.
6. $\Delta T=21-24=-3\ ^\circ\mathrm{C}$; знак минус означает, что влажный датчик холоднее сухого.

Короткий итог

• Испарение — переход жидкости в пар со свободной поверхности; оно возможно при любой температуре жидкости.
• Скорость испарения зависит от рода жидкости, температуры, площади поверхности и воздушного потока.
• При испарении жидкость может охлаждаться, потому что её покидают более энергичные частицы.
• Конденсация — обратный переход пара в жидкость; капли на холодной поверхности образуются из пара окружающего воздуха.
• Кипение, насыщенный пар, влажность воздуха и количественная формула теплоты парообразования относятся к следующим урокам.