Взаимное превращение жидкостей и газов

Введение

В физике фазовым превращением называют переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий – температуры, давления, магнитного и электрического полей; в более узком смысле слова фазовый переход – это скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Наиболее распространёнными примерами фазовых переходов первого рода можно считать плавление и кристаллизацию, испарение и конденсацию, сублимацию и десублимацию.
При фазовом переходе второго рода плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости.
В рамках данной работы рассмотрим переходы жидкости в газ и газа в жидкость – классические примеры фазовых переходов первого рода. Подобные переходы характеризуются изменением физических свойств вещества, но не молекулярных. Иначе, молекула воды и молекула водяного пара являются абсолютно идентичными.
Таким образом, целью настоящей работы является изучение взаимного превращения жидкостей и газов.
Согласно цели работы ставим перед собой ряд задач:
1) теоретически изучить особенности перехода жидкости в газ;
2) теоретически изучить особенности перехода газа в жидкость.

1. Превращение жидкости в газ

Рассмотрим фазовый переход жидкость-газ. Достаточно длительный период атмосферный воздух являлся единственным в науке газом. При этом воздух был определенным элементом, входящим в состав всего на земле. Только вторая половина XVIII века ознаменовалась достижениями ряда деятелей химической науки, которые установили, что в природе имеются и иные газообразные вещества, а собственно воздух представляет собой смесь разнообразных по своим свойствам газов. Следует отметить, что само слово «газ» в XVIII веке не употреблялось. Газом в те времена называли воздух. Водород называли горючим воздухом, кислород был огненным воздухом, азот – удушливым воздухом, аммиак – воздухом щелочным. На закате XVIII века во Франции известнейший химик А. Лавуазье, привел в порядок газовое «хозяйство». Заслугой А. Лавуазье считается присвоение наименований всем известным в то время газам. Собственно он же и ввел слово «газ» как общее наименование данного класса веществ. А. Лавуазье первым использовал понятие агрегатного состояния веществ [1, с. 105].
Испарение – это эндотермический процесс, то есть процесс, происходящий с поглощением теплоты фазового перехода. Теплота испарения затрачивается на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар (А.А. Андрижиевский) [1, с. 76].
Скоростные значения подавляющего большинства молекул жидкости находятся около определенного среднего значения, характерного для данной температуры. Но среди них присутствуют некоторые молекулы, скорости которых отличаются от средней как в меньшую, так и большую сторону. На рис. 1 изображён образцовый график распределения молекул жидкости по скоростям. Голубым цветом выделено подавляющее большинство молекул, скорости которых сгруппированы близ некоторого среднего значения. Красный «хвост» графика – это малое число «быстрых» молекул, скорость которых превышает среднюю скорость основной молекулярной массы.

Рисунок 1. Распределение молекул по скоростям [1, с. 78]

В тот момент, когда быстрая молекула оказывается на открытой поверхности жидкости – достигает границу раздела жидкости и воздуха, кинетическая энергия данной молекулы затрачивается на преодоление сил притяжения к остальным молекулам и вылет из вещества. Такой процесс и называется испарением. Молекула, покинувшая жидкость, теперь входит в состав пара (рис. 2).

Рисунок 2. Процесс испарения жидкости

Таким образом, испарением называют парообразование с поверхности жидкости (И.З. Шкурченко) [7, с. 100]. Соударяясь с другими молекулами, свободные молекулы меняют свою скорость. Так как даже в небольшом