Свойства паров, насыщающих пространство

Выясним поведение насыщающего пара при изохорическом процессе. Для этого возьмем герметически закрытый сосуд с манометром. Заметим, что в сосуд перед закрыванием налита жидкость, а пространство над ней заполняется только парами этой жидкости.

IMG_20140502_0001_cr

Поместив сосуд в водяную баню (рис. 8.2), будем нагревать его и записывать температуру и давление насыщающего пара в нем. Закончив нагревание, начнем охлаждать сосуд и снова записывать температуру и давление пара в нем. Сравнив показания манометра при одинаковых температурах, мы увидим, что они одинаковы. Это доказывает, что давление и плотность насыщающего пара однозначно определяются его температурой. Результаты такого рода опытов приведены в табл. 8.1.

IMG_20140502_30002_cr

Из таблицы видно, что давление насыщающего пара зависит от его природы и быстро возрастает при повышении температуры.

Если во время опыта наблюдать за уровнем жидкости в сосуде, то будет видно, что он при нагревании понижается, а при охлаждении повышается. Значит, масса и плотность пара в сосуде при нагревании возрастают, а при охлаждении убывают. На основании изложенного заключаем, что давление насыщающего пара при нагревании увеличивается по двум причинам: во-первых, вследствие увеличения ЕПОСТ У молекул пара и, во-вторых, из-за увеличения числа молекул в единице объема пара, т. е. из-за увеличения его плотности.

IMG_201405032_0002_cr

Напомним, что при изохорическом нагревании идеального газа его давление увеличивается только по первой причине, поскольку масса и плотность газа остаются постоянными. На рис. 8.3 изображен типичный график зависимости давления, насыщающего пара от температуры (кривая а), а ниже для сравнения показан график изохорического процесса для идеального газа, имеющего при 0°С такое же давление, как и пар (прямая б).

Из приведенных опытов следует, что закон Шарля неприменим к насыщающим парам. В основном это объясняется тем, что масса насыщающего пара при изохорическом процессе изменяется.

Рассмотрим теперь изотермический процесс. Для этого воспользуемся сосудом цилиндрической формы с небольшим количеством жидкости, устроенным так же, как в предыдущем опыте, но с подвижным поршнем (рис. 8.4, а). Если перемещать поршень вниз или вверх (рис. 8.4, б, в), то можно заметить, что, пока в сосуде остается жидкость, давление пара в сосуде остается постоянным. Это означает, что при постоянной температуре давление насыщающего пара не зависит от объема. Следовательно, закону Бойля — Мариотта насыщающий пар не подчиняется.

IMG_2014052102_0002_cr

Наблюдения за уровнем жидкости в сосуде показывают, что при изотермическом расширении масса насыщающего пара возрастает, а при сжатии — убывает. Учитывая, что давление пара при этом остается неизменным, можно сделать следующие выводы.

При изотермическом расширении испаряется ровно столько жидкости, сколько нужно для заполнения насыщающим паром прироста объема сосуда. При изотермическом сжатии конденсируется ровно столько насыщающего пара, сколько его было в отнятом у пара объеме. Таким образом, плотность насыщающего пара при изотермическом процессе не изменяется. Это подтверждает сказанное выше, что давление и плотность насыщающего пара зависят только от температуры и рода вещества.

Из всего изложенного следует, что законы для идеального газа к насыщающим парам неприменимы. Объясняется это в основном тем, что при любом процессе, происходящем с насыщающим паром, масса пара изменяется.