Unter natürlichen Bedingungen wird Dampf als Gas betrachtet. Er kann sein reich und ungesättigt, die von ihrer Dichte, Temperatur und ihrem Druck abhängt.

Ein Dampf im dynamischen Gleichgewicht mit seiner eigenen Flüssigkeit ist reich.

Ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf tritt auf, wenn die Anzahl der von der freien Oberfläche der Flüssigkeit emittierten Moleküle gleich der Anzahl der dorthin zurückkehrenden Moleküle ist.

In einem offenen Gefäß wird das dynamische Gleichgewicht gestört und der Dampf wird ungesättigt, da eine bestimmte Anzahl von Molekülen in die Atmosphäre verdunsten und nicht in die Flüssigkeit zurückkehren.

Gesättigter Dampf in einem geschlossenen Gefäß über der freien Oberfläche der Flüssigkeit gebildet.

Gesättigt und ungesättigt Dampf unterschiedliche Eigenschaften haben. Lassen Sie uns sie erkunden.

Reis. 3.2. Isotherme Dampfkompression

Molekülkonzentration gesättigter Dampf hängt nicht von der Lautstärke ab.

Lassen ungesättigter Dampf bei einer Temperatur T befindet sich in einem Zylinder mit einem Kolben (Abb. 3.2). Lassen Sie uns beginnen, es langsam zu komprimieren, um einen isothermen Prozess zu gewährleisten (Abschnitt AB). Erstens, wenn der Dampf stark verdünnt ist, entspricht die Abhängigkeit des Drucks vom Volumen dem Gesetz von Boyle-la-Mariotte für ein ideales Gas: pV= konst. Mit einer Abnahme des Volumens an ungesättigtem Dampf (einer Zunahme seiner Dichte) beginnt jedoch eine Abweichung davon zu beobachten. Eine weitere isotherme Verdichtung des Dampfes führt dazu, dass dieser zu kondensieren beginnt (Punkt B), sich Flüssigkeitströpfchen im Zylinder bilden und der Dampf gesättigt wird. Seine Dichte und damit die Molekülkonzentration nimmt bei einer gegebenen Temperatur einen Maximalwert an. Sie hängen nicht vom Volumen des Sattdampfes ab und werden durch dessen Druck und Temperatur bestimmt.

Wenn komprimiert gesättigter Dampf(Abschnitt BC) sein Druck ändert sich nicht ( p= konstant). Dies liegt daran, dass bei Volumenabnahme gesättigter Dampf kondensiert und eine Flüssigkeit bildet. Sein Anteil am Volumen des Zylinders nimmt ständig zu und das von Sattdampf eingenommene Volumen nimmt ab. Dies wird fortgesetzt, bis sich der gesamte gesättigte Dampf verflüssigt hat (Punkt C).

Eine weitere Volumenabnahme bewirkt einen raschen Druckanstieg (Abschnitt DC), da Flüssigkeiten fast nicht komprimierbar sind. Material von der Website

Also unter isothermer Kompression ungesättigter Dampf Erstens (bei niedriger Dichte) weist es die Eigenschaften eines idealen Gases auf. Wann wird Dampf reich, unterliegen seine Eigenschaften anderen Gesetzen. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen wird sein Zustand näherungsweise durch die Gleichung beschrieben p = nkt, wenn die Konzentration der Moleküle nicht von dem vom Gas eingenommenen Volumen abhängt. Druckdiagramm p vom Volumen V, in Abb. gezeigt. 3.2, genannt Isotherme realer Gase.

Reale Gasisothermen Charakterisieren Sie seinen Gleichgewichtszustand mit der Flüssigkeit. Ihre Kompatibilität ermöglicht es Ihnen, die Druckabhängigkeit zu bestimmen gesättigter Dampf von der Temperatur.

Auf dieser Seite Material zu den Themen:

• Isotherme Druckerhöhung von ungesättigtem Dampf

• Was ist aus molekularer Sicht charakteristisch für Sattdampf?

• Sattdampf und seine Eigenschaften kurz

• Was ist aus molekularer Sicht charakteristisch für Sattdampf?

• Was ist aus molekularer Sicht für ein gesättigtes Gas charakteristisch?

Fragen zu diesem Artikel:

Wenn ein offenes Glas Wasser längere Zeit stehen bleibt, verdunstet das Wasser schließlich vollständig. Es wird eher verdunsten. Was ist Verdunstung und warum entsteht sie?

2.7.1 Verdunstung und Kondensation

Bei einer gegebenen Temperatur haben die Moleküle einer Flüssigkeit unterschiedliche Geschwindigkeiten. Die Geschwindigkeiten der meisten Moleküle liegen nahe an einem Durchschnittswert (charakteristisch für diese Temperatur). Aber es gibt Moleküle, deren Geschwindigkeit sowohl nach oben als auch nach unten deutlich vom Durchschnitt abweicht.

Auf Abb. 2.16 zeigt ein ungefähres Diagramm der Verteilung von Flüssigkeitsmolekülen nach Geschwindigkeiten. Der blaue Hintergrund zeigt die allermeisten Moleküle, deren Geschwindigkeiten um den Mittelwert gruppiert sind. Der rote ¾Schwanz¿ des Diagramms ist eine kleine Anzahl ¾schneller¿ Moleküle, deren Geschwindigkeit die Durchschnittsgeschwindigkeit der Masse der flüssigen Moleküle deutlich übersteigt.

Anzahl der Moleküle

schnelle Moleküle

Molekülgeschwindigkeit

Reis. 2.16. Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen

Wenn sich solch ein sehr schnelles Molekül auf der freien Oberfläche der Flüssigkeit befindet (d. h. an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft), kann die kinetische Energie dieses Moleküls ausreichen, um die Anziehungskräfte anderer Moleküle zu überwinden und aus der Flüssigkeit herauszufliegen. Dieser Prozess ist Verdunstung, und die Moleküle, die die Flüssigkeit verlassen, bilden Dampf.

Verdampfung ist also der Prozess der Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf, der an der freien Oberfläche der Flüssigkeit stattfindet7.

Es kann vorkommen, dass das Dampfmolekül nach einiger Zeit wieder in die Flüssigkeit zurückkehrt.

Der Vorgang des Übergangs von Dampfmolekülen in Flüssigkeit wird als Kondensation bezeichnet. Dampfkondensation ist der umgekehrte Prozess der Flüssigkeitsverdampfung.

2.7.2 dynamisches Gleichgewicht

Was passiert, wenn ein Flüssigkeitsbehälter hermetisch verschlossen wird? Die Dampfdichte über der Flüssigkeitsoberfläche beginnt zu steigen; Dampfpartikel verhindern zunehmend, dass andere Flüssigkeitsmoleküle herausfliegen, und die Verdunstungsrate nimmt ab. Startet gleichzeitig

7 Unter besonderen Bedingungen kann die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf im gesamten Volumen der Flüssigkeit erfolgen. Dieser Vorgang ist euch gut bekannt, dieses Sieden.

p n = n RT:

Die Kondensationsrate nimmt zu, da mit zunehmender Dampfkonzentration die Anzahl der in die Flüssigkeit zurückkehrenden Moleküle immer größer wird.

Schließlich wird irgendwann die Kondensationsrate gleich der Verdunstungsrate sein. Zwischen Flüssigkeit und Dampf stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Pro Zeiteinheit fliegen so viele Moleküle aus der Flüssigkeit heraus, wie sie aus dem Dampf in sie zurückkehren. Ab diesem Moment nimmt die Flüssigkeitsmenge nicht mehr ab und die Dampfmenge nimmt zu; der Dampf erreicht die ¾Sättigung¿.

Sattdampf ist Dampf, der mit seiner Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht steht. Ein Dampf, der mit einer Flüssigkeit keinen dynamischen Gleichgewichtszustand erreicht hat, wird als ungesättigt bezeichnet.

Druck und Dichte des gesättigten Dampfes werden mit pn in bezeichnet. Offensichtlich ist pn in der maximale Druck und die maximale Dichte, die Dampf bei einer gegebenen Temperatur haben kann. Mit anderen Worten, der Druck und die Dichte von gesättigtem Dampf übersteigen immer den Druck und die Dichte von ungesättigtem Dampf.

2.7.3 Sattdampfeigenschaften

Es zeigt sich, dass der Zustand von Sattdampf (insbesondere von ungesättigtem Dampf) näherungsweise durch die Zustandsgleichung eines idealen Gases (Mendeleevs Clapeyron-Gleichung) beschrieben werden kann. Insbesondere haben wir eine ungefähre Beziehung zwischen dem Sättigungsdampfdruck und seiner Dichte:

Dies ist eine sehr überraschende Tatsache, die durch Experimente bestätigt wurde. Tatsächlich unterscheidet sich Sattdampf in seinen Eigenschaften deutlich von einem idealen Gas. Wir listen die wichtigsten dieser Unterschiede auf.

1. Bei konstanter Temperatur hängt die Dichte von gesättigtem Dampf nicht von seinem Volumen ab.

Wenn zum Beispiel gesättigter Dampf isotherm komprimiert wird, wird seine Dichte im ersten Moment zunehmen, die Kondensationsrate wird die Verdampfungsrate überschreiten und ein Teil des Dampfes wird zu Flüssigkeit kondensieren, bis wieder ein dynamisches Gleichgewicht erreicht ist, in dem die Dampfdichte kehrt zu ihrem vorherigen Wert zurück.

In ähnlicher Weise nimmt während der isothermen Expansion von gesättigtem Dampf seine Dichte im ersten Moment ab (der Dampf wird ungesättigt), die Verdampfungsrate übersteigt die Kondensationsrate und die Flüssigkeit verdampft zusätzlich, bis sich wieder ein dynamisches Gleichgewicht eingestellt hat, d.h. bis der Dampf wird wieder mit der gleichen Dichte gesättigt.

2. Der gesättigte Dampfdruck hängt nicht von seinem Volumen ab.

Dies folgt daraus, dass die Dichte von Sattdampf volumenunabhängig ist und der Druck durch Gleichung (2.6) eindeutig mit der Dichte zusammenhängt.

Wie Sie sehen, gilt das Gesetz von Boyle Mariotte, das für ideale Gase gilt, nicht für Sattdampf. Dies ist nicht überraschend, da es aus Mendeleevs Clapeyron-Gleichung unter der Annahme abgeleitet wird, dass die Masse des Gases konstant bleibt.

3. Bei konstantem Volumen nimmt die Dichte von Sattdampf mit steigender Temperatur zu und mit sinkender Temperatur ab.

Tatsächlich steigt mit steigender Temperatur die Verdampfungsrate der Flüssigkeit. Das dynamische Gleichgewicht wird im ersten Moment gestört, und ein zusätzliches

Verdunstung von etwas Flüssigkeit. Das Paar wird addiert, bis das dynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist.

In gleicher Weise wird mit sinkender Temperatur die Verdampfungsrate der Flüssigkeit geringer und ein Teil des Dampfes kondensiert, bis das dynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist, jedoch mit weniger Dampf.

Daher ändert sich beim isochoren Erhitzen oder Abkühlen von Sattdampf seine Masse, sodass das Gesetz von Charles in diesem Fall nicht funktioniert. Die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur ist keine lineare Funktion mehr.

4. Der gesättigte Dampfdruck steigt mit der Temperatur schneller als linear an.

Mit zunehmender Temperatur nimmt nämlich die Dichte des gesättigten Dampfes zu, und gemäß Gleichung (2.6) ist der Druck proportional zum Produkt aus Dichte und Temperatur.

Die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur ist exponentiell (Abb. 2.17). Es wird durch die Abschnitte 1–2 des Diagramms dargestellt. Diese Abhängigkeit lässt sich nicht aus den Gesetzen eines idealen Gases ableiten.

isochore Dampf

Reis. 2.17. Dampfdruck gegen Temperatur

Bei Punkt 2 verdunstet die gesamte Flüssigkeit; Bei weiterer Temperaturerhöhung wird der Dampf ungesättigt und sein Druck wächst linear gemäß dem Charles-Gesetz (Segment 2–3).

Denken Sie daran, dass der lineare Anstieg des Drucks eines idealen Gases durch eine Erhöhung der Intensität der Stöße von Molekülen auf die Gefäßwände verursacht wird. Beim Erhitzen eines gesättigten Dampfes beginnen die Moleküle nicht nur stärker, sondern häufiger zu schlagen, weil der Dampf größer wird. Die gleichzeitige Wirkung dieser beiden Faktoren verursachte einen exponentiellen Anstieg des Sättigungsdampfdrucks.

2.7.4 Luftfeuchtigkeit

Absolute Feuchtigkeit ist der Partialdruck von Wasserdampf in der Luft (d. h. der Druck, den Wasserdampf ohne andere Gase alleine ausüben würde). Manchmal wird die absolute Feuchtigkeit auch als Dichte des Wasserdampfs in der Luft bezeichnet.

Relative Luftfeuchtigkeit "ist das Verhältnis des Partialdrucks des darin enthaltenen Wasserdampfs zum Druck des gesättigten Wasserdampfs bei gleicher Temperatur. In der Regel ist dies der Fall

Verhältnis wird in Prozent ausgedrückt:

" = p 100 %: pn

Aus der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung (2.6) folgt, dass das Verhältnis der Dampfdrücke gleich dem Verhältnis der Dichten ist. Da die Gleichung (2.6), erinnern wir uns, Sattdampf nur näherungsweise beschreibt, haben wir eine ungefähre Beziehung:

" = 100 %:n

Ein Psychrometer ist eines der Instrumente, das die Luftfeuchtigkeit misst. Es enthält zwei Thermometer, von denen das Reservoir in ein nasses Tuch gewickelt ist. Je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto intensiver die Verdunstung von Wasser aus dem Stoff, desto stärker wird das Reservoir des „nassen“ Thermometers gekühlt und desto größer ist der Unterschied zwischen seinen Messwerten und den Messwerten des trockenen Thermometers. Entsprechend dieser Differenz wird anhand einer speziellen psychrometrischen Tabelle die Luftfeuchtigkeit bestimmt.

Die molekularkinetische Theorie ermöglicht nicht nur zu verstehen, warum ein Stoff in gasförmigen, flüssigen und festen Zuständen vorliegen kann, sondern auch den Prozess des Übergangs eines Stoffes von einem Zustand in einen anderen zu erklären.

Verdunstung und Kondensation. Die Menge an Wasser oder einer anderen Flüssigkeit in einem offenen Gefäß nimmt allmählich ab. Es kommt zur Verdunstung der Flüssigkeit, deren Mechanismus im Physikunterricht der Klasse VII beschrieben wurde. Während einer chaotischen Bewegung erlangen einige Moleküle eine so große kinetische Energie, dass sie die Flüssigkeit verlassen und die Anziehungskräfte der übrigen Moleküle überwinden.

Gleichzeitig mit der Verdampfung findet der umgekehrte Prozess statt - der Übergang eines Teils sich zufällig bewegender Dampfmoleküle in eine Flüssigkeit. Dieser Vorgang wird als Kondensation bezeichnet. Wenn das Gefäß offen ist, können die Moleküle, die die Flüssigkeit verlassen haben, nicht zurückkehren

flüssig. In diesen Fällen wird die Verdunstung nicht durch Kondensation kompensiert und die Flüssigkeitsmenge nimmt ab. Wenn der Luftstrom über das Gefäß die gebildeten Dämpfe wegträgt, verdunstet die Flüssigkeit schneller, da die Dampfmoleküle weniger Gelegenheit haben, in die Flüssigkeit zurückzukehren.

Gesättigter Dampf. Wenn das Gefäß mit der Flüssigkeit fest verschlossen ist, hört sein Rückgang bald auf. Bei konstanter Temperatur gelangt das System "Flüssigkeit - Dampf" in einen Zustand des thermischen Gleichgewichts und bleibt beliebig lange darin.

Im ersten Moment, nachdem die Flüssigkeit in das Gefäß gegossen und verschlossen wurde, verdampft sie und die Dampfdichte über der Flüssigkeit nimmt zu. Gleichzeitig nimmt jedoch die Anzahl der in die Flüssigkeit zurückkehrenden Moleküle zu. Je höher die Dampfdichte, desto mehr Dampfmoleküle werden in die Flüssigkeit zurückgeführt. Infolgedessen stellt sich in einem geschlossenen Gefäß bei konstanter Temperatur schließlich ein dynamisches (bewegtes) Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf ein. Die Anzahl der Moleküle, die die Oberfläche der Flüssigkeit verlassen, ist gleich der Anzahl der Dampfmoleküle, die gleichzeitig in die Flüssigkeit zurückkehren. Gleichzeitig mit dem Verdunstungsprozess tritt Kondensation auf, und beide Prozesse kompensieren sich im Durchschnitt.

Dampf im dynamischen Gleichgewicht mit seiner Flüssigkeit wird Sattdampf genannt. Dieser Name betont, dass ein bestimmtes Volumen bei einer bestimmten Temperatur nicht mehr Dampf enthalten kann.

Wird zuvor die Luft aus dem Behälter mit der Flüssigkeit abgepumpt, befindet sich nur gesättigter Dampf über der Flüssigkeitsoberfläche.

Sattdampfdruck. Was passiert mit gesättigtem Dampf, wenn sein Volumen verringert wird, indem beispielsweise der Dampf im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit in einem Zylinder unter einem Kolben komprimiert wird, wobei die Temperatur des Zylinderinhalts konstant gehalten wird?

Wenn der Dampf komprimiert wird, beginnt das Gleichgewicht gestört zu werden. Im ersten Moment nimmt die Dampfdichte leicht zu und es beginnen mehr Moleküle von Gas zu Flüssigkeit zu gelangen als von Flüssigkeit zu Gas. Dies setzt sich fort, bis das Gleichgewicht und die Dichte wieder hergestellt sind und daher die Konzentration der Moleküle nicht denselben Wert annimmt. Die Konzentration gesättigter Dampfmoleküle ist daher bei konstanter Temperatur volumenunabhängig.

Da der Druck gemäß der Formel proportional zur Konzentration ist, folgt aus der Unabhängigkeit der Konzentration (bzw. Dichte) des gesättigten Dampfes vom Volumen die Unabhängigkeit des Druckes des gesättigten Dampfes vom eingenommenen Volumen.

Der volumenunabhängige Dampfdruck, bei dem sich eine Flüssigkeit mit ihrem Dampf im Gleichgewicht befindet, wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet.

Wenn gesättigter Dampf komprimiert wird, geht immer mehr davon in einen flüssigen Zustand über. Eine Flüssigkeit einer bestimmten Masse nimmt ein kleineres Volumen ein als ein Dampf derselben Masse. Dadurch nimmt das Dampfvolumen bei konstanter Dichte ab.

Wir haben die Wörter „Gas“ und „Dampf“ oft verwendet. Es gibt keinen grundlegenden Unterschied zwischen Gas und Dampf, und diese Wörter sind im Allgemeinen gleichwertig. Aber wir sind an einen gewissen, relativ kleinen Bereich der Umgebungstemperatur gewöhnt. Das Wort "Gas" wird normalerweise auf solche Substanzen angewendet, deren Sättigungsdampfdruck bei gewöhnlichen Temperaturen über dem Atmosphärendruck liegt (z. B. Kohlendioxid). Im Gegenteil spricht man von Dampf, wenn bei Raumtemperatur der Sättigungsdampfdruck geringer ist als der atmosphärische Druck und die Substanz im flüssigen Zustand stabiler ist (z. B. Wasserdampf).

Die Unabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks vom Volumen wurde in zahlreichen Experimenten zur isothermen Kompression von Dampf im Gleichgewicht mit seiner Flüssigkeit festgestellt. Lassen Sie die Substanz bei großen Volumina im gasförmigen Zustand sein. Mit zunehmender isothermer Kompression nehmen Dichte und Druck zu (Ausschnitt der Isotherme AB in Abbildung 51). Wenn der Druck erreicht ist, beginnt der Dampf zu kondensieren. Wenn gesättigter Dampf komprimiert wird, ändert sich der Druck nicht, bis sich der gesamte Dampf in eine Flüssigkeit verwandelt (gerade Linie BC in Abbildung 51). Danach beginnt der Druck beim Komprimieren stark anzusteigen (ein Segment der Kurve, da Flüssigkeiten wenig komprimierbar sind.

Die in Abbildung 51 dargestellte Kurve wird Realgas-Isotherme genannt.

DEFINITION

Verdunstung ist der Prozess der Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf.

In einer Flüssigkeit (oder einem Feststoff) gibt es bei jeder Temperatur eine bestimmte Anzahl "schneller" Moleküle, deren kinetische Energie größer ist als die potentielle Energie ihrer Wechselwirkung mit den übrigen Teilchen der Substanz. Wenn sich solche Moleküle in der Nähe der Oberfläche befinden, können sie die Anziehungskraft anderer Moleküle überwinden und aus der Flüssigkeit herausfliegen und darüber Dampf bilden. Verdampfung von Feststoffen wird auch oft als bezeichnet Sublimation oder Sublimation.

Verdampfung tritt bei jeder Temperatur auf, bei der eine bestimmte Substanz in flüssigem oder festem Zustand vorliegen kann. Die Verdunstungsrate hängt jedoch von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur steigt die Zahl der „schnellen“ Moleküle und damit die Intensität der Verdunstung. Die Verdunstungsrate hängt auch von der freien Oberfläche der Flüssigkeit und der Art des Stoffes ab. So verdunstet beispielsweise Wasser, das in eine Untertasse gegossen wird, schneller als Wasser, das in ein Glas gegossen wird. Alkohol verdunstet schneller als Wasser usw.

Kondensation

Die Flüssigkeitsmenge in einem offenen Gefäß nimmt durch Verdunstung kontinuierlich ab. In einem dicht verschlossenen Gefäß passiert dies jedoch nicht. Dies erklärt sich dadurch, dass gleichzeitig mit der Verdampfung in einer Flüssigkeit (oder einem Feststoff) der umgekehrte Vorgang eintritt. Dampfmoleküle bewegen sich zufällig über der Flüssigkeit, so dass einige von ihnen unter dem Einfluss der Anziehungskraft der Moleküle der freien Oberfläche in die Flüssigkeit zurückfallen. Den Prozess der Umwandlung eines Dampfes in eine Flüssigkeit nennt man Kondensation. Der Prozess der Umwandlung von Dampf in einen Feststoff wird allgemein als Kristallisation aus Dampf bezeichnet.

Nachdem wir die Flüssigkeit in das Gefäß gegossen und es fest verschlossen haben, beginnt die Flüssigkeit zu verdampfen und die Dampfdichte über der freien Oberfläche der Flüssigkeit nimmt zu. Gleichzeitig nimmt jedoch die Anzahl der Moleküle zu, die in die Flüssigkeit zurückkehren. In einem offenen Gefäß ist die Situation anders: Die Moleküle, die die Flüssigkeit verlassen haben, kehren möglicherweise nicht in die Flüssigkeit zurück. In einem geschlossenen Behälter stellt sich im Laufe der Zeit ein Gleichgewichtszustand ein: Die Anzahl der Moleküle, die die Flüssigkeitsoberfläche verlassen, wird gleich der Anzahl der Dampfmoleküle, die in die Flüssigkeit zurückkehren. Ein solcher Zustand wird genannt Zustand des dynamischen Gleichgewichts(Abb. 1). In einem Zustand des dynamischen Gleichgewichts zwischen Flüssigkeit und Dampf finden sowohl Verdampfung als auch Kondensation gleichzeitig statt, und beide Prozesse kompensieren sich gegenseitig.

Abb.1. Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht

Gesättigter und ungesättigter Dampf

DEFINITION

Gesättigter Dampf Dampf befindet sich im dynamischen Gleichgewicht mit seiner Flüssigkeit.

Der Name "gesättigt" betont, dass ein bestimmtes Volumen bei einer bestimmten Temperatur nicht mehr Dampf enthalten kann. Gesättigter Dampf hat bei einer bestimmten Temperatur eine maximale Dichte und übt daher einen maximalen Druck auf die Gefäßwände aus.

DEFINITION

ungesättigter Dampf- Dampf, der den Zustand des dynamischen Gleichgewichts nicht erreicht hat.

Bei verschiedenen Flüssigkeiten tritt Dampfsättigung bei unterschiedlichen Dichten auf, was auf den Unterschied in der Molekülstruktur zurückzuführen ist, d.h. der Unterschied in den Kräften der intermolekularen Wechselwirkung. In Flüssigkeiten, in denen die Wechselwirkungskräfte von Molekülen hoch sind (z. B. in Quecksilber), wird der Zustand des dynamischen Gleichgewichts bei niedrigen Dampfdichten erreicht, da die Anzahl der Moleküle, die die Flüssigkeitsoberfläche verlassen können, gering ist. Im Gegensatz dazu fliegen in flüchtigen Flüssigkeiten mit geringen molekularen Anziehungskräften bei gleichen Temperaturen eine beträchtliche Anzahl von Molekülen aus der Flüssigkeit und es wird eine Dampfsättigung bei hoher Dichte erreicht. Beispiele für solche Flüssigkeiten sind Ethanol, Ether usw.

Da die Intensität des Dampfkondensationsprozesses proportional zur Konzentration der Dampfmoleküle ist und die Intensität des Verdampfungsprozesses nur von der Temperatur abhängt und mit ihrem Wachstum stark zunimmt, hängt die Konzentration der Moleküle im gesättigten Dampf nur von der Temperatur der Flüssigkeit ab . So Der gesättigte Dampfdruck hängt nur von der Temperatur und nicht vom Volumen ab. Darüber hinaus nehmen mit zunehmender Temperatur die Konzentration von gesättigten Dampfmolekülen und folglich die Dichte und der Druck von gesättigtem Dampf schnell zu. Spezifische Abhängigkeiten des Drucks und der Dichte von gesättigtem Dampf von der Temperatur sind für verschiedene Substanzen unterschiedlich und können Referenztabellen entnommen werden. Es stellt sich heraus, dass Sattdampf in der Regel gut durch die Claiperon-Mendeleev-Gleichung beschrieben wird. Beim Komprimieren oder Erhitzen ändert sich jedoch die Masse des gesättigten Dampfes.

Ungesättigter Dampf gehorcht den Gesetzen eines idealen Gases mit einem angemessenen Grad an Genauigkeit.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Die Übung	In einem geschlossenen Gefäß mit einem Fassungsvermögen von 0,5 Litern stehen bei einer Temperatur Wasserdampf und ein Tropfen Wasser im Gleichgewicht. Bestimmen Sie die Wasserdampfmasse im Gefäß.
Entscheidung	Bei Temperatur ist der Sättigungsdampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck, also Pa. Schreiben wir die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung: wo wir die Masse des Wasserdampfes finden: Die Molmasse von Wasserdampf ist genauso definiert wie die Molmasse von Wasser. Rechnen wir die Einheiten ins SI-System um: Behältervolumen Dampftemperatur. Rechnen wir:
Antworten	Die Wasserdampfmasse im Gefäß beträgt 0,3 g.

BEISPIEL 2

Die Übung

In einem Gefäß mit einem Volumen von 1 Liter stehen bei einer Temperatur Wasser, Wasserdampf und Stickstoff im Gleichgewicht. Das Volumen des flüssigen Wassers ist viel kleiner als das Volumen des Gefäßes. Der Druck im Gefäß beträgt 300 kPa, der Atmosphärendruck 100 kPa. Finden Sie die Gesamtmenge der Materie im gasförmigen Zustand. Wie hoch ist der Stickstoffpartialdruck im System? Welche Masse hat Wasserdampf? Welche Masse hat Stickstoff?

Entscheidung

Wir schreiben die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung für das Gasgemisch Wasserdampf + Stickstoff: woraus wir die Gesamtmenge der Materie im gasförmigen Zustand finden: Universelle Gas Konstante. Rechnen wir die Einheiten in das SI-System um: das Volumen des Behälterdrucks in der Behältertemperatur. Rechnen wir: Nach dem Gesetz von Dalton ist der Druck im Behälter gleich der Summe der Partialdrücke von Wasserdampf und Stickstoff: woraus der Partialdruck von Stickstoff: Bei Temperatur ist der Sättigungsdampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck, also .

Themen des USE-Kodifikators: gesättigte und ungesättigte Dämpfe, Luftfeuchtigkeit.

Wenn ein offenes Glas Wasser längere Zeit stehen bleibt, verdunstet das Wasser schließlich vollständig. Oder besser gesagt, es wird verdunsten. Was ist Verdunstung und warum entsteht sie?

Verdunstung und Kondensation

Bei einer gegebenen Temperatur haben die Moleküle einer Flüssigkeit unterschiedliche Geschwindigkeiten. Die Geschwindigkeiten der meisten Moleküle liegen nahe an einem Durchschnittswert (charakteristisch für diese Temperatur). Aber es gibt Moleküle, deren Geschwindigkeit sowohl nach oben als auch nach unten deutlich vom Durchschnitt abweicht.

Auf Abb. 1 zeigt einen ungefähren Graphen der Verteilung von Flüssigkeitsmolekülen durch Geschwindigkeiten. Der blaue Hintergrund zeigt die allermeisten Moleküle, deren Geschwindigkeiten um den Mittelwert gruppiert sind. Der rote "Schwanz" des Diagramms ist eine kleine Anzahl "schneller" Moleküle, deren Geschwindigkeit die Durchschnittsgeschwindigkeit der Masse der flüssigen Moleküle deutlich übersteigt.

Reis. 1. Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen

Wenn sich solch ein sehr schnelles Molekül auf der freien Oberfläche der Flüssigkeit befindet (d. h. an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft), kann die kinetische Energie dieses Moleküls ausreichen, um die Anziehungskräfte anderer Moleküle zu überwinden und aus der Flüssigkeit herauszufliegen. Dieser Prozess ist Verdunstung, und die Moleküle, die die flüssige Form verlassen haben Dampf.

So, Verdampfung ist der Prozess der Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf, der an der freien Oberfläche einer Flüssigkeit stattfindet.(Unter besonderen Bedingungen kann die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf im gesamten Flüssigkeitsvolumen erfolgen. Dieser Vorgang ist Ihnen wohlbekannt - dies Sieden).

Es kann vorkommen, dass das Dampfmolekül nach einiger Zeit wieder in die Flüssigkeit zurückkehrt.

Der Vorgang des Übergangs von Dampfmolekülen in Flüssigkeit wird als Kondensation bezeichnet.. Dampfkondensation ist der umgekehrte Prozess der Flüssigkeitsverdampfung.

dynamisches Gleichgewicht

Was passiert, wenn ein Flüssigkeitsbehälter hermetisch verschlossen wird? Die Dampfdichte über der Flüssigkeitsoberfläche beginnt zu steigen; Dampfpartikel verhindern zunehmend, dass andere Flüssigkeitsmoleküle herausfliegen, und die Verdunstungsrate nimmt ab. Gleichzeitig beginnt die Kondensationsrate zu steigen, da mit zunehmender Dampfkonzentration die Anzahl der in die Flüssigkeit zurückkehrenden Moleküle immer größer wird.

Schließlich wird irgendwann die Kondensationsrate gleich der Verdunstungsrate sein. wird kommen dynamisches Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf: Pro Zeiteinheit werden so viele Moleküle aus der Flüssigkeit herausfliegen wie aus dem Dampf in sie zurückkehren. Ab diesem Moment nimmt die Flüssigkeitsmenge nicht mehr ab und die Dampfmenge nimmt zu; der Dampf erreicht "Sättigung".

Sattdampf ist Dampf, der mit seiner Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht steht. Ein Dampf, der mit einer Flüssigkeit keinen dynamischen Gleichgewichtszustand erreicht hat, wird als ungesättigt bezeichnet..

Der Druck und die Dichte von gesättigtem Dampf werden mit und bezeichnet. Offensichtlich sind und der maximale Druck und die maximale Dichte, die Dampf bei einer bestimmten Temperatur haben kann. Mit anderen Worten, der Druck und die Dichte von gesättigtem Dampf übersteigen immer den Druck und die Dichte von ungesättigtem Dampf.

Sattdampfeigenschaften

Es stellt sich heraus, dass der Zustand von gesättigtem (und noch mehr ungesättigtem) Dampf näherungsweise durch die Zustandsgleichung eines idealen Gases (die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung) beschrieben werden kann. Insbesondere haben wir eine ungefähre Beziehung zwischen dem Sättigungsdampfdruck und seiner Dichte:

(1)

Dies ist eine sehr überraschende Tatsache, die durch Experimente bestätigt wurde. Tatsächlich unterscheidet sich Sattdampf in seinen Eigenschaften deutlich von einem idealen Gas. Wir listen die wichtigsten dieser Unterschiede auf.

1. Bei konstanter Temperatur hängt die Dichte von gesättigtem Dampf nicht von seinem Volumen ab.

Wenn beispielsweise Sattdampf isotherm komprimiert wird, steigt seine Dichte im ersten Moment, die Kondensationsrate übersteigt die Verdampfungsrate und ein Teil des Dampfes kondensiert zu Flüssigkeit - bis das dynamische Gleichgewicht wieder erreicht ist wodurch die Dampfdichte auf ihren vorherigen Wert zurückkehrt.

In ähnlicher Weise nimmt während der isothermen Expansion von gesättigtem Dampf seine Dichte im ersten Moment ab (der Dampf wird ungesättigt), die Verdampfungsrate übersteigt die Kondensationsrate und die Flüssigkeit verdampft zusätzlich, bis wieder ein dynamisches Gleichgewicht hergestellt ist - d.h. bis der Dampf wieder mit der gleichen Dichte gesättigt ist.

2. Der gesättigte Dampfdruck hängt nicht von seinem Volumen ab.

Dies folgt aus der Tatsache, dass die Dichte von gesättigtem Dampf nicht vom Volumen abhängt und der Druck durch Gleichung (1) eindeutig mit der Dichte zusammenhängt.

Wie wir sehen, Boyles Gesetz - Mariotte, gültig für ideale Gase, gilt nicht für Sattdampf. Das ist nicht verwunderlich – ergibt sich doch aus der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung unter der Annahme, dass die Masse des Gases konstant bleibt.

3. Bei konstantem Volumen nimmt die Dichte von Sattdampf mit steigender Temperatur zu und mit sinkender Temperatur ab..

Tatsächlich steigt mit steigender Temperatur die Verdampfungsrate der Flüssigkeit.

Das dynamische Gleichgewicht wird im ersten Moment gestört, und es kommt zu einer zusätzlichen Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit. Das Paar wird addiert, bis das dynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist.

In gleicher Weise wird mit sinkender Temperatur die Verdampfungsrate der Flüssigkeit geringer und ein Teil des Dampfes kondensiert, bis das dynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist – jedoch mit weniger Dampf.

Daher ändert sich beim isochoren Erhitzen oder Abkühlen von Sattdampf seine Masse, sodass das Gesetz von Charles in diesem Fall nicht funktioniert. Die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur ist keine lineare Funktion mehr.

4. Der gesättigte Dampfdruck steigt mit der Temperatur schneller als linear an.

Mit zunehmender Temperatur nimmt nämlich die Dichte des gesättigten Dampfes zu, und gemäß Gleichung (1) ist der Druck proportional zum Produkt aus Dichte und Temperatur.

Die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur ist exponentiell (Abb. 2). Es wird durch die Abschnitte 1–2 des Diagramms dargestellt. Diese Abhängigkeit lässt sich nicht aus den Gesetzen eines idealen Gases ableiten.

Reis. 2. Abhängigkeit des Dampfdrucks von der Temperatur

Bei Punkt 2 verdunstet die gesamte Flüssigkeit; Bei weiterer Temperaturerhöhung wird der Dampf ungesättigt und sein Druck wächst linear gemäß dem Charles-Gesetz (Segment 2–3).

Denken Sie daran, dass der lineare Anstieg des Drucks eines idealen Gases durch eine Erhöhung der Intensität der Stöße von Molekülen auf die Gefäßwände verursacht wird. Beim Erhitzen eines gesättigten Dampfes beginnen die Moleküle nicht nur stärker, sondern auch öfter zu treffen - schließlich wird der Dampf größer. Die gleichzeitige Wirkung dieser beiden Faktoren verursachte einen exponentiellen Anstieg des Sättigungsdampfdrucks.

Luftfeuchtigkeit

Absolute Feuchtigkeit- Dies ist der Partialdruck von Wasserdampf in der Luft (d. h. der Druck, den Wasserdampf alleine ohne andere Gase ausüben würde). Manchmal wird die absolute Feuchtigkeit auch als Dichte des Wasserdampfs in der Luft bezeichnet.

Relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis des Partialdrucks des darin enthaltenen Wasserdampfs zum Druck des gesättigten Wasserdampfs bei derselben Temperatur. In der Regel wird dieses Verhältnis in Prozent ausgedrückt:

Aus der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung (1) folgt, dass das Verhältnis der Dampfdrücke gleich dem Verhältnis der Dichten ist. Da die Gleichung (1) selbst, wie wir uns erinnern, Sattdampf nur ungefähr beschreibt, haben wir eine ungefähre Beziehung:

Eines der Instrumente zur Messung der Luftfeuchtigkeit ist Psychrometer. Es enthält zwei Thermometer, von denen das Reservoir in ein nasses Tuch gewickelt ist. Je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto intensiver die Verdunstung von Wasser aus dem Stoff, desto stärker wird das Reservoir des „nassen“ Thermometers gekühlt und desto größer ist der Unterschied zwischen seinen Messwerten und den Messwerten des trockenen Thermometers. Entsprechend dieser Differenz wird anhand einer speziellen psychrometrischen Tabelle die Luftfeuchtigkeit bestimmt.