8.2.Давление насыщенного пара

Молекулы пара, ударяющиеся о стенку сосуда, оказывают на нее давление. Максимальное давление пара, развиваемое жидкостью, называют давлением насыщенного пара этой жидкости.

Поскольку доля молекул с высокой энергией растет с температурой, испаряемость также растет и, следовательно, увеличивается давление насыщенного пара. Значение давления насыщенного пара зависит от природы жидкости и температуры и не зависит от количества жидкости.

Рис. 8.3. Измерение давления насыщенного пара жидкости:
1 - ртутный барометр, 2 - место введения некоторого количества жидкости. 3 - всплывшая жидкость, 4 - образовавшийся пар оказывает давление на столб ртути, 5 - понижение уровня ртути, разность h₁-h₂ (в мм) - это давление насыщенного пара жидкости при данной температуре

Над твердыми телами также есть пар, но при комнатной температуре его давление (у большинства веществ) незначительно. На рис. 8.3 изображена установка для измерения давления насыщенного пара, а на рис. 8.4 приведен график в координатах Р - Т.

Рис. 8.4. Зависимость давления насыщенного пара от температуры
Температуры кипения при внешнем давлении, большем 1 атм (1), при 1 атм (2) и пониженном давлении (3)

По мере нагревания жидкости в открытом сосуде давление насыщенного пара над ней растет до тех пор, пока не сравняется с атмосферным. Когда это наступает, внутри жидкости образуются пузырьки пара, улетучивающиеся в атмосферу, поскольку давление пара становится достаточным для выталкивания воздуха - жидкость закипает. Температуру кипения жидкости определяют как такую, при которой давление насыщенного пара ее становится равным внешнему давлению (обычно равному 1 атм). Когда жидкость кипит, поступающая теплота расходуется на образование молекул, энергия которых становится достаточной для улетучивания их в фазу пара. Средняя кинетическая энергия остающихся в жидкости молекул не увеличивается, так что температура остается постоянной. На рис. 8.4 показано, каким образом температура кипения при давлении, большем, чем 1 атм, увеличивается, и уменьшается при давлении, меньшем 1 атм. Перегонку при пониженном давлении (иногда называют вакуумной перегонкой) применяют для очистки веществ, разлагающихся при их температурах кипения; для этого служит прибор, показанный на рис. 8.5. Вакуумный насос позволяет получать разрежение в 10³ или 10² Нм^-2.

Рис. 8.5. Перегонный аппарат:
1 - термометр; 2 - карман для термометра; 3 - колба для перегонки; 4 - холодильник Либиха; 5 - приемник; 6 - дистиллят

Температура кипения позволяет судить при определенном давлении (обычно 1 атм) о чистоте жидкости. Когда измеряют температуру кипения, то термометр должен показывать температуру пара, равновесного с кипящей жидкостью (см. рис. 8.5), и ни в коем случае не должен быть погружен в жидкость, поскольку может наступить перегрев (превышение температуры кипения), если жидкость нагревается быстро. Давление насыщенного пара жидкости может быть использовано для вычисления массы жидкости, находящейся в парообразном состоянии в данном объеме при определенном давлении.

П р и м е р. Сосуд вместимостью 1,000 дм³ содержит воздух при 1,01•10⁵ Нм^-2 и 0°С. После введения в сосуд 1,000 г воды температуру подняли до 90°С. Найдите массу испарившейся воды. Давление насыщенного пара воды при 90°С равно 6,99*10⁵ Нм^-2.

Р е ш е н и е. Воспользуемся уравнением состояния идеального газа:

PV = nRT,

P = 6,99•10⁵ Нм^-2;
R = 8,314 ДжК^-1•мол^-1;
T = 363К; V= 1,000 дм³ = 1•10^-3 м^-3

6,99•10⁴ • 1,000•10^-3 = n • 8,314 • 363
Количество воды = 2,32•10^-2 моль
Масса воды = 18,0•2,32•10^-2 г
Масса паров воды = 0,417 г