Przeczytaj
Warto przeczytać
Przemiana ze stanu ciekłego w stan gazowy może się odbywać się na dwa sposoby:
przez parowanie,
przez wrzenie.
Oba procesy, parowanie i wrzenie, wymagają dostarczania ciepła
Ciepło parowania definiujemy, jako energię potrzebną do zamiany 1 kg cieczy w parę:
gdzie to energia potrzebna do wyparowania masy danej substancji. Jednostką ciepła parowania jest .
Energia pobrana podczas zamiany cieczy o masie w parę wynosi:
Tyle samo energii potrzeba, aby zamienić ciecz na parę bez względu na to, czy odbywa się to w procesie powolnego parowania, czy gwałtownego wrzenia. Ciepło parowania stosujemy do opisu obu tych procesów. Jeśli chcesz się dowiedzieć więcj na ten temat zajrzyj do e‑materiłu pt. Ciepło parowania.
Parowanie
Parowanie zachodzi w każdej temperaturze i polega na powolnym uwalnianiu się cząsteczek z powierzchni cieczy.
Cząsteczki cieczy oddziałują na siebie siłami przyciągającymi, ale mogą swobodnie się przemieszczać w obrębie cieczy. Nie mogą jednak oddalać się od siebie i dlatego trudno zmienić objętość cieczy. Jednak niektóre cząsteczki opuszczają ciecz w zjawisku parowania. Jak to się dzieje?
Cząsteczki cieczy poruszają się z różnymi prędkościami we wszystkich kierunkach. Jeśli cząsteczka cieczy znajduje się blisko powierzchni cieczy i w wyniku przypadkowego zderzenia z inną cząsteczką uzyska dużą energią kinetyczną, to może przezwyciężyć siły przyciągania od innych cząsteczek i opuścić ciecz. Szybkość parowania zależy od temperatury, ciśnienia i ruchu powietrza nad powierzchnią. Jeśli temperaturatemperatura jest wyższa, to więcej cząsteczek będzie miało dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby opuścić powierzchnię cieczy (Rys. 1.). Ruch powietrza nad powierzchnią cieczy przyczynia się do tego, że nie zbiera się tam para. Cząsteczki, które opuściły ciecz są przemieszczane i nie mogą już do niej powrócić. Zmniejszenie ciśnienia zewnętrznego zwiększa szybkość parowania, bo cząsteczka pary, która opuściła ciecz ma mniejsze szanse na zderzenie z cząsteczką powietrza i powrót do cieczy. Cząsteczki opuszczające ciecz mają duże energie kinetyczne i w wyniku parowania średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek cieczy maleje, czyli obniża się temperatura cieczy. To dlatego marzniemy w mokrym ubraniu.
Proces parowania wody jest niewidoczny. Mgiełkę unoszącą się nad gorąca herbatą nazywamy potocznie parą, ale tak naprawdę nie jest to para, tylko drobne kropelki wody, które powstały na skutek skroplenia pary w chłodnym powietrzu. Para wodna jest niewidoczna.
Jeśli naczynie jest zamknięte, masa pary nad powierzchnią cieczy nie wzrasta nieograniczenie. W pewnym momencie para staje się parą nasyconąparą nasyconą, której gęstość i ciśnienie mają, zależne od temperatury, maksymalne wartości. Cząsteczki pary nasyconej są tak blisko siebie, że zaczynają się łączyć i następuje skraplanie. Wytwarza się stan równowagi dynamicznejrównowagi dynamicznej. W określonym przedziale czasu tyle samo cieczy wyparowuje, co pary ulega skropleniu. Masa pary i cieczy jest więc stała. Im wyższa temperatura, tym ciśnienie pary nasyconej jest wyższe i tym więcej pary może znajdować się w powietrzu.
Wrzenie
Wrzenie to parowanie cieczy w całej jej objętości. Jak parowanie może zachodzić w głębi cieczy? W cieczy znajdują się maleńkie pęcherzyki powietrza. Podczas napełniania naczynia cieczą, przyczepiają się one do nierówności na ściankach naczynia, a także do pyłków i innych zanieczyszczeń cieczy. Co więcej, przy dostatecznie wysokiej temperaturze, takie mikro‑bąbelki mogą tworzyć się samoistnie, na skutek pojawiających się różnic gęstości cieczy. Właśnie do tych maleńkich bąbelków powietrza ciecz paruje w miarę zwiększania się temperatury. Bąbelki wypełnione parą stopniowo powiększają się i początkowo są przyczepione do dna i ścianek naczynia. Możesz to zaobserwować, gdy w garnku podgrzewasz wodę, ale nie zaczęła ona jeszcze wrzeć (Rys. 2.).
Cząsteczki pary w pęcherzykach w miarę wzrostu temperaturytemperatury cieczy uzyskują coraz większą energię kinetyczną. Ale dopóki temperatura jest za niska, pęcherzyk nie rośnie na tyle, by siła wyporu mogła oderwać go od podłoża. Para w pęcherzykach jest nasyconanasycona i nadmiar cząsteczek skrapla się. Dopóki ciśnienie pary nasyconej w pęcherzyku jest mniejsze od ciśnienia zewnętrznego, pęcherzyk nie może oderwać się od dna lub ścianki naczynia.
W końcu jednak temperatura osiąga wartość, przy której ciśnienie pary może przekroczyć, choćby minimalnie, ciśnienie zewnętrzne. Od tego momentu więcej cząsteczek może przenikać do pęcherzyka niż powracać do cieczy w procesie skraplania. Pęcherzyk powiększa się i przez siłę wyporu jest wypychany na powierzchnię cieczy. Pękające na powierzchni pęcherzyki wydają charakterystyczny odgłos. Dlatego słyszymy szum i bulgotanie gotującej się wody (Rys. 3.).
Z naszych rozważań wynika, że wrzenie rozpoczyna się w takiej temperaturze, w której ciśnienie pary nasyconejpary nasyconej równe jest ciśnieniu zewnętrznemu.
Temperatura wrzenia zależy więc od ciśnienia zewnętrznego i wzrasta przy zwiększającym się ciśnieniu. Nie jest to zależność wprost proporcjonalna. Jej charakter zależy od rodzaju cieczy. Możesz o tym przeczytać w e‑materiale pt. Jaki wpływ ma ciśnienie na temperaturę wrzenia cieczy?.
Podczas wrzenia temperatura jest stała pomimo dostarczania do cieczy ciepła. Na Rys. 4. pokazano, jak temperatura cieczy i powstałej z niej pary zależy od ilości pobranej energii cieplnej . Między temperaturą krzepnięcia i temperaturą wrzenia , czyli w całym zakresie temperatur, gdy substancja jest w stanie ciekłym, zachodzi tylko proces parowania (zob. materiały pt. Przemiany gazowe wody i Reguła faz Gibbsa). Gdy podczas parowania ciecz jest podgrzewana, ciepło pobrane zużywane jest na zmianę stanu skupienia oraz na zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek, czyli zwiększenie temperatury. Gdy temperatura wzrośnie do temperatury wrzenia, całe pobrane przez ciecz ciepło zużywane jest na zmianę stanu skupienia z ciekłego na gazowy w stałej temperaturze. Temperatura zaczyna rosnąć dopiero, gdy cała ciecz zamieni się w parę.
Parowanie i wrzenie: podobieństwa i różnice
Jakie są wspólne cechy procesu parowania i wrzenia?
Oba procesy powodują zmianę stanu ciekłego w gazowy.
Podczas parowania i wrzenia pobierane jest ciepło, przy czym ciepło potrzebne na zamianę jednostki masy cieczy w parę (ciepło parowania(ciepło parowania) jest takie samo w obu procesach.
Jakie są różnice między parowaniem i wrzeniem?
Różnice obu procesów przedstawia poniższa tabela
Wrzenie | Parowanie |
Polega na zamianie cieczy w parę w całej objętości cieczy. | Polega na zamianie cieczy w parę tylko na powierzchni cieczy. |
Wrzenie rozpoznajemy po powstawaniu bąbli wypełnionych parą w całej objętości cieczy, czemu towarzyszy szum. | Parowanie jest niewidoczne. Rozpoznajemy je tylko po skutkach – ilość cieczy zmniejsza się. |
Zachodzi tylko w temperaturze wrzenia, zależnej od ciśnienia zewnętrznego. | Zachodzi w każdej temperaturze między temperaturą krzepnięcia i temperaturą wrzenia. |
Podczas wrzenia temperatura cieczy jest stała. | Temperatura cieczy zwiększa się, jeśli ciepło jest stale dostarczane do cieczy. Jeśli ciepło nie jest dostarczane, temperatura cieczy zmniejsza się, bo energia cieplna na zmianę stanu skupienia pobierana jest z pozostałej cieczy. |
Szybkość zamiany cieczy na parę zależy od ilości dostarczanego ciepła w jednostce czasu. | Szybkość zamiany cieczy na parę zależy od temperatury, ciśnienia i ruchu powietrza. |
Wrzenie w przykrytym naczyniu powoduje zwiększenie ciśnienia pary i podskakiwanie pokrywki. | Parowanie w przykrytym naczyniu powoduje powstanie stanu równowagi dynamicznejrównowagi dynamicznej cieczy i pary nasyconej, w której tyle samo pary skrapla się, co cieczy paruje. |
Słowniczek
(ang.: latent heat of vaporization) - energia potrzebna do zamiany 1 kg cieczy w parę. Można je wyznaczyć doświadczalnie z użyciem wzoru , gdzie – energia dostarczona podczas parowania, – masa cieczy.
(ang.: saturated steam) para o największej możliwej gęstości i ciśnieniu w danej temperaturze.
(ang.: dynamic equilibrium) rodzaj równowagi termodynamicznej, w której szybkości procesów są sobie równe – ich wypadkowa równa jest zeru.
(ang.: temperature) – miara średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała. Temperatura w skali Kelvina jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek.