Warto przeczytać

Przemiana ze stanu ciekłego w stan gazowy może się odbywać się na dwa sposoby:

1. przez parowanie,

2. przez wrzenie.

Oba procesy, parowanie i wrzenie, wymagają dostarczania ciepła

Ciepło parowania $c_p$ definiujemy, jako energię potrzebną do zamiany 1 kg cieczy w parę:

gdzie $Q$ to energia potrzebna do wyparowania masy $m$ danej substancji. Jednostką ciepła parowania jest $\frac{\text{J}}{\text{kg}}$.

Energia pobrana podczas zamiany cieczy o masie $m$ 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 temperaturaTemperaturatemperatura 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.

RctYgA2BKZDdx

Rys. 1. Na rysunku są dwa naczynia z cieczą, przedstawioną jako zbiorowisko kulek, symbolizujących cząsteczki. W cieczy kulki są stłoczone, ich powierzchnie stykają się. Nad powierzchnią cieczy jest para, przedstawiona jako pojedyncze kulki w dużych odległościach od siebie. W naczyniu z lewej strony zapisano temperaturę, jako wielkie T z indeksem dolnym jeden. W naczyniu z prawej strony temperatura jest wyższa, co wyjaśnia nierówność: wielkie T z indeksem dolnym dwa większe niż wielkie T z indeksem dolnym jeden. W tym naczyniu nad powierzchnią cieczy jest więcej cząsteczek w mniejszych odległościach od siebie, niż w naczyniu z lewej strony.

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 nasyconąPara nasyconaparą 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 dynamicznejRównowaga dynamicznarównowagi 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.).

RhNnmUtWv6xmP

Rys. 2. Zdjęcie pokazuje wnętrze garnka z wodą, który stoi na kuchence. Na dnie garnka widać wiele małych pęcherzyków powietrza.

Cząsteczki pary w pęcherzykach w miarę wzrostu temperaturyTemperaturatemperatury 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 nasyconaPara 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.).

R1RA8fBeKOyZm

Rys. 3. Zdjęcie pokazuje naczynie z wrzącą wodą. Z wody wydobywają się liczne bąble powietrza i powierzchnia wody jest pofałdowana, pełna nierówności.

Z naszych rozważań wynika, że wrzenie rozpoczyna się w takiej temperaturze, w której ciśnienie pary nasyconejPara nasyconapary 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 $Q$. Między temperaturą krzepnięcia $t_k$ i temperaturą wrzenia $t_w$, 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.

R1BJ6ONpJ3sCD

Rys. 4. Na rysunku znajduje się układ współrzędnych. Na osi poziomej odłożono ciepło oznaczone literą wielkie Q, na osi pionowej odłożono temperaturę oznaczoną literą małe t. Na osi temperatury zaznaczono 2 punkty, od których poprowadzono poziome linie przerywane. Niższy punkt odpowiada temperaturze krzepnięcia i oznaczono go literą małe t z indeksem dolnym k. Wyższy punkt odpowiada temperaturze wrzenia i oznaczono go literą małe t z indeksem dolnym w. Wykres jest linią łamaną składającą się z trzech odcinków. Pierwszy odcinek, skierowany ukośnie w górę i w prawo, zawarty jest między liniami przerywanymi. Pod odcinkiem zapisano słowo ciecz, nad odcinkiem słowo parowanie. Drugi odcinek jest poziomy i pokrywa się z górną linią przerywaną, odpowiadającą temperaturze wrzenia. Pod odcinkiem zapisano słowa ciecz i para, nad odcinkiem słowo wrzenie. Trzeci odcinek, leżący powyżej temperatury wrzenia, skierowany jest ukośnie w górę i w prawo. Pod odcinkiem zapisano słowo para.

Parowanie i wrzenie: podobieństwa i różnice

Jakie są wspólne cechy procesu parowania i wrzenia?

1. Oba procesy powodują zmianę stanu ciekłego w gazowy.

2. Podczas parowania i wrzenia pobierane jest ciepło, przy czym ciepło potrzebne na zamianę jednostki masy cieczy w parę (ciepło parowaniaCiepło parowania(ciepło parowania) jest takie samo w obu procesach.

Jakie są różnice między parowaniem i wrzeniem?

Różnice obu procesów przedstawia poniższa tabela

Słowniczek