Warto przeczytać

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

1. przez parowanie,

2. przez wrzenie.

Para powstająca podczas wrzenia, a także często podczas parowania, jest zwykle parą nasyconą, która nie ma własności gazu doskonałego. Z tego powodu używamy tu pojęcia pary, a nie gazu. Trzeba jednak pamiętać, że para jest gazem, choć nie spełnia założeń modelu gazu doskonałego.

Parowanie zachodzi w każdej temperaturze i polega na powolnym uwalnianiu się cząsteczek z powierzchni cieczy. 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 cieczy i opuścić ciecz. Szybkość parowania zależy od temperatury (Rys. 1.), ciśnienia i ruchu powietrza. Jeśli temperatura jest wyższa, to więcej cząsteczek będzie miało dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby opuścić powierzchnię cieczy. Ruch powietrza nad powierzchnią cieczy przyczynia się do tego, że nad powierzchnią nie zbiera się para. Cząsteczki, które opuściły ciecz, są usuwane 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.

R1WRZlR8yzGv5

Rys. 1. Rysunek przedstawia dwa naczynia w cieczą o różnej temperaturze. W naczyniu z lewej strony jest temperatura niższa niż w naczyniu po prawej stronie. Rysunki są symboliczne, bo naczynia wypełnione są kuleczkami obrazującymi cząsteczki cieczy.Są one niebieskie. Nad powierzchnią takiej cieczy w temperaturze niższej unosi się 5 cząsteczek, a w naczyniu o wyższej temperaturze jest ich 13.

Wrzenie to proces, podczas którego ciecz w całej objętości gwałtownie zamienia się w parę (Rys. 2.). Wrzenie zachodzi w ustalonej temperaturze, charakterystycznej dla danej substancji. Cała energia pobrana przez ciecz jest wykorzystana na zmianę stanu skupienia – pokonanie sił przyciągania międzycząsteczkowego. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia zewnętrznego i wzrasta przy zwiększającym się ciśnieniu. Nie jest to zależność wprost proporcjonalna, a jej charakter zależy od rodzaju cieczy. Temperatury wrzenia przy ciśnieniu normalnymWarunki normalneciśnieniu normalnym (1013 hPa) dla kilku substancji przedstawia Tabela 1.

RWeoR1oGcZ1eE

Rys. 2. Rysunek poglądowy przedstawia w dużym powiększeniu bąbelki wrzącej wody.

Zarówno parowanie, jak i wrzenie wymagają dostarczania ciepła. Ciepło parowaniaCiepło parowaniaCiepło 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 $\frac{J}{kg}$.

Energia pobrana podczas zamiany cieczy o masie $m$ w parę wynosi zatem

Tyle samo energii potrzeba, aby zamienić ciecz w parę bez względu na to, czy odbywa się to w procesie powolnego parowania, czy gwałtownego wrzenia. Ciepło parowaniaCiepło parowaniaCiepło parowania stosujemy do opisu obu tych procesów. W Tabeli 1. podano kilka przykładowych wartości ciepła parowania. Jak widać, mogą się one znacznie od siebie różnić.

Tabela 1. Ciepło parowania i temperatura wrzenia przy ciśnieniu normalnymWarunki normalneciśnieniu normalnym (1013 hPa) różnych substancji

Skraplanie – proces odwrotny do parowania. Polega on na zamianie pary w ciecz. Skraplanie zachodzi, gdy gaz odpowiednio oziębimy. Energia jest wtedy oddawana przez gaz w takiej samej ilości, w jakiej została pobrana podczas parowania. Wynika z tego, że ciepło skraplania, czyli energia oddana podczas skroplenia 1 kg substancji jest równe ciepłu parowania.

Obliczmy ciepło oddane podczas skraplania 8 g pary wodnej. Ciepło parowania wody wynosi $2300\frac{kJ}{kg}$.

Podstawmy dane liczbowe do wzoru:

Co oznacza otrzymany wynik? 8 g pary wodnej, która w warunkach normalnychWarunki normalnewarunkach normalnych mieści się w 10‑litrowym wiadrze, odda podczas skraplania energię, która wystarczy do podniesienia kilogramowego odważnika na wysokość 1840 m! Ciepło parowania wody ma dużą wartość. Oznacza to, że do zamiany 1 kg wody w parę potrzeba dużej ilości energii.  Równie dużą energię wydziela skraplająca się para o masie 1 kg.

Słowniczek