Что такое пар и конденсация — отправная точка
Пар и конденсация — ключевые темы термодинамики, без них не обойтись на ЕГЭ. Пар образуется, когда молекулы жидкости получают достаточно энергии и вырываются из объёма. Обратный процесс — переход газа в жидкость — называют конденсацией. Различать оба явления важно: задачи проверяют не только формулы, но и понимание микроскопической картины. Если представить стакан воды, то испарение идёт даже при комнатной температуре, а конденсация начинается, когда водяной пар охлаждается у холодной поверхности. Чётко фиксируйте направление теплообмена: при парообразовании энергия поглощается, при обратном переходе она выделяется. Это правило часто приносит лёгкие баллы в расчетах.
Насыщенный и ненасыщенный пар: критерии и свойства
Газ называют ненасыщенным, пока в нём ещё могут испаряться частицы жидкости. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии: скорость испарения равна скорости конденсации. Главное следствие — давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объёма сосуда. В тестах любят спрашивать, что произойдёт при сжатии насыщенного пара без изменения температуры. Ответ: произойдёт конденсация, а давление не вырастет. У ненасыщенного газа при тех же действиях давление увеличится по закону Бойля. Следите, чтобы не спутать эти режимы. Простой способ проверки: посмотрите, осталась ли в системе жидкая фаза. Если да, велика вероятность, что рассматривается насыщенный пар.
Кривая насыщения на диаграмме P–T
График «давление – температура» помогает увидеть границы фаз. Линия насыщения отделяет область жидкой фазы от газовой. Правее линии расположена область перегретого пара, левее — жидкости. Переверните стакан с водой в микроволновке: пока точка состояния лежит на линии, температура не растёт, хотя теплота поступает. Усвоив это, легче понять, почему чайник кипит при постоянных ста градусах, а давление пара над ним резко увеличивается при повышении температуры в закрытом сосуде. На диаграмме также находят критическую точку, где различие между фазами исчезает. Её параметры для воды: T≈647 К, P≈22,1 МПа. Такие цифры помнить не обязательно, достаточно знать порядок величин для качественного анализа графиков.
Уравнение Клапейрона–Клаузиуса и оценка крутизны кривой
Связь между давлением насыщенного пара и температурой задаёт уравнение Клапейрона–Клаузиуса: dP/dT = L/(T·ΔV). Здесь L — удельная теплота парообразования, ΔV — разность удельных объёмов пара и жидкости. Формула выводится из равновесия фаз при малом изменении температуры. В школьных задачах её используют, чтобы прикинуть, как изменится давление при нагреве на несколько градусов. Если принять ΔV≈Vпар, то получаем экспоненциальную зависимость P(T). Отсюда следует полезная оценка: при росте температуры на 10 К около ста градусов давление водяного пара увеличивается почти вдвое. Такое свойство объясняет, почему скороварка готовит пищу быстрее, а паровая турбина работает эффективнее при высоких температурах.
Пар и конденсация: теплота фазовых переходов
Удельная теплота парообразования L показывает, сколько энергии нужно для перехода единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре. Для воды при 100 °C L≈2,26 МДж/кг. При конденсации то же количество энергии выделяется. Не перепутайте знак в задачах: часто требуется определить, нагреется ли смесь или наоборот остынет, когда пар конденсируется на ледяной крошке. Алгоритм решения прост:
- Запишите тепловой баланс, учитывая все источники теплоты.
- Сохраните знак «+» для полученной, «–» для отданной энергии.
- Сверьтесь с L: для воды значение на порядок выше, чем теплоёмкость.
Высокая величина L делает пар отличным теплоносителем. Именно поэтому отопительные системы часто работают на насыщенном водяном паре: при конденсации он отдаёт много энергии без снижения температуры ниже ста градусов.
Типовые задачи с сосудами, клапанами и манометрами
Сюжеты ЕГЭ любят комбинировать несколько законов. Например, сосуд объёмом 5 л содержит воду и насыщенный пар при 100 °C. Кран открывают, часть пара выходит, давление падает, и часть воды мгновенно испаряется, возвращая систему на линию насыщения. Чтобы решить подобное, нужно применить:
- Закон сохранения массы водяного пара и жидкости.
- Уравнение состояния идеального газа для паровой фазы.
- Постулат: давление насыщенного пара зависит только от температуры.
Часто достаточно составить два уравнения: баланс массы и баланс энергии, после чего найти конечную температуру или массу выпущенного пара. Не забывайте, что холодные стенки сосуда способны отводить теплоту. Если теплообмена нет, процесс адиабатический, тогда давление после выпуска станет меньше насыщенного, и жидкость частично испарится, пока вновь не установится равновесие.
Конденсация в атмосфере и погода за окном
Природное образование облаков и тумана — живой учебник. Воздух содержит водяной пар; при подъёме он расширяется и остывает. Когда температура достигает точки росы, начинается конденсация на аэрозолях. Если количество ядер мало, воздух может стать пересыщенным, и пар конденсируется мгновенно, создавая облака кучевого типа. Анализ атмосферных процессов помогает отвечать на вопросы о выпадении росы и инея. Помните, что относительная влажность — это отношение текущего парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при данной температуре. Если показатель превысит 100 %, появляется пересыщенный пар. В задачах ЕГЭ иногда требуют вычислить, на сколько градусов нужно охладить комнату, чтобы выпала влага. Алгоритм тот же: таблица насыщенного давления и уравнение идеального газа дадут быстрый ответ.
Финальные советы по решению экзаменационных задач
Набор приёмов несложен, но требуется тренировка. Вот короткий список, который стоит держать в голове:
- Начинайте с рисунка: подпишите фазы, температуры и давления.
- Ищите, где действует закон Дальтона, а где линия насыщения.
- Проверяйте размерности: моль, килограмм, джоуль — не путайте.
- Следите за направлением тепловых потоков, оно задаёт знак энергии.
- Запаситесь таблицами давления насыщенного пара; на ЕГЭ их дают.
Решайте задачи разных типов: открытые сосуды, поршни, теплообменники. После десятка примеров начинаете видеть стандартные схемы. Переключаясь между краткими расчётами и качественными вопросами, держите в памяти главный принцип: фазовые переходы идут при постоянной температуре, а количество теплоты равно m·L. Тогда «пар и конденсация» перестанут пугать, а в задании №30 вы уверенно получите максимальные баллы.