Далее: 3.  Выполнение работы и Вверх: Лабораторные работы Назад: 1.  Вопросы для подготовки

2.  Краткая теория

Процесс парообразования со свободной поверхности жидкости называется испарением. Для выхода из жидкости молекулы должны преодолеть силы притяжения со стороны соседних молекул, то есть совершить работу против этих сил. Кроме того, должна быть совершена работа против внешнего давления, равная

$$A=p\Delta v,$$

где ${\Delta v=v_n-v_{\text{ж}}}\strut$.

Вся эта работа совершается за счет кинетической энергии теплового движения молекул, поэтому покинуть жидкость могут не все молекулы, а лишь обладающие достаточной кинетической энергией. Переход части молекул в пар приводит к обеднению жидкости быстрыми молекулами, то есть к ее охлаждению.

Для того, чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, к ней необходимо подводить теплоту, например из окружающевго воздуха. Количество теплоты. необходимое для испарения определенного количества жидкости без изменения ее температуры (изотермически) при неизменном внешнем давлении, является характеристикой жидкости и называется теплотой испарения. Обычно эту теплоту относят либо к единице массы, либо к молю жидкости. Иногда эту теплоту называют скрытой, так как подвод этой теплоты не сопровождается понижением температуры. Та часть теплоты испарения, которая затрачивается на преодаление притяжения молекул поверхностного слоя, характеризует силы связи между молекулами жидкости. Чем больше эти силы, тем больше теплота испарения.

Испарение происходит только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре. Теплота испарения зависит от температуры: при критической температуре, когда различие между жидкостью и паром исчезает, теплота испарения очевидно равна нулю. Следовательно, с повышением температуры теплота испарения должна убывать.

Процесс испарения той или иной жидкости характеризуется величиной скорости испарения, которая численно равна массе жидкости, испаряющейся с единицы площади свободной поверхности
в единицу времени:

$$u={m\over St} ,$$

где	$u$	--	скоростъ испарения,
	$m$	--	масса испарившейся жидкости с поверхности $S$
			за время $t$.

Если

$$S={\pi d^2\over 4} ,$$

где $d_{}$ -- диаметр сосуда, то

$$u={4m\over \pi d^2t} .$$ (1)

Скорость испарения разных жидкостей различна. Для одной и той же жидкости она увеличивается с повышением температуры, так как во-первых, чем выше температура, тем большее число молекул обладает достаточной энергией и, во-вторых, с повышением температуры ослабевают силы связи между молекулами жидкости.

Скорость испарения этилового спирта, эфира, бензина и некоторых других жидкостей настолько значительна, что с помощью аналитических весов можно проследить за уменьшением массы жидкости, что и осуществляется в данной работе.

Энтропией $S$ называется функция состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты $\delta Q$, сообщенного системе,
к абсолютной температуре $T$:

$$dS={\delta Q\over T} ;$$

$$S_2-S_1=\int\limits_1^2{\delta Q\over T} .$$

При обратимых адиабатических процессах

$$\delta Q= 0; \qquad S_2=S_1=const,$$

то есть энтропия не изменяется. В общем случае теплоизолированной системы ${S_2 - S_1\geq0}\vrule depth 17pt width0pt$, где знак ''>'' относятся к необратимым процессам, а ''='' к обратимым.

В неизолированных термодинамических системах процессы могут происходить как с увеличением, так и с уменьшением энтропии. Например, в изотермическом процессе ($T=const$):

$$S_2-S_1={1\over T}\int\limits_1^2{\delta Q}$$ (2)

и если теплота подводится к телу, энтропия его увеличивается, а если отводится -- уменьшается. Если же рассматривать систему, состоящую из данного тела и тел ближайшего окружения как замкнутую (изолированую) систему, то ее энтропия по II началу термодинамики может только оставаться постоянной (при обратимых изменениях) или возрастать (при необратимых процессах).

Для расчета изменения энтропии при испарении некоторой массы $m$ вещества необходимо просуммировать все элементарные количества теплоты, необходимые для этого, то есть найти интеграл:

$$\Delta S=\int\limits_1^2{\delta Q\over T} .$$

Сумма всех $\delta Q$ даст количество теплоты, необходимое для испарения:

$$\Delta Q=rm,$$

где $r$ -- удельная теплота испарения. Температура не меняется, поэтому

$$\Delta S=S_2-S_1={rm\over T} .$$ (3)

Так рассчитывается изменение энтропии жидкости при ее испарении.

Далее: 3.  Выполнение работы и Вверх: Лабораторные работы Назад: 1.  Вопросы для подготовки