Номер 5, страница 63 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

5. Какие свойства насыщенного пара отличают его от идеального газа?

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо сначала определить, что такое идеальный газ и что такое насыщенный пар, а затем сравнить их свойства.

Идеальный газ — это физическая модель газа, в которой предполагается, что:

• молекулы газа являются материальными точками, то есть их собственный объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
• между молекулами отсутствуют силы притяжения или отталкивания на расстоянии;
• столкновения молекул друг с другом и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Поведение идеального газа описывается уравнением состояния Менделеева-Клапейрона: $pV = \nu RT$ или $pV = \frac{m}{M}RT$, где $p$ — давление, $V$ — объем, $T$ — абсолютная температура, $m$ — масса газа.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью (или твердым телом). В этом состоянии скорость процесса испарения (перехода молекул из жидкости в пар) равна скорости процесса конденсации (перехода молекул из пара в жидкость).

Ключевые отличия свойств насыщенного пара от идеального газа:

1. Зависимость давления от объема и температуры. Это основное отличие.
   • Для идеального газа при постоянной температуре ($T = \text{const}$) давление обратно пропорционально объему ($p \sim 1/V$, закон Бойля-Мариотта). То есть при сжатии газа его давление растет. Давление идеального газа зависит как от объема, так и от температуры.
   • Для насыщенного пара давление при постоянной температуре не зависит от занимаемого им объема (до тех пор, пока в системе присутствует жидкая фаза). При изотермическом сжатии часть пара конденсируется, превращаясь в жидкость, но концентрация молекул в газовой фазе, а следовательно и давление, остаются постоянными. Давление насыщенного пара зависит только от температуры (и от рода вещества). Эта зависимость нелинейная и растет с температурой значительно быстрее, чем у идеального газа.

2. Применимость газовых законов.
   • Идеальный газ подчиняется объединенному газовому закону $pV/T = \text{const}$ и его частным случаям (законам Бойля-Мариотта, Шарля, Гей-Люссака).
   • Насыщенный пар не подчиняется этим законам. Например, при изотермическом процессе ($T = \text{const}$) давление $p$ насыщенного пара постоянно, поэтому при уменьшении объема $V$ произведение $pV$ уменьшается, что противоречит закону Бойля-Мариотта. При изохорном нагреве ($V=\text{const}$) давление $p$ насыщенного пара растет, но при этом увеличивается и его масса $m$ (за счет испарения жидкости), поэтому закон Шарля ($p/T = \text{const}$) для постоянной массы газа здесь неприменим.
3. Характер системы.
   • Идеальный газ — это однофазная система с постоянной массой.
   • Насыщенный пар — это всегда часть двухфазной системы (пар + жидкость), где масса пара не является постоянной величиной и может изменяться при изменении внешних условий (температуры или объема).

Ответ:

Главные свойства насыщенного пара, отличающие его от идеального газа, заключаются в том, что его давление и плотность при постоянной температуре не зависят от объема (пока существует жидкая фаза), а зависят только от температуры. Вследствие этого насыщенный пар не подчиняется газовым законам (Бойля-Мариотта, Шарля, Гей-Люссака), которые справедливы для идеального газа. Кроме того, насыщенный пар является частью двухфазной системы (газ-жидкость), и его масса может изменяться, в то время как идеальный газ рассматривается как однофазная система с постоянной массой.