§ 297. Изменение внутренней энергии при переходе вещества из жидкого состояния в парообразное

Мы выяснили, что испарение жидкости возможно только при наличии притока теплоты к испаряющейся жидкости. Почему это так?

Во-первых, при испарении увеличивается внутренняя энергия вещества. Внутренняя энергия насыщенного пара всегда больше внутренней энергии жидкости, из которой этот пар образовался. Увеличение внутренней энергии вещества при испарении без изменения температуры происходит в основном благодаря тому, что при переходе в пар среднее расстояние между молекулами увеличивается. При этом возрастает их взаимная потенциальная энергия, так как, для того чтобы раздвинуть молекулы на большие расстояния, нужно затратить работу на преодоление сил притяжения молекул друг к другу.

Кроме того, совершается работа против внешнего давления, ибо пар занимает больший объем, чем жидкость, из которой он образовался. Совершение работы при парообразовании становится особенно наглядным, если представить себе, что жидкость испаряется в цилиндре и что образующиеся пар поднимает легкий поршень (рис. 492), производя при этом работу против атмосферного давления. Эту работу легко подсчитать. Сделаем этот подсчет для воды, кипящей при нормальном давлении и, следовательно, при температуре . Пусть поршень имеет площадь . Так как нормальное атмосферное давление равно , то на поршень действует сила . Если поршень поднимется на , будет произведена работа . При этом образуется  пара. Плотность пара при  равна , поэтому масса пара равна . Следовательно, при образовании  пара на работу против внешнего давления будет затрачено .

Рис. 492. Образующиеся пары поднимают поршень. При этом производится работа против сил внешнего давления

При испарении  воды при  расходуется  (удельная теплота парообразования). Из них  затрачивается, как показывает наш подсчет, на работу против внешнего давления. Следовательно, остаток, равный , представляет собой приращение внутренней энергии  пара по сравнению с энергией  воды. Как видно, для воды большая часть теплоты при испарении идет на приращение внутренней энергии и лишь небольшая часть тратится на совершение внешней работы.

297.1. Определите приращение внутренней энергии при испарении спирта, если известно, что плотность пара спирта при температуре кипения равна .