Конденса́ція (від — згущувати) — процес переходу газу в рідину внаслідок охолодження або стиснення. Утворена таким чином рідина називається конденсат. Швидкість процесу залежить від зовнішніх умов — в першу чергу тиску і температури. За стабільної температури конденсація відбувається при перевищенні тиску вище тиску насиченої пари за даної температури, за стабільного тиску — при зниженні температури нижче температури конденсації для даного тиску. У випадку водяної пари в повітрі, температура конденсації для даної концентрації пари називається точкою роси.
Конденсація не відбувається при температурі вище критичної — у цьому випадку рідина і пара не мають чіткого розділення, і при збільшенні тиску речовина плавно переходить у надкритичний стан. Якщо температура нижча температури потрійної точки для даної речовини, при збільшенні тиску пара переходить безпосередньо у твердий стан, і таке явище має особливу назву десублімація.
Конденсація в обʼємі газу відбувається за наявності ядер конденсації. Зазвичай у повітрі присутня значна кількість мікроскопічних твердих частинок, тому конденсація починається тоді, коли пара досягає стану насичення. У повітрі, очищеному від таких частинок, тиск насиченої пари може значно перевищувати тиск насичення. Такий стан називається пересиченням пари.
При конденсації виділяється тепло. Питома теплота конденсації за абсолютною величиною дорівнює питомій теплоті пароутворення.
Історія вивчення Концепт конденсації описував ще Анаксімен у 6 столітті до н. е. Він вважав, що першоосновою всієї матерії є повітря, а туман, рідини і тверді тіла утворюються за рахунок його конденсації. Втім, він не запропонував гіпотез, чому саме відбувається конденсація, припускаючи, що це відбувається за власною волею матерії. Виходячи з того, що пара гаряча, а лід холодний, він припускав, що конденсація генерує холод (насправді ж, як зараз відомо, навпаки, конденсація генерує тепло). Арістотель же, який жив на 200 років пізніше, навпаки, вважав що тепло і холод є причиною випаровування і конденсації. Важливим розвитком ідеї був розвиток атомізму — такі філософи як Демокріт і Левкіпп вірно припустили, що при конденсації змінюється лише відстань між атомами речовини, тоді як її склад не змінюється. Проте пояснення, чому саме це відбувається вони також не змогли дати. Ця проблема стала ключовою у поясненні конденсації: не було зрозуміло, що утримує атоми газів на відстані, не дає їм зібратися разом і спонтанно зколапсувати, утворюючи рідину.
Арістотель вказував, що мають існувати якісь окремі пустотні сутності (), які тримають на відстані атоми в газах, проте цей підхід не вирішував проблему. Античній філософії було важко знайти рішення, оскільки вважалося, що атоми не рухаються самі по собі — а якщо рух і був, то він був скоріше у формі вібрації на місці. З іншого боку, можливість існування далекодійних сил, які б відштовхували атоми один від одного, також заперечувалася. Проблема пустот між атомами загалом оминалася (деякі середньовічні вчені стверджували, що таких пустот не існує). Декарт стверджував, що простір між атомами заповнений якоюсь легшою речовиною. Ґассенді, базуючись на експериментах з розчинення солі у воді, стверджував що форма атомів не дає їм заповнити простір щільно, і форма пустот визначається формою атомів (і може бути заповненою підхожими атомами іншого роду). Френсіс Бекон вважав, що у різних речовин є різні «природні стани», і хоча їх можна тимчасово перевести в інші, вони будуть «прагнути» повернутися у початковий. Ньютон постулював існування притягування і відштовхування між атомами, і вважав «конденсаційні» і «розріджаючі» сили одними з фундаментальних у природі.
Незважаючи на нерозуміння причин конденсації, вона широко використовувалася: парові машини стали розповсюдженими у 18 столітті, дистиляція у перегонних кубах практикувалася ще у 1200-х рр. до нашої ери.
1662 року Роберт Бойль сформулював перший газовий закон (відомий зараз як закон Бойля — Маріотта), а у 1738 році Даніель Бернуллі сформулював першу кількісну кінетичну теорію газів, де їх властивості виводилися з припущення що гази складаються з частинок які дуже швидко рухаються і не взаємодіють між собою, при чому швидкість руху залежить від температури. Ця теорія правильно пояснила питання пустот між частинками газу, яке дві тисячі років турбувало атомістів. Проте, у 18 столітті кінетична теорія ще не стала загальноприйнятою, а популярним поясненням було відштовхування між атомами, запропоноване Ньютоном. Це відштовхування пов'язували з теплецем — гіпотетичною речовиною, що перетікала від теплих тіл до холодних і відчувалася як температура. Саме наявністю великої кількості теплецю в газах пояснювалося відштовхування його атомів. Теорія теплецю також передбачала збільшення температури при стисканні (та ж кількість теплецю тепер перебувала в меншому об'ємі). Лише наприкінці 19 століття кінетична теорія затвердилася в науці, завдяки роботам багатьох фізиків, в тому числі Джеймса Джоуля, Вільяма Томсона і Рудольфа Клаузіуса.
У 1762 році Джозеф Блек показав, що при таненні і випаровуванні виділяється, а при замерзанні і конденсації поглинається велика кількість теплоти, тобто, відкрив теплоту конденсації та пароутворення.
З давнини людям була відома конденсація речовин, що в нормальних умовах є рідкими, таких як вода чи ртуть. Першим припустив що повітря також може бути зріджене Гійом Амонтон у 1703 році. 1789 року Лавуаз'є писав, що при достатньому охолодженні атмосферні гази стануть рідинами. 1799 року отримав рідкий аміак стисненням. 1801 року Гаспар Монж і отримали рідкий діоксид сірки охолодженням. 1823 року Фарадей спростив схему зрідження газів і отримав рідкий хлор, сірководень і діоксид вуглецю. Охолодження проводилося через відкачування пари над рідиною (через що з поверхні рідини весь час йшло випаровування, що призводило до швидкого охолодження, аж допоки рідина не замерзала), тому отримання зріджених газів дозволяло досягати ще нижчих температур. Таким чином було досягнуто температури 170 К, і серед відомих тоді газів не вдавалося зрідити лише кисень, азот, метан, водень, монооксид вуглецю і оксид азоту(I). Ці гази отримали назву перманентних, бо вважалося що їх неможливо зконденсувати. Вперше отримати рідкий кисень зміг Луї-Поль Кайєте у 1877 році.
У 1822 році відкрив існування критичної точки, температури, вище якої газ не зріджується за будь-якого тиску. У 1860 цей феномен був перевідкритий Менделєєвим.
Наявність сил притягання між частинками рідини була прийнята ще на початку 19 століття, оскільки вона добре пояснювала поверхневий натяг і капілярні ефекти, але вважалося, що такі сили діють лише на дуже маленькій відстані і не мають значення для газів. Лише у 1873 році Ван дер Ваальс вивів назване на його честь рівняння, яке враховувало сили притягання між частинками газу, а також їх ненульовий розмір, і показав що явище конденсації випливає з цього рівняння.
Умови конденсації Гетерогенна конденсація
Розрізняють два основних типи конденсації: гомогенна і гетерогенна конденсація. Гетерогенною називають конденсацію, при якій молекули газу падають на якусь поверхню твердого тіла або рідини і притягуються до неї. Якщо цей процес відбувається швидше ніж випаровування з поверхні, то рідина накопичується на поверхні. Для будь-якої температури нижче критичної існує значення тиску при якому газ знаходиться в рівновазі з рідиною (або твердою речовиною) — тобто, кількість молекул, які випаровуються з поверхні рідини і поглинаються нею, однакова. Це значення називається тиск насиченої пари. Відношення тиску пари до тиску насиченої пари називають пересиченням пари (S). Якщо пересичення пари менше одиниці, більше молекул рідини випаровується ніж молекул газу осідає на рідині, і конденсації не відбувається, якщо ж пересичення більше одиниці, то газ буде конденсуватися на поверхні.
При вищих температурах швидкість випаровування рідини з поверхні зростає, тому зростає і тиск, необхідний для початку конденсації. Міжфазна границя на фазовій діаграмі показує тиск, за якого відбувається конденсація за даної температури. Рівняння Клаузіуса — Клайперона пов'язує ці величини: , де — питома теплота випаровування а — зміна об'єму 1 моля речовини при конденсації.
У припущенні, що питома теплота не залежить від температури, об'єм рідини значно менший за об'єм газу, а газ близький до ідеального, це рівняння можна перетворити на: .
Якщо ж врахувати залежність питомої теплоти від температури, залежність стає складнішою: ,
де — різниця між теплоємністю при постійному тиску газу і рідини.
В залежності від того, чи змочується матеріал стінки рідиною чи ні, розрізняють плівкову (якщо рідина змочує поверхню) і краплинну (якщо не змочує) конденсації. Плівка рідини в першому випадку створює додатковий термічний опір, тому коефіцієнт теплопередачі є значно вищим при краплинній конденсації, а відповідно вищою є швидкість конденсації (тепло що виділяється при конденсації ефективно відводиться).
У випадку водяної пари в атмосфері і пересичення менше одиниці, замість нього зазвичай використовують показник відносної вологості, який визначається так само: відношення парціального тиску пари до тиску насиченої пари при даній температурі. Таким чином, можна сказати що конденсація на пласку поверхню відбувається при досягненні відносної вологості в 100 %.
Ядра конденсації Практично вся конденсація, яку спостерігається в природі, є гетерогенною, бо навіть коли крапельки нібито виникають в об'ємі газу, як при утворенні хмар, насправді вони утворюються навколо дрібних частинок пилу, солі і тому подібних частинок які завжди присутні в атмосфері. Такі частинки називаються ядрами конденсації. Щоб стати центрами конденсації, частинки мають бути достатньо великими. Для малих частинок ефективне пересичення пари є меншим, оскільки згідно тиск насиченої пари над поверхнею сферичної краплини швидко зростає при зменшенні радіуса краплини нижче деякого ліміту. З тих же причин над увігнутим меніском у капілярах (при відʼємній кривині поверхні рідини) пересичення пари є більшим ніж над пласкою поверхнею, тобто конденсація відбувається за меншого тиску. Це явище називається капілярна конденсація. Також на пересичення, необхідне для початку конденсації, впливає матеріал ядер конденсації (або поверхні на якій відбувається конденсація), а саме його взаємодія з речовиною газу — вона визначає наскільки ймовірним є «прилипання» молекули газу до поверхні. Також, мають вплив форма і шорсткість поверхні.
Заряд, навіть елементарний, сильно впливає на утворення ядер, тому частинки що містять іони, зазвичай першими стають ядрами конденсації. Якщо частинка є кристаликом солі, то утворена краплина стає концентрованим розчином солі, що через осмотичний тиск збільшує ефективне пересичення (тобто мінімальний розмір ядер конденсації зменшується) — але з ростом краплини і зменшенням концентрації розчину ефект зменшується. Вплив заряду теж сильно впливає на дрібні краплі але мало впливає на більші. Наявність заряду чи осмотичного тиску може опустити рівноважний рівень пересичення нижче одиниці для найдрібніших краплин або дуже концентрованих розчинів.
В природі вплив всіх цих факторів є доволі слабким, і умови при яких відбувається конденсація з високою точністю визначаються температурою і тиском, оскільки в повітрі є достатня кількість різноманітних ядер конденсації для того щоб на деяких з них вона починалася одразу після досягнення парою стану насичення (наприклад, конденсація в хмарах відбувається при пересиченні менше 1,01).
Гомогенна конденсація