Испаряемость воды. Испарение
В природе вещества могут быть в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из первого во второе и наоборот можно наблюдать ежедневно, особенно зимой. Однако превращение жидкости в пар, которое известно как процесс испарения, часто не видно глазу. При кажущейся незначительности оно играет важную роль в жизни человека. Итак, давайте узнаем об этом подробнее.
Испарение - это что такое
Каждый раз, решив вскипятить чайник для чая или кофе, можно наблюдать, как, достигнув 100 °С, вода превращается в пар. Именно это и является практическим примером процесса парообразования (перехода определенного вещества в газообразное состояние).
Парообразование бывает двух видов: кипение и испарение. На первый взгляд они идентичны, но это распространенное заблуждение.
Испарение - это парообразование с поверхности вещества, а кипение - со всего его объема.
Испарение и кипение: в чем разница
Хотя и процесс испарения, и кипение, оба способствуют переходу жидкости в газообразное состояние, стоит помнить о двух важных отличиях между ними.
- Кипение - это активный процесс, который происходит при определенной температуре. Для каждого вещества она уникальна и может меняться только при понижении атмосферного давления. При нормальных условиях для кипения воды нужно 100 °С, для рафинированного подсолнечного масла - 227 °С, для нерафинированного - 107 °С. Спирту, чтобы закипеть, наоборот, нужна более низкая температура - 78 °С. Температура же испарения может быть любой и оно, в отличие от кипения, происходит постоянно.
- Вторым существенным отличием между процессами является то, что при кипении парообразование происходит по всей толще жидкости. Тогда как испарение воды или других веществ происходит только с их поверхности. Кстати, процесс кипения всегда одновременно сопровождается и испарением.
Процесс сублимации
Считается, что испарение - это переход из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Однако в редких случаях, минуя жидкое, возможно испарение прямо из твердого состояния в газообразное. Такой процесс называется сублимацией.
Это слово знакомо всем, кто хоть раз заказывал кружку или футболку с любимой фотографией в фотосалоне. Для перманентного нанесения изображения на ткань или керамику как раз и используется этот вид испарения, в честь него печать такого рода называется сублимационной.
Также такое испарение часто используется для промышленной сушки фруктов и овощей, изготовления кофе.
Хотя сублимация встречается намного реже, нежели испарение жидкости, иногда ее можно наблюдать в быту. Так, вывешенное сушиться зимой постиранное влажное белье - мгновенно замерзает и становится твердым. Однако постепенно эта жесткость уходит, и вещи становятся сухими. В данном случае вода из состояния льда, минуя жидкую фазу, переходит сразу в пар.
Как происходит испарение
Как и большинство физических и химических процессов, главную роль в процессе испарения играют молекулы.
В жидкостях они расположены очень близко друг к другу, но при этом они не имеют фиксированного места расположения. Благодаря этому они могут «путешествовать» по всей площади жидкости, причем с разными скоростями. Это достигается благодаря тому, что во время движения они сталкиваются между собой и от этих столкновений их скорость меняется. Став достаточно быстрыми, самые активные молекулы получают возможность подняться на поверхность вещества и, преодолев силу притяжения других молекул, покинуть жидкость. Так происходит испарение воды или другого вещества и образуется пар. Не правда ли, немного напоминает полет ракеты в космос?
Хотя из жидкости в пар переходят самые активные молекулы, однако оставшиеся их «собратья» продолжают пребывать в постоянном движении. Постепенно и они приобретают необходимую скорость, чтобы преодолеть притяжение и перейти в другое агрегатное состояние.
Постепенно и постоянно покидая жидкость, молекулы задействуют для этого ее внутреннюю энергию и она уменьшается. А это напрямую влияет на температуру вещества - она понижается. Именно поэтому количество остывающего чая в чашке немного уменьшается.
Условия испарения
Наблюдая за лужами после дождя, можно заметить, что некоторые из них высыхают быстрее, а некоторые дольше. Поскольку их высыхание является процессом испарения, то можно на данном примере разобраться с условиями, необходимыми для этого.
- Скорость испарения зависит от типа испаряемого вещества, ведь каждое из них имеет уникальные особенности, влияющие на время, за которое его молекулы полностью перейдут в газообразное состояние. Если оставить открытыми 2 идентичных флакона, наполненных одинаковым количеством жидкости (в одном спирт С2Н5ОН, в другом - вода Н2О), то первая емкость опустеет быстрее. Поскольку, как уже было сказано выше, температура испарения у спирта ниже, а значит, он быстрее испарится.
- Второе, от чего зависит испарение, - температура окружающей среды и температура кипения испаряемого вещества. Чем выше первая и ниже вторая, тем быстрее жидкость сможет ее достигнуть и перейти в газообразное состояние. Именно поэтому при проведении некоторых химических реакций с участием испарения вещества специально нагреваются.
- Еще одним условием, от чего зависит испарение, является площадь поверхности вещества, с которого оно происходит. Чем она больше, тем быстрее происходит процесс. Рассматривая различные примеры испарения, можно снова вспомнить о чае. Его часто переливают в блюдце, чтобы охладить. Там напиток быстрее остывал, потому что увеличивалась площадь поверхности жидкости (диаметр блюдца больше диаметра чашки).
- И снова о чае. Известен еще одни способ быстрее его остудить - подуть на него. Каким образом можно заметить, что наличие ветра (движения воздуха) - это то, от чего также зависит испарение. Чем выше скорость ветра, тем быстрее молекулы жидкости перейдут в пар.
- Также влияет на интенсивность испарения атмосферное давление: чем оно ниже, тем быстрее молекулы переходят из одного состояния в другое.
Конденсация и десублимация
Превратившись в пар, молекулы не перестают двигаться. В новом агрегатном состоянии они начинают сталкиваться с молекулами воздуха. Из-за этого иногда они могут возвращаться в жидкое (конденсация) или твердое (десублимация) состояние.
Когда процессы испарения и конденсации (десублимации) равносильны между собой, это называют динамическим равновесием. Если газообразное вещество находится в динамическом равновесии со своей жидкостью аналогичного состава, его называют насыщенным паром.
Испарение и человек
Рассматривая различные примеры испарения, нельзя не вспомнить влияние этого процесса на организм человека.
Как известно, при температуре тела 42,2 °С белок в крови человека сворачивается, что ведет к смерти. Нагреваться человеческое тело может не только из-за инфекции, но и при выполнении физического труда, занятий спортом или во время пребывания в жарком помещении.
Организму удается сохранить приемлемую для нормальной жизнедеятельности температуру, благодаря системе самоохлаждения - потоотделению. Если температура тела повышается, через поры кожи выделяется пот, а потом происходит его испарение. Этот процесс помогает «сжечь» лишнюю энергию и способствует охлаждению организма и нормализации его температуры.
Кстати, именно поэтому не стоит безоговорочно верить рекламам, которые преподносят пот как главное бедствие современного общества и пытаются продать наивным покупателям всевозможные вещества для избавления от него. Заставить организм меньше потеть, не нарушая его нормальной работы, нельзя, а хороший дезодорант способен лишь маскировать неприятный запах пота. Поэтому, используя антиперспиранты, различные присыпки и пудры, можно нанести организму непоправимый вред. Ведь эти вещества забивают поры или сужают выводные протоки потовых желез, а значит, лишают тело возможности контролировать свою температуру. В случаях, если использование антиперспирантов все же необходимо, предварительно стоит проконсультироваться с врачом.
Роль испарения в жизни растений
Как известно, не только человек на 70% состоит из воды, но и растения, а некоторые, вроде редиса, и на все 90%. Поэтому испарение также важно и для них.
Вода является одним из главных источников попадания полезных (и вредных тоже) веществ в организм растения. Однако, чтобы эти вещества могли усвоиться, необходим солнечный свет. Вот только в жаркие дни солнце способно не просто нагреть растение, но и перегреть, тем самым погубив его.
Чтобы этого не произошло, представители флоры способны самоохлаждаться (похоже на человеческий процесс потоотделения). Иными словами при перегреве растения испаряют воду и таким образом охлаждаются. Поэтому поливу садов и огородов уделяется летом так много внимания.
Как используют испарение в промышленности и в быту
Для химической и пищевой промышленности испарение - это незаменимый процесс. Как уже было сказано выше, оно не только помогает производить дегидратацию многих продуктов (испарять влагу из них), что увеличивает срок их хранения; но также помогает изготавливать идеальные диетические продукты (меньше веса и калорий, при большем содержании полезных веществ).
Также испарение (в особенности сублимация) используется для очистки различных веществ.
Еще одной сферой применения является кондиционирование воздуха.
Не стоит забывать и о медицине. Ведь процесс ингаляции (вдыхание пара, насыщенного лечебными препаратами) основан тоже на процессе испарения.
Опасные испарения
Однако, как и у всякого процесса, у этого есть и негативные стороны. Ведь превращаться в пар и вдыхаться людьми и животными могут не только полезные вещества, но и смертельно опасные. А самое печальное в том, что они - невидимы, а значит, человек не всегда знает, что подвергся воздействию токсина. Именно поэтому стоит избегать пребывания без защитных масок и костюмов, на заводах и предприятиях, работающих с опасными веществами.
К сожалению, вредные испарения могут подстерегать и дома. Ведь если мебель, обои, линолеум или другие предметы изготовлены из дешевых материалов с нарушениями технологии, они способны выделять токсины в воздух, которые и будут постепенно «травить» своих хозяев. Поэтому при покупке любой вещи, стоит просматривать сертификат качества материалов, из которых она изготовлена.
Волнуют ученых очень давно. Первые исследования проводились еще в Древности, когда даже знаний было еще немного. Но уже тогда люди хотели знать все секреты, которые таит в себе вода. Разумеется, наибольшее количество исследований и полезных для жизни открытий было сделано за последние 200 лет. Несмотря на бурное развитие физики с семнадцатого века, водой мало кто занимался и единственное, что было сделано в те годы – очистка воды.
И даже тот факт, что горячая пища существовала тысячи лет, не волновал ученых. Ее воздействие на организм не сразу заинтересовало физиков. И все же первые шаги были сделаны в XVI веке. Изучали в то время, прежде всего, воздействие влаги и пара на человека. Ведь он был единственным в своем роде объектом, который можно было подвергать изучению. Прежде всего, сравнивали температуры, сравнивали особенности воздействия и сошлись на том, что может оказывать как благотворное, так и негативное влияние. Достаточно слишком сильно нагреть пар, слишком долго поддерживать испарение – иными словами, все, что было бы «слишком» для кожи человека, приносило вред.
Пар для личных нужд
Поэтому в поиске новых открытий старались уточнить допустимые параметры пара. Более точные исследования стартовали намного позже, когда пар стал применяться в промышленности, когда развитие паровых машин преобразило мир. Стало необходимо точно рассчитать ту силу, которую пар несет в себе, которой может передвигать поршни и вращать колеса. Классическая физика Ньютона в тот момент перестала быть полезной – она была создана для твердых тел, а влага не представляла собой такое. Даже если на поверхности тела находится немного жидкости, то уже в этом случае невозможно было бы рассчитать потенциальные взаимодействия тел.
Из-за испарения воды также происходили изменения во взаимодействиях тел. Охлаждение, деформация – все это было следствием выброса молекул жидкости из основного объема влаги. Интересно, насколько же сильно могло быть воздействие? Давайте представим обычный чайник. В него налито три литра воды. Чтобы полностью превратить три литра воды в пар на газовой плите, требуется не меньше полутора часов времени (здесь все зависит от формы чайника и мощности плиты). В трех литрах воды содержится 10 26 молекул. Воздействие молекул, которые отрываются от жидкости, на саму жидкость, то это лишь тысячные доли. Именно по этой причине никто не может заметить воздействия. Кроме того, с идеально ровной поверхности любая молекула может оторваться под углом от 0 до 180 градусов, что в среднем (по теории вероятности) дает обратную силу, направленную строго вниз.
Смотреть видео фильм «Что происходит при испарении воды с открытых поверхностей»
МКТ и немного жидкости
Конечно, все это несколько сложно для восприятия, ведь молекулярно-кинетическая теория была разработана уже в 19-м веке, когда физика дошла до составных частей элементарных веществ. Но все же, без этого никак нельзя понять, почему величина расстояния между молекулами, которые испаряются с поверхности воды, увеличивается. Причем увеличивается оно сразу же по нескольким причинам.
Первая причина очень простая и понятная всем и каждому: при переходе из одного агрегатного состояния в другое, молекулы раздвигаются вширь, промежутки между ними увеличиваются, а взаимодействие уменьшается. Вторая причина также не сложная: при нагревании молекулы двигаются быстрее, а потому они обретают большую энергию и получают за ее счет возможность оторваться от воздействия других молекул, расположенных поблизости. Если подумать, то ведь и переход в иное агрегатное состояние также возможен лишь или иного вещества. Поэтому все сводится лишь к увеличению кинетической энергии.
При испарении воды с поверхности тела расстояние между ее молекулами увеличивается… всегда ли?
Давайте посмотрим, в чем это выражается. Вспомним простые задачки про мяч: накачали в теплом помещении, вынесли на холод – и он стал мягким. Дело в том, что молекулы постоянно находятся в движении. Нельзя обнаружить такого состояния (кроме абсолютного нуля, который к тому же недостижим), при котором молекулы не находились бы в движении. Поэтому среди состояний +100 и -50 есть разница лишь в скорости, с которой двигаются молекулы. Может показаться, что разница несущественна, но на самом деле при серьезном изменении температуры скорость движения вырастает во много раз.
Разрушения, вызванные паровым котлом
Вспоминая зависимость давления газа на стенки сосуда от температуры, получаем, что при ее повышении на 100 градусов, давление увеличивается в десятки раз. Следовательно, во столько же раз увеличивается и скорость. Рассматривая с нормальным, большим и превышенным давлением, можно вспомнить взрыв котла, который наполнен излишне горячим паром, полуспущенные шины у автомобилей на морозе, а также множество других примеров. И если сама по себе оказывает некоторое влияние, то ее пар обычно куда сильнее давит на стенки сосуда.
Поскольку на поверхности тела и на поверхности воды влага есть почти всегда (даже при минимальной влажности и низкой температуре), то давление наблюдается при любых земных условиях. Они очень разнообразны: Антарктида и Африка кажутся очень далекими друг от друга частями Земли, но на самом деле одинаковая влажность может наблюдаться в обеих точках.
Что касается влияния влажности и пара на тела, то здесь нужно учитывать десятки факторов: скорость движения, влажность воздуха, температуру внешней среды, вид среды, а также несколько прочих. От них зависит, к примеру, траектория полета пули, степень деформации тела и многое-многое другое.
Молекулярная связь
Но даже когда между молекулами расстояние велико, существует сила связи. Из-за ее воздействия кинетическая энергия может вырастать или уменьшаться. Согласно закону всемирного тяготения, две молекулы притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратнопропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, сила уменьшается с увеличением расстояния, но полностью никогда не пропадает. Поэтому даже сильно разогретый пар никогда не распадается на отдельные молекулы, насколько высокой ни была бы температура.
Путь до частицы можно уменьшить, но здесь уже работает другая теория, теория идеального газа. Рассматривая ее приближенно, можно понять, что повышение температуры не всегда ведет к изменению плотности газа. Существует три основных параметра: температура, объем и давление. Чем выше температура, тем выше давление при неизменном объеме. Если давление увеличить, то при неизменном объеме температура вырастет – а вот изменения расстояния не будет. Удивительного ничего нет, потому что только что были рассмотрены классические изобарные процессы.
Физика и чайник
При работе с водой физика будет встречаться постоянно. Избавиться от ее законов нельзя ни при каком раскладе. Когда изучается движение волны или полет молекулы с поверхности какого-либо объекта, когда рассматривается движение жидкости в сосуде, везде используется МКТ – молекулярно-кинетическая теория. И если в школе физика была скучной, то даже для изучения обыденных вещей стоит применять некоторые интересные теории. Кстати, поведение жидкости в сосуде очень подробно можно рассмотреть и на примере чайника. Когда происходит испарение или нагрев жидкости, отдельные области перемещаются. Некоторые молекулы во время испарения вырываются наружу, некоторые возвращаются обратно. Если происходит стопроцентное возвращение, система называется насыщенной. При нулевой влажности количество вернувшихся молекул стремится к нулю.
Вот так, когда происходит любой физический процесс, можно использовать математические и физические законы, чтобы точно рассчитать все до сотых. Но если хочется просто знать закономерности, которым подчиняется вода, то достаточно всего лишь прочитать наши статьи, раскрывающие не только природу жидкости, но и тайны, которые она хранит.
Испарение жидкости происходит при любой температуре и тем быстрее, чем выше температура, больше площадь свободной поверхности испаряющейся жидкости и быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары.
При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.
Это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. В объеме образуются пузыри, заполненные насыщенным паром. Они поднимаются вверх под действием выталкивающей силы и разрываются на поверхности. Центрами их образования являются мельчайшие пузырьки посторонних газов или частиц различных примесей.
Если пузырек имеет размеры порядка нескольких миллиметров и более, то вторым слагаемым можно пренебречь и, следовательно, для больших пузырьков при неизменном внешнем давлении жидкость закипает, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным внешнему давлению.
В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.
Испарение и кипение
Испарение и кипение – это два способа перехода жидкости в газ (пар). Сам процесс такого перехода называется парообразованием. То есть испарение и кипение – это способы парообразования. Между этими двумя способами есть существенные отличия.
Испарение происходит только с поверхности жидкости. Оно является результатом того, что молекулы любой жидкости постоянно перемещаются. Причем скорость у молекул разная. Молекулы с достаточно большой скоростью, оказавшись на поверхности, могут преодолеть силу притяжения других молекул и оказаться в воздухе. Молекулы воды, находящиеся по отдельности в воздухе, как раз и образуют пар. Увидеть глазами пар невозможно. То, что мы видим, как водяной туман, это уже результат конденсации (обратный парообразованию процесс), когда при охлаждении пар собирается в виде мельчайших капелек.
В результате испарения сама жидкость охлаждается, так как ее покидают наиболее быстрые молекулы. Как известно, температура как раз определяется скоростью движения молекул вещества, то есть их кинетической энергией.
Скорость испарения зависит от многих причин. Во-первых, она зависит от температуры жидкости. Чем температура выше, тем испарение быстрее. Это и понятно, так как молекулы двигаются быстрее, а значит, им легче вырваться с поверхности. Скорость испарения зависит от вещества. У одних веществ молекулы притягиваются сильнее, и следовательно, труднее вылетают, а у других – слабее, и следовательно, легче покидают жидкость. Испарение также зависит от площади поверхности, насыщенности воздуха паром, ветра.
Самое главное, что отличает испарение от кипения, это то, что испарение протекает при любой температуре, и оно протекает только с поверхности жидкости.
В отличие от испарения, кипение протекает только при определенной температуре. Для каждого вещества, находящегося в жидком состоянии, характерна своя температура кипения. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C, а спирт при 78 °C. Однако с понижением атмосферного давления температура кипения всех веществ немного понижается.
При кипении из воды выделяется растворенный в ней воздух. Поскольку сосуд обычно нагревают снизу, то в нижних слоях воды температура оказывается выше, и пузыри сначала образуются именно там. В эти пузыри испаряется вода, и они насыщаются водяным паром.
Так как пузыри легче самой воды, то они поднимаются вверх. Из-за того, что верхние слои воды не прогрелись до температуры кипения, пузыри остывают и пар в них обратно конденсируется в воду, пузыри становятся тяжелее и снова опускаются.
Когда все слои жидкости прогреваются до температуры кипения, то пузыри уже не опускаются, а поднимаются на поверхность и лопаются. Пар из них оказывается в воздухе. Таким образом, при кипении процесс парообразования происходит не на поверхности жидкости, а по всей ее толще в образующихся пузырьках воздуха. В отличие от испарения, кипение возможно лишь при определенной температуре.
Следует понимать, что когда жидкость кипит, то происходит и обычное испарение с ее поверхности.
От чего зависит скорость испарения жидкости?
Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Английский физик и химик Д. Дальтон в начале XIX в. нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который над жидкостью имеется. Если жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точнее, оно происходит, но с той же скоростью происходит и обратный процесс – конденсация (переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое). Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха или откачивается насосом.
Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления посторонних газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний, инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение.
Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, т. е. переход твердого вещества в газообразное состояние. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.
Итак, скорость испарения зависит от:
- Рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой. Ведь в этом случае преодолеть притяжение и вылететь из жидкости может большее число молекул.
- Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней число быстро движущихся молекул, способных преодолеть силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости.
- Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности. Эта причина объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетает с неё в воздух.
- Испарение жидкости происходит быстрее при ветре. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова в неё возвращается. Поэтому масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.
Выводы
Мы говорим, что вода испаряется. Но что это значит? Испарение – это процесс, при котором жидкость на воздухе быстро становится газом или паром. Многие жидкости испаряются очень быстро, гораздо быстрее, чем вода. Это относится к алкоголю, бензину, нашатырному спирту. Некоторые жидкости, например ртуть, испаряются очень медленно.
Из-за чего происходит испарение? Чтобы понять это, надо кое-что представлять о природе материи. Насколько мы знаем, каждое вещество состоит из молекул. Две силы оказывают воздействие на эти молекулы. Одна из них – сцепление, которое притягивает их друг к другу. Другая – это тепловое движение отдельных молекул, которое заставляет их разлетаться.
Если сила сцепления выше, вещество остается в твердом состоянии. Если же тепловое движение настолько сильно, что оно превосходит сцепление, то вещество становится или является газом. Если две силы примерло уравновешены, то тогда мы имеем жидкость.
Вода, конечно, является жидкостью. Но на поверхности жидкости есть молекулы, которые движутся настолько быстро, что преодолевают силу сцепления и улетают в пространство. Процесс вылета молекул и называется испарением.
Почему вода испаряется быстрее, когда она находится на солнце или нагревается? Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение в жидкости. Это значит, что все большее количество молекул набирает достаточную скорость, чтобы улететь. Когда улетают самые быстрые молекулы, скорость оставшихся молекул в среднем замедляется. Почему остающаяся жидкость охлаждается за счет испарения.
Так что, когда вода высыхает, это означает, что она превратилась в газ или пар и стала частью воздуха.
Испарение
Испарение над кружкой чая
Испаре́ние - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.
Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.
Испаре́ние - это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом E k > E п.
Общая характеристика
Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости - кипением. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.
Испарение - эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с.м 2) или кг/(с.м 2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.
Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул : чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии , а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.
Молекулярный уровень
Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения.
Термодинамическое равновесие
Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.
Баро-, термодиффузии
Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости.
При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота Испарение может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при испарении от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основной массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг. При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объёмом или омывающим её поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж - Qи, где Qи -теплота испарения, Qжг - количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемое испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на Испарение (Qж = Qи).
В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами.
Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена.
Скорость испарения
Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: , где D - коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; - газовая постоянная пара, [Дж/(кг К)] или [м 2 /(с 2 K)]; T - температура смеси, [К]; р - давление парогазовой смеси, [Па]; - парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па].
В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях - приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз.
Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр - рп, осн) = bpр(уп, гр - уп, осн) или jп = bc(cп, гр - сп, осн), где bp, bc - коэффициент массоотдачи, p - давление смеси, рп - парциальное давление пара, yп = pп/p - молярная концентрация паров, cп = rп/r - массовая концентрация паров, rп, r - локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» - у границы раздела фаз, «осн» - в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2 с)]: q = aж(tж - tгр) = rjп + aг (tгр - tг), где aж, aг - коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 К)]; r - теплота Испарение, [Дж/кг].
При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр ~ tж, то при расчете испарения могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = aг l/lг - число Нуссельта, l - характерный размер поверхности испарения, lг - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpyг, грl/Dp = bccг, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и bс вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп: 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг, гр) или массовую (сг, гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b.
Уравнения
Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя.
При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость.
Конструкции аппаратов
Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата.
Применение
Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.
См. также
Литература
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
- Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957;
- Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958;
- Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974;
- Берман Л. Д., «Теоретические основы хим. технологии», 1974, т.8, № 6, с. 811-22;
- Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Испарение" в других словарях:
Переход в ва из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией. Зависимость давления… … Физическая энциклопедия
Парообразование, происходящее на свободной поверхности жидкости. Испарение с поверхности твердого тела называется сублимацией … Большой Энциклопедический словарь
В жидком состоянии вещество может существовать в определённом интервале температур. При температуре, меньшей нижнего значения этого интервала, жидкость превращается в твёрдое вещество. А если значение температуры превысит верхнюю границу интервала, жидкость переходит в газообразное состояние.
Всё это мы можем наблюдать на примере воды. В жидком состоянии мы видим её в реках, озёрах, морях, океанах, водопроводном кране. Твёрдое состояние воды - лёд. В него она превращается, когда при нормальном атмосферном давлении её температура снижается до 0 о С. А при повышении температуры до 100 о С вода закипает и превращается в пар, который является её газообразным состоянием.
Процесс превращения вещества в пар называют парообразованием. Обратный процесс перехода из пара в жидкость - конденсация .
Парообразование происходит в двух случаях: при испарении и при кипении.
Испарение
Испарением называют фазовый процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное или парообразное, происходящий на поверхности жидкости .
Как и при плавлении, при испарении веществом поглощается теплота. Она затрачивается на преодоление сил сцепления частиц (молекул или атомов) жидкости. Кинетическая энергия молекул, обладающих самой высокой скоростью, превышает их потенциальную энергию взаимодействия с другими молекулами жидкости. Благодаря этому они преодолевают притяжение соседних частиц и вылетают с поверхности жидкости. Средняя энергия оставшихся частиц становится меньше, и жидкость постепенно остывает, если её не подогревать извне.
Так как частицы находятся в движении при любой температуре, то и испарение также происходит при любой температуре . Мы знаем, что лужи после дождя высыхают даже в холодную погоду.
Но скорость испарения зависит от многих факторов. Один из важнейших - температура вещества . Чем она выше, тем больше скорость движения частиц и их энергия, и тем большее их количество покидает жидкость в единицу времени.
Наполним одинаковым количеством воды 2 стакана. Один поставим на солнцепёк, а другой оставим в тени. Через некоторое время увидим, что воды в первом стакане стало меньше, чем во втором. Её нагрели солнечные лучи, и она испарилась быстрее. Лужи после дождя летом также высыхают гораздо быстрее, чем весной или осенью. В сильную жару происходит быстрое испарение воды с поверхностей водоёмов. Высыхают пруды, озёра, пересыхают русла неглубоких рек. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость испарения.
При одинаковом объёме жидкость, находящаяся в широкой тарелке, испарится гораздо быстрее жидкости, налитой в стакан. Это означает, что скорость испарения зависит от площади поверхности испарения . Чем больше эта площадь, тем большее количество молекул вылетает из жидкости в единицу времени.
При одинаковых внешних условиях скорость испарения зависит от рода вещества . Заполним стеклянные колбы одинаковым объёмом воды и спирта. Через некоторое время увидим, что спирта осталось меньше, чем воды. Он испаряется с большей скоростью. Так происходит, потому что молекулы спирта слабее взаимодействуют друг с другом, чем молекулы воды.
Влияет на скорость испарения и наличие ветра . Мы знаем, что вещи после стирки гораздо быстрее высыхают, когда их обдувает ветер. Струя горячего воздуха в фене способна быстро высушить наши волосы.
Ветер уносит молекулы, вылетевшие из жидкости, и обратно они уже не возвращаются. Их место занимают новые молекулы, покидающие жидкость. Поэтому в самой жидкости их становится меньше. Следовательно, она испаряется быстрее.
Сублимация
Испарение происходит и в твёрдых телах. Мы видим, как постепенно высыхает на морозе замёрзшее, покрытое льдом бельё. Лёд превращается в пар. Мы ощущаем резкий запах, образующийся при испарении твёрдого вещества нафталина.
Некоторые вещества вообще не имеют жидкой фазы. К примеру, элементарный иод I 2 - простое вещество, представляющее собой кристаллы чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, при нормальных условиях сразу же превращается в газообразный иод - фиолетовые пары с резким запахом. Тот жидкий йод, который мы покупаем в аптеках, - это не жидкое его состояние, а раствор йода в спирте.
Процесс перехода твёрдых тел в газообразное состояние, минуя жидкую стадию, называют сублимацией, или возгонкой .
Кипение
Кипение - это тоже процесс перехода жидкости в пар. Но парообразование при кипении происходит не только на поверхности жидкости, но и по всему её объёму. Причём процесс этот проходит гораздо интенсивнее, чем при испарении.
Поставим на огонь чайник с водой. Так как в воде всегда есть растворённый в ней воздух, то при нагревании на дне чайника и на его стенках появляются пузырьки. Эти пузырьки содержат воздух и насыщенный водяной пар. Сначала они появляются на стенках чайника. Количество пара в них увеличивается, увеличиваются в размерах и они сами. Затем под воздействием выталкивающей силы Архимеда они будут отрываться от стенок, подниматься вверх и лопаться на поверхности воды. Когда температура воды достигнет 100 о С, пузырьки будут образовываться уже по всему объёму воды.
Испарение происходит при любой температуре, а кипение - только при определённой температуре, которая называется температурой кипения .
Каждое вещество имеет свою температуру кипения. Она зависит от величины давления.
При нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре 100 о С, спирт - при 78 о С, железо - при 2750 о С. А температура кипения кислорода - минус 183 о С.
При уменьшении давления температура кипения снижается. В горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре менее 100 о С. И чем выше над уровнем моря, тем меньшей будет температура кипения. А в кастрюле-скороварке, где создаётся повышенное давление, вода закипает при температуре выше 100 о С.
Насыщенный и ненасыщенный пар
Если вещество может одновременно существовать в жидкой (или твёрдой) фазе и газообразной, то его газообразное состояние называют паром . Пар образуют молекулы, вылетевшие при испарении из жидкости или твёрдого вещества.
Нальём жидкость в сосуд и плотно закроем его крышкой. Через некоторое время количество жидкости уменьшится из-за её испарения. Молекулы, покидающие жидкость, будут концентрироваться над её поверхностью в виде пара. Но когда плотность пара станет довольно высокой, некоторые из них начнут снова возвращаться в жидкость. И таких молекул будет всё больше и больше. Наконец, настанет такой момент, когда число молекул, вылетающих из жидкости, и число молекул, возвращающихся в неё, сравняется. В этом случае говорят, что жидкость находится в динамическом равновесии со своим паром . А такой пар называется насыщенным .
Если при парообразовании из жидкости вылетает больше молекул, чем возвращается, то такой пар будет ненасыщенным . Ненасыщенный пар образуется, когда испаряющаяся жидкость находится в открытом сосуде. Покидающие её молекулы рассеиваются в пространстве. Возвращаются в жидкость далеко не все из них.
Конденсация пара
Обратный переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. При конденсации часть молекул пара возвращается в жидкость.
Пар начинает превращаться в жидкость (конденсироваться) при определённом сочетании температуры и давления. Такое сочетание называется критической точкой . Максимальная температура, ниже которой начинается конденсация, называется критической температурой. При температуре выше критической газ никогда не превратится в жидкость.
В критической точке граница раздела фазовых состояний жидкость-пар размывается. Исчезает поверхностное натяжение жидкости, выравниваются плотности жидкости и её насыщенного пара.
При динамическом равновесии, когда число молекул, покидающих жидкость и возвращающихся в неё равно, процессы испарения и конденсации уравновешены.
При испарении воды её молекулы образуют водяной пар , который смешивается с воздухом или другим газом. Температура, при которой такой пар в воздухе становится насыщенным, начинает конденсироваться при охлаждении и превращается в капельки воды, называется точкой росы .
Когда в воздухе находится большое количество водяного пара, говорят, что его влажность повышена.
В природе испарение и конденсацию мы наблюдаем очень часто. Утренний туман, облака, дождь - всё это результат этих явлений. С земной поверхности при нагревании испаряется влага. Молекулы образовавшегося пара поднимаются вверх. Встречая на своём пути прохладные листики или травинки, пар конденсируется на них в виде капелек росы. Чуть выше, в приземных слоях, он становится туманом. А высоко в атмосфере при низкой температуре остывший пар превращается в облака, состоящие из капелек воды или кристалликов льда. Впоследствии из этих облаков на землю прольётся дождь или выпадет град.
Но капельки воды при конденсации образуются лишь в том случае, когда в воздухе находятся мельчайшие твёрдые или жидкие частицы, которые называют ядрами конденсации . Ими могут быть продукты горения, распыления, частицы пыли, морской соли над океаном, частицы, образовавшиеся в результате химических реакций в атмосфере и др.
Десублимация
Иногда вещество может перейти из газообразного состояния сразу в твёрдое, минуя жидкую стадию. Такой процесс называется десублимацией .
Ледяные узоры, которые появляются на стёклах в мороз, и есть пример десублимации. При заморозках почва покрывается инеем - тонкими кристалликами льда, в которые превратились водяные пары из воздуха.