Что происходит при испарении воды, опыты и теория
Вопросы испарения воды 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 пар 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 1026 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 при нагреве воды 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.
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 вода 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 водяного пара 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.
Вконтакте
Google+
Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (00 – 1000С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 1000С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 300С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
Плотность насыщенного водяного пара при 300С равна 30,4 г/м3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м3 = 15,2 г/м3. Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 180С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 180С, то выпадет роса.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 250С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 60С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Испарение: образование, интересные факты (фото)
Солнечная энергия приводит в действие невероятно сильную тепловую машину, которая, преодолевая гравитацию, без труда поднимает в воздух огромных размеров куб (каждая сторона составляет около восьмидесяти километров). Таким образом, с поверхности нашей планеты за год испаряется водяной слой метр толщиной.
Что такое испарение
Во время испарения жидкое вещество постепенно переходит в паро- или газообразное состояние после того, как мельчайшие частицы (молекулы или атомы), двигаясь на скорости, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцепления между частицами, отрываются от поверхности.
Несмотря на то, что процесс испарения известен больше как переход жидкого вещества в пар, существует сухое испарение, когда при минусовой температуре лёд переходит из твёрдого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Например, если выстиранное сырое бельё развесить сушиться на морозе, оно, замерзнув, становится очень жёстким, но через какое-то время, размягчившись, становится сухим.
Как улетучивается жидкость
Молекулы жидкости расположены друг к другу практически впритык, и, несмотря на то, что связаны между собой силами притяжения, к определённым точкам не привязаны, а потому свободно перемещаются по всей площади вещества (они постоянно сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость).
Частицы, что уходят на поверхность, набирают во время движения темп, достаточный для того, чтобы покинуть вещество. Оказавшись наверху, своё движение они не останавливают и, преодолев притяжение нижних частиц, вылетают из воды, преобразовываясь в пар. При этом часть молекул из-за хаотического движения возвращается в жидкость, остальные уходят дальше, в атмосферу.
Цветные озера вулкана Келимуту87624.670Испарение на этом не заканчивается, и на поверхность вырываются следующие молекулы (так происходит до тех пор, пока жидкость полностью не улетучивается).
Если речь идёт, например, о круговороте воды в природе, можно наблюдать за процессом конденсации, когда пар, сконцентрировавшись, при определённых условиях возвращается назад. Таким образом, испарение и конденсация в природе тесно связаны между собой, поскольку благодаря им осуществляется постоянный водообмен между землёй, сушей и атмосферой, благодаря чему окружающая среда снабжается огромным количеством полезных веществ.
Стоит заметить, что интенсивность испарения у каждого вещества различна, а потому основными физическими характеристиками, которые влияют на скорость испарения, являются:
- Плотность. Чем вещество плотнее, тем ближе молекулы находятся по отношению друг к другу, тем труднее верхним частицам преодолеть силу притяжения других атомов, следовательно, испарение жидкости происходит медленнее. Например, метиловый спирт улетучивается намного быстрее воды (метиловый спирт – 0,79 г/см3, вода – 0,99 г/см3).
- Температура. На скорость испарения также влияет теплота испарения. Несмотря на то, что процесс испарения происходит даже при минусовой температуре, чем больше температура вещества, тем выше теплота испарения, значит, тем быстрее двигаются частицы, которые, увеличивая интенсивность испарения, массово покидают жидкость (поэтому кипящая вода испаряется быстрее холодной).Из-за потери быстрых молекул внутренняя энергия жидкости уменьшается, а потому температура вещества во время испарения понижается. Если жидкость в это время будет находиться возле источника тепла или непосредственно нагреваться, её температура снижаться не будет, так же, как и не снизится интенсивность испарения.
- Площадь поверхности. Чем большую площадь поверхности занимает жидкость, тем больше молекул с неё улетучивается, тем выше скорость испарения. Например, если влить воду в кувшин с узким горлышком, жидкость будет исчезать очень медленно, поскольку испаряемые частицы начнут оседать на сужающихся стенках и спускаться. В то же время, если налить воду в миску, молекулы будут беспрепятственно уходить с поверхности жидкости, поскольку им будет не на чем конденсироваться, дабы вернуться в воду.
- Ветер. Процесс испарения окажется намного быстрее, если над ёмкостью, в которой находится вода, движется воздух. Чем быстрее он это делает, тем скорость испарения больше. Нельзя не учитывать взаимодействие ветра с испарением и конденсацией.Молекулы воды, поднимаясь с океанической поверхности, частично возвращаются назад, но большая часть высоко в небе конденсируется и образует облака, которые ветер перегоняет на сушу, где капли выпадают в виде дождя и, проникнув в грунт, через какое-то время возвращаются в океан, снабжая растущую в почве растительность влагой и растворёнными минеральными веществами.
Роль в жизни растений
Значение испарения в жизни растительности трудно переоценить, особенно учитывая, что живое растение на восемьдесят процентов состоит из воды. Поэтому если растению не хватает влаги, оно может погибнуть, так как вместе с водой в него не будут поступать также нужные для жизнедеятельности питательные вещества и микроэлементы.
Вода, передвигаясь по растительному организму, переносит и образует внутри него органические вещества, для образования которых растение нуждается в солнечном свете.
А вот тут немаловажная роль отводится испарению, так как солнечные лучи имеют способность чрезвычайно сильно нагревать предметы, а потому способны вызвать гибель растения от перегрева (особенно в жаркие летние дни). Чтобы этого избежать, происходит испарение воды листьями, через которые в это время выделяется много жидкости (например, из кукурузы за сутки испаряется от одного до четырёх стаканов воды).
Это значит, что чем больше в организм растения поступит воды, тем испарение воды листьями будет интенсивнее, растение будет больше охлаждаться и нормально расти. Испарение воды растениями можно ощутить, если во время прогулки в знойный день прикоснуться к зелёным листьям: они обязательно окажутся прохладными.
Связь с человеком
Не менее велика роль испарения в жизнедеятельности человеческого организма: он борется с нагреванием посредством потоотделения. Испарение происходит обычно через кожу, а также через дыхательные пути. Это можно легко заметить во время болезни, когда температура тела поднимается или в период занятий спортом, когда повышается интенсивность испарения.
Если нагрузка невелика, из организма уходит от одного до двух литров жидкости в час, при более интенсивном занятии спортом, особенно когда температура внешней среды превышает 25 градусов, интенсивность испарения увеличивается и с потом может выйти от трёх до шести литров жидкости.
Через кожу и дыхательные пути вода не только покидает организм, но и поступает в него вместе с испарениями окружающей среды (не зря своим пациентам врачи часто прописывают отдых на море). К сожалению, вместе с полезными элементами в него нередко попадают и вредные частицы, среди них – химические вещества, вредные испарения, которые наносят здоровью непоправимый ущерб.
Одни из них токсичны, другие, вызывают аллергию, третьи – канцерогенны, четвёртые вызывают онкологические и другие не менее опасные заболевания, при этом многие обладают сразу несколькими вредными свойствами. Вредные испарения оказываются в организме в основном через органы дыхания и кожу, после чего, оказавшись внутри, моментально всасываются в кровь и разносятся по всему телу, оказывая токсическое воздействие и вызывая серьёзные заболевания.
В данном случае много зависит от местности, где обитает человек (возле фабрики или завода), помещения, в котором живёт или работает, а также времени пребывания в опасных для здоровья условиях.
Вредные испарения могут попадать в организм из предметов быта, например, линолеума, мебели, окон и пр. Дабы сохранить жизнь и здоровье, таких ситуаций желательно избегать и наилучшим выходом будет покинуть опасную территорию, вплоть до обмена квартиры или работы, а при обустройстве жилища обращайте внимание на сертификаты качества покупаемых материалов.
Испарение воды, физика, параметры, свойства
Наиболее интересный процесс, который протекает на нашей планете – процесс испарения воды. Ведь круговорот воды в природе представляет собой массу различных переходных состояний воды, которые плавно переходят одно в другое и в целом составляют замкнутый круг. Можно вспомнить множество интересных примеров, которые помогут оценить возможности воды по перемещению на планете, ведь массы воздуха с каплями воды смещаются постоянно и непрерывно по всему земному шару. То есть, вода, падающая на землю, постоянно разная. В этом тоже можно заметить уникальность воды. Но давайте рассмотрим процесс испарения более подробно.
Немного физики
Вода испаряется при любой температуре. В отличие от кипения, когда молекулы воды покидают общую массу жидкости из-за своей кинетической энергии, испарение происходит «добровольно». То есть, кинетическая энергия мала, но отрыв происходит из-за незначительного превышения. Чем меньше разница температур воды и окружающего воздуха, тем меньше молекул воды отправится в воздух. Конечно, объяснение на пальцах не всегда точно может показать, что именно творится с водой в такие периоды, но стоит отметить тот факт, что именно некоторые аспекты испарения помогают человеку жить проще.
Например, расчет поверхности жидкости, которая должна остыть, поможет прикинуть, сколько времени потребуется для того, чтобы вода остыла. Например, вода в чашке остынет медленнее, чем вода в тарелке. А все из-за того, что площадь больше. Ведь количество молекул, которые в среднем отрываются от общей массы воды, одинаково на единицу площади. Значит, чем больше площадь, тем больше молекул «вылетят» из воды и отберут вместе со средней кинетической энергией еще и температуру жидкости. Сложно? Что поделать, таково физическое описание процесса испарения. И в нем сокрыто немало секретов.
Параметры, испарение воды
Особенность испарения в том, что расчет поверхности может показать не только скорость остывания жидкости, но и то, насколько быстро напитается влагой что-то, расположенное над влагой. Кроме того, есть также один важный момент. Расчет поверхности жидкости, которая испаряется в помещении, показывает, как скоро можно получить определенную влажность. И хотя конечный результат состоит из нескольких параметров, основной (скорость испарения), можно получить только лишь произведя расчет поверхности.
Что еще может повлиять на испарение воды? Конечно же, влажность воздуха. Расчет поверхности воды, разность температур и численное значение влажности. Все эти параметры, умноженные на определенный коэффициент, дадут тот самый результат, при котором комната наполнится нужным количеством влаги без особых усилий. Чем больше разница в параметрах, тем быстрее будет происходить испарение. Если же влажность в помещении приближена к 100%, то и ждать испарения не стоит: молекулам воды в насыщенном воздухе деваться просто некуда.
Какие бывают поверхности
Итак, перейдем к тому, что можно назвать расчет поверхности. Это поиск площади поверхности жидкости, которая в настоящий момент испаряется. А испаряются все жидкости без исключения. Для этого расчета используются классические планиметрические формулы из геометрии. Овалы, окружности, квадраты и прямоугольники. Учитывая , что емкости для жидкости могут иметь совершенно различный вид, стоит иметь в запасе достаточное количество формул для проведения математических вычислений.
Если знать площадь, то можно легко определить навскидку скорость и степень испарения. Поэтому для тех, кто уверен в пользе влажности в помещении, это очень важно. Пользуйтесь формулами, рассчитывайте площадь и создайте уникальный климат в своей квартире.
Вконтакте
Google+
определение, условия и особенности процесса
Что такое испарение?Испарением в физике (впрочем, и не только в ней) называют фазовый переход любой жидкости в парообразное или газообразное состояние. Простейший пример, с которым сталкивается каждый человек – испарение воды, когда мы ее сильно нагреваем, к примеру, делая себе чай, из нее идет пар. Пар этот и есть та самая вода, которая из жидкого состояния перешла в парообразное. Особенности процесса испарения разных жидкостей хорошо изучены физиками, а само испарение широко применяется в промышленности и в быту, встречается также и в природе.
Что такое испарение?
Классическое определение звучит так: испарение – это переход из жидкости в газ. При этом это термодинамический процесс, то есть такой, который происходит под воздействием температурных колебаний. Именно вследствие испарения количество любой жидкости в любой незакрытой емкости будет постепенно уменьшаться.
Какие же причины испарения? Физика объясняет это явление разницей температур на грани фазового перехода: жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха. Если нет каких-то внешних влияний, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость вследствие диффузии, они переходят через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газовых веществ поверхность раздела фаз массового потока.
Важно знать, что испарение всегда происходит только с поверхности жидкости, в этом основное отличие испарения от других форм парообразования. Атомы и молекулы испаряются не все сразу, а небольшими слоями, постепенно. Но, разумеется, со временем они могут испариться полностью.
Еще одной интересной особенностью испарения является тот факт, что оно может иметь разную направленность тепловых потоков. Они могут идти:
- из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух,
- только из жидкости к поверхности,
- к поверхности из воды и газовой среды одновременно,
- к площади поверхности только от воздуха.
Направленность тепловых потоков при испарении зависит от характера жидкости, температуры окружающего воздуха и фазового раздела. Эти три величины и их соотношение формируют формулу испарения.
Испарение на молекулярном уровне
В жидкостях молекулы, хотя и расположены близко друг к другу, тем не менее, они не имеют твердой связи между собой, как в твердых телах. Поэтому они находятся в непрерывном движении, в ходе которого часто сталкиваются друг с другом, меняют свое направление и скорость своего движения. Часть молекул, которые оказались близко к поверхности могут и вовсе покинуть жидкость, если проникнут через зону фазового перехода. И тогда произойдет испарение. Как видите, обязательным условием для этого физического процесса является непрерывное движение молекул в жидкости. Если движущаяся молекула обладает достаточной кинетической энергией и скоростью, то она может преодолеть притяжение соседних частиц и вылететь на поверхность.
Почему же испарение усиливается при нагревании жидкости? При нагревании движение молекул в воде, или другой жидкости заметно ускоряется, и все больше молекул начинают гонять аки «Шумахеры», в результате вылетая на поверхность.
При этом в какой-то момент может произойти такое явление как «испарительное охлаждение жидкости», когда нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и происходит снижении температуры самой жидкости. В частности это явление объясняет, почему человеку, даже облитому теплой водой постепенно будет становиться холодно – все быстрые молекулы этой теплой воды испарятся, а оставшаяся вода быстро охладится без своих «молекул-гонщиков».
Кипение гейзеров, отличный пример испарения в природе.
Испарение и кипение: в чем отличие?
В начале статьи мы писали, что испарение особенно заметно при кипении воды, когда мы, к примеру, делаем себе чай. На самом деле испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в речке или озере непрерывно испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Что же касается кипения, то оно является, по сути, катализированным испарением, когда сам процесс становится заметным невооруженным глазом и во много раз ускоренным.
Но кипение происходит только при определенных температурах, причем в разных жидкостях разные температуры кипения (например, у воды температура кипения 100 °C), в то же время испарение происходит всегда, независимо от температуры жидкости. В этом и заключается их отличие.
Факторы, влияющие на скорость испарения
Учеными выделены такие основные факторы, которые имеют влияние на скорость испарения:
- Химические и физические свойства жидкости, характер связей между молекулами, плотность вещества. Чем ближе друг к другу расположены молекулы жидкости, тем им труднее набрать нужную скорость, чтобы вылететь и тем ниже скорость испарения, и тем больше температура кипения. К слову спирты и алкоголь улетучиваются гораздо быстрее, нежели просто вода.
- Температура. В отличии от явления кипения, испарение жидкости может происходить даже при минусовых температурах жидкости. Но все равно при понижении температуры скорость движения частиц уменьшается, и как следствие уменьшается скорость испарения.
- Размер поверхности. Тут все просто, чем больше площадь испарения, то есть площадь соприкосновения жидкости с воздухом, тем большей будет скорость испарения.
- Скорость ветра также может влиять на скорость испарения в природных условиях, так как быстрое движение воздуха «сдувает» молекулы с поверхности, увеличивая их скорость и кинетическую энергию.
- Атмосферное давление, чем оно ниже, тем быстрее испаряется любая жидкость.
Роль испарения
И испарение, и кипение распространенные физические явления в нашей жизни. Мы постоянно сталкиваемся с ними в нашем быту, испарение активно используется в промышленности и природных условиях, как именно, читайте далее.
Испарение в организме человека, в животных и растениях
Испарение играет важную роль процессе саморегуляции температуры тела человека, как впрочем, и почти всех млекопитающих. Так как чрезмерный перегрев тела вредный, а порой и смертельный (так при температуре тела более 42,2 °C в крови человека происходит свертывание белка, что приводит к смерти) организм имеет защитный механизм для предотвращения перегрева – потоотделение. Например, когда мы болеем и имеем высокую температуру, а потом она падает, мы обильно потеем. Также мы потеем при тяжелом физическом труде, при перегреве на Солнце. Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется, все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализировать температуру.
Аналогично это работает и у животных, а некоторые порой даже стремятся ускорить процесс испарения. Так, например собаки для этой цели в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык. Именно гортань и язык собаки наиболее подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Что же касается растений, то и они обладают схожим механизмом. Во избежание перегрева на Солнце они запускают процесс испарения ранее поглощенной воды, таким образом, охлаждаясь. Именно поэтому очень важно в жаркую погоду усиленно поливать культурные растения, предотвращая их выгорание или засыхание, ведь в такие дни влага особенно нужна растениями не только для питания, но и для охлаждения.
Испарение в природе и окружающей среде
Роль испарения в природе просто огромна, так как без этого физического явления была бы невозможна сама Жизнь на нашей планете. Именно испарение лежит в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему Земли необходимыми питательными элементами и разносит жизненно важную влагу по всему миру. Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, питают растения и деревья.
Именно благодаря испарению на Земле идут дожди, а о том, как они важны и как трудно без них приходится порой, спросите об этом жителей Северной Африки или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
Вот лишь несколько примеров использования испарения в промышленности.
- Испарения применятся при создании охладителей для двигателей и ядерных реакторов.
- При сушке различных вещей: от одежды до промышленного сырья.
- При кондиционировании и очищении воздуха.
- При очистке разных веществ на молекулярном уровне.
- Во время готовке на пару в кулинарии.
- При охлаждении воды.
Промышленная техника, работающая на основе процессов испарения, конструируется по одному и тому же принципу: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наиболее оптимальный теплообмен с газовой средой.
Испарение, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Эта статья доступна на английском языке – Evaporation: Definitions, Causes and Examples.
Конспект «Испарение. Конденсация» — УчительPRO
«Испарение. Конденсация»
Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и кипение.
Испарение
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар.
Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.
Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.
Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Например, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.
Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.
Конденсация
Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.
Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.
Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным.
Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.
Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.
Конспект урока по физике в 8 классе «Испарение. Конденсация».
Следующая тема: «Кипение. Удельная теплота парообразования».
Учёный из Томска показал, как испаряются соленые растворы
Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.
«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо.
Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.
В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С. Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении.
Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции. «Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом.
Возникающее из-за конвекции движение воздуха ускоряет испарение капель с меняющейся концентрацией. Однако этим фактором, как и теплопереносом внутри самой капли, в теоретических моделях до сих пор пренебрегали как несущественным. Мы же показали, что таким образом предполагаемая скорость испарения может быть ошибочно занижена почти в десять раз», — сказал Мисюра. Предсказание скорости испарения капель солевых растворов необходимо для разработки новых технологий струйной печати и покрытий, медицинской диагностики и охлаждения микроэлектроники. Статья с исследованием опубликована в журнале Scientific Reports.
Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.
Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. 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.
Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.
Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул (то есть самые быстрые), вырываются за границы вещества (жидкости). При этом средняя энергия оставшихся молекул становится меньше (жидкость остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом мы ускоряем процесс испарения.
Испаряться могут не только жидкости, но и твердые тела. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией (или возгонкой). Легко наблюдать образование кристалликов йода из паров йода. Достаточно 2-3 кристаллика йода положить в пробирку и нагреть ее в пламени спиртовки. Можно видеть, что кристаллики йода не плавятся, а испаряются, образуя темно-бурые пары, которые на холодных стенках пробирки оседают в виде пятен. Рассматривая эти пятна через лупу, легко обнаружить, что они представляют собой группы кристалликов.
Факт сублимации твердых фаз убедительно подтверждается и просто в жизни: хорошо известен факт высыхания белья на морозе. Испаряющиеся частицы твердого тела образуют над ним пар совершенно так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с твердым телом, также называется насыщенным паром. Как и в случае жидкости, давление насыщенного пара над твердым телом зависит от температуры, быстро уменьшаясь с понижением температуры. Без труда можно убедиться в том, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при низкой. В принципе любое твердое вещество сублимирует (именно любое, даже железо или медь). И если мы не замечаем возгонки, то это означает лишь, что плотность насыщенного пара незначительна.
Кривая зависимости давления, насыщенного пара сублимирующих твердых тел от температуры. Эта кривая является линией равновесия твердой и газообразной фаз. Область слева от кривой соответствует твердому, справа от нее – газообразному состоянию.
Сублимация, так же, как и плавление, связана с разрушением кристаллической решетки и требует порцию необходимой для этого энергии. Эта энергия определяет скрытую теплоту сублимации, которая равна скрытой теплоте перехода из газообразного состояния в кристаллическое. Теплота возгонки равна поэтому сумме теплоты плавления и парообразования.
По сути каждое вещество во вселенной испаряется. Молекулы с поверхности улетают в окружающую среду. Запахи, которые мы чувствуем это молекулы любого предмета, залетевшие к нам в нос.
Всё вокруг нас испаряется и рано или поздно испарится?
[источники]Источники:
https://chrdk.ru/news/tomskii-uchenyi-vyyasnil-kak-kipyat-kapli-rastvorov
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5