Чем сопровождается процесс испарения. Исследование причин испарения жидкостей

Количественно испарение характеризуется массой воды, которая испаряется в единицу времени с единицы поверхности. Эта величина называется скоростью испарения. В системе СИ она выражается в кг/(м 2. с), в СГС – в г/(см 2. с).

Скорость испарения увеличивается с повышением температуры испаряющей поверхности. В процессе испарения молекулы воды, которые переходят в пар, тратят часть своей энергии на преодоление сил сцепления и на работу расширения, связанную с увеличением объема жидкости, которая переходит в газообразное состояние. В результате средняя энергия молекул, которые остаются в жидкости, уменьшается, и жидкость охлаждается. Для продолжения процесса испарения необходимо дополнительное тепло, которое называется теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с увеличением температуры испаряющей поверхности.

Если испарение проходит с поверхности воды, то эта зависимость выражается формулой:

Q = Q 0 - 0,65 . t, (5.9)

где Q - теплота испарения, Дж/г;

t – температура поверхности, которая испаряет, 0 С;

Q 0 = 2500 Дж/кг.

Если испарение проходит из поверхности льда или снега, то:

Q = Q 0 - 0,36 . t, (5.10)

Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в мм) слоя воды, которая испаряется за единицу времени. Слой воды, высотой 1мм, который испарится с площади 1 м 2 , отвечает ее массе в 1 кг.

Согласно закону Дальтона, скорость испарения W в кг/(м 2. с) прямо пропорциональная дефициту влажности, вычисленному по температуре испаряющей поверхности, и обратно пропорциональная атмосферному давлению:

где Е 1 - упругость насыщения, взятая по температуре испаряющей поверхности, гПа;

е - упругость пара в окружающем воздухе, гПа;

Р – атмосферное давление, гПа;

А – коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости ветра.

Из закона Дальтона видно, что чем больше разность (Е 1- е), тем больше скорость испарения. Если поверхность, которая испаряет, теплее воздуха, то Е 1 большее, чем упругость насыщения Е при температуре воздуха. В таком случае испарение продолжается даже тогда, когда воздух насыщен водяным паром, то есть если е=Е (но Е

Наоборот, если испаряющая поверхность холоднее воздуха, то при довольно большой относительной влажности может оказаться, что Е 1

Зависимость скорости испарения от атмосферного давления обусловлена тем, что в неподвижном воздухе молекулярная диффузия усиливается с уменьшением внешнего давления: чем оно меньшее, тем легче молекулам оторваться от испаряющей поверхности. Однако атмосферное давление у поверхности земли колеблется в сравнительно небольших пределах. Поэтому, оно не может существенным образом изменять скорость испарения. Но его приходится учитывать, например, при сравнении скоростей испарения на разных высотах в горной местности.

Скорость испарения зависит от скорости ветра . С увеличением скорости ветра увеличивается турбулентная диффузия, от которой в значительной мере зависит скорость испарения. Чем интенсивнее турбулентное перемешивание, тем быстрее протекает перенос водяного пара в окружающую среду. Если воздух переносится с суши на водоем, то скорость испарения с водоема увеличивается, так как в воздухе, который натекает на сравнительно более сухую поверхность, дефицит влажности больше, чем он над водоемом. При переносе воздуха с водной поверхности на сушу скорость испарения постепенно уменьшается в результате уменьшения дефицита влажности в воздухе, который находится над водой. На скорость испарения с поверхностей морей и океанов влияет их соленость, так как упругость насыщения над раствором меньше, чем над пресной водой.

На испарение из поверхности грунта значительно влияют физические свойства, состояние деятельной поверхности, рельеф и др. факторы. Гладкая поверхность испаряет меньше, чем шероховатая, так как над ней слабее развито турбулентное перемешивание, чем над шероховатой поверхностью. Светлые почвы при прочих равных условиях испаряют меньше, чем темные, так как они меньше нагреваются. Рыхлые почвы с широкими капиллярами испаряют меньше, чем плотные почвы с узкими капиллярами. Объясняется это тем, что по узким капиллярам вода поднимается ближе к поверхности почвы, чем по широкой. Скорость испарения зависит от степени увлажнения почвы: чем суше почва, тем медленнее происходит испарение. На скорость испарения влияет рельеф местности. На возвышенностях, над которыми имеет место интенсивное турбулентное перемешивание, испарение происходит быстрее, чем в низинах, балках и долинах, где воздух менее подвижен.

На скорость испарения влияет растительный покров. Он значительно уменьшает испарение непосредственно с поверхности почвы. Однако сами растения испаряют много влаги, которые берут из почвы. Испарение влаги растениями является физико-биологическим процессом и называется транспирацией.

Полная отдача водяного пара с определенной поверхности с одинаковым растительным покровом называется эвапотранспирацией. Она включает испарение из поверхности земли и от растений.

Испаряемость – это испарение, максимально возможное в данной местности с определенной деятельной поверхности при достаточном количестве влаги при существующих здесь метеорологических условиях.

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимо­связанными явлениями – испарением и сгоранием паро­воздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и ки­пение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жид­кости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жид­костью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.

За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация . Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами ис­парения и конденсации.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.

Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде

Давление насыщенного пара (р н.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличива­ется. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказыва­ется обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.

Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всег­да существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равно­весия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщен­ных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:

, (4.1)

или в интегральной форме:

, (4.2)

где р н.п. – давление насыщенного пара, Па;

DН исп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;

Т – температура жидкости, К.

Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:

. (4.3)

Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над по­верхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).

Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.

Нам всем с детства хорошо известен один серьёзный жизненный факт. Для того чтобы остудить горячий чай, необходимо налить его в холодное блюдце и продолжительно дуть над его поверхностью. Когда тебе шесть-семь лет, особо не задумываешься над законами физики, просто принимаешь их как данное или, выражаясь физически, принимаешь их за аксиому. Однако, постигая со временем науки, мы обнаруживаем интересные сходства аксиом и последовательных доказательств, плавно переводя наши детские предположения во взрослые теоремы. То же самое и с горячим чаем. Никто из нас и подумать не мог, что такой способ его охлаждения напрямую связан с испарением жидкости.

Физика процесса

Для того чтобы ответить на вопрос, от чего зависит скорость испарения жидкости, надо разобраться в самой физике процесса. Испарение - это процесс фазового перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Испаряться может любое в том числе очень вязкое. С виду и не скажешь, что некая желеобразная жижа может терять часть своей массы за счет испарения, но при определённых условиях именно это и происходит. Твердое тело также может испаряться, только такой процесс называется сублимацией.

Как происходит

Начав разбираться, от чего зависит скорость испарения жидкости, следует отталкиваться от того, что это эндотермический процесс, то есть процесс, проходящий с поглощением теплоты. Теплота (теплота испарения) передаёт энергию молекулам вещества, увеличивая их скорость и повышая вероятность их отрыва, ослабляя при этом силы молекулярного сцепления. Отрываясь от основной массы вещества, самые быстрые молекулы вырываются за его границы, и вещество теряет свою массу. При этом вылетевшие молекулы жидкости мгновенно вскипают, осуществляя при отрыве процесс фазового перехода, и их выход идёт уже в газообразном состоянии.

Применение

Понимая, от каких причин зависит скорость испарения жидкости, можно грамотно регулировать технологические процессы, происходящие на их основе. Например, работу кондиционера, в теплообменнике-испарителе которого кипит хладагент, забирая теплоту из охлаждаемого помещения, или вскипание воды в трубах промышленного котла, теплота которой передается на нужды отопления и ГВС. Осознание того, от каких условий зависит скорость испарения жидкости, предоставляет возможность конструировать и производить современное и технологичное оборудование компактных размеров и с повышенным коэффициентом теплопередачи.

Температура

Жидкое агрегатное состояние крайне неустойчиво. При наших земных н. у. (понятие "нормальных условий", т.е. пригодных для жизни людей) оно периодически стремится перейти в твердую или газообразную фазу. Как это происходит? От чего зависит скорость испарения жидкости?

Первичный критерий - это, естественно, температура. Чем сильнее мы нагреваем жидкость, тем больше энергии мы подводим к молекулам вещества, тем больше молекулярных связей мы разрываем, тем быстрее идёт процесс фазового перехода. Апофеоз достигается при устойчивом пузырьковом кипении. Вода кипит при 100 ºС при атмосферном давлении. Поверхность кастрюли или, например, чайника, где она кипит, только на первый взгляд идеально гладкая. При многократном увеличении картинки мы увидим бесконечные острые пики, как в горах. Теплота точечно подводится к каждому из этих пиков, и из-за малой поверхности теплообмена вода моментально вскипает, образуя пузырёк воздуха, который поднимается к поверхности, где и схлопывается. Именно поэтому такое кипение называют пузырьковым. Скорость при этом максимальная.

Давление

Второй важный параметр, от чего зависит скорость испарения жидкости, - это давление. При снижении давления ниже атмосферного вода начинает закипать при меньших температурах. На этом принципе основана работа знаменитых скороварок - специальных кастрюль, откуда откачивался воздух, и вода кипела уже при 70-80 ºС. Повышение давления, наоборот, увеличивает температуру закипания. Это полезное свойство используется при подаче перегретой воды от ТЭЦ в ЦТП и ИТП, где для сохранения потенциала переносимой теплоты воду подогревают до температур 150-180 градусов, когда надо исключить возможность её вскипания в трубах.

Другие факторы

Интенсивный обдув поверхности жидкости с температурой выше, чем температура подаваемой воздушной струи, - это ещё один фактор, от чего зависит скорость испарения жидкости. Примеры этого можно взять из повседневной жизни. Обдув ветром глади озера или тот пример, с которого мы начали повествование: обдув горячего чая, налитого в блюдце. Он остывает за счет того, что, отрываясь от основной массы вещества, молекулы забирают часть энергии с собой, охлаждая его. Здесь можно увидеть еще и влияние площади поверхности. Блюдце шире, чем кружка, поэтому с её квадратуры потенциально может уйти большее количество массы воды.

На скорость испарения также влияет тип самой жидкости: какие-то жидкости испаряются быстрее, другие, наоборот, медленнее. Важное влияние на процесс испарения оказывает и состояние окружающего воздуха. При высоком абсолютном влагосодержании (сильно влажном воздухе, например, рядом с морем) процесс испарения пойдёт медленнее.

Испаре́ние - физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) с поверхности жидкости. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое) .

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 свойств 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 медленее, чем из широкой тарелки.

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, горячий чай: мы дуем на поверхность жидкости, чтобы остудить его, при этом, мы ускоряем процесс испарения.

Абсолютная влажность
Абсолютная влажность - количество влаги (в кг) содержащийся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в гр/м3. Но связи с тем, что при определенной температуре воздуха в воздухе может максимально содержаться только определенное количество влаги (с увеличение температуры это максимально возможное количесвто влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается) ввели понятие Относительной влажности

Относи́тельная вла́жность
- отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Эквивалентное определение - отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной. Измеряется в процентах.

Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры (см. график) . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы) , когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов) .

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.

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.

Испарение 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:

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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.