какие факторы влияют на скорость испарения жидкости
Испарение: определение, условия и особенности процесса
Содержание:
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.
Определение
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:
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:
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
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.
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.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Испарение и конденсация
Урок 12. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Испарение и конденсация»
На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что существует три агрегатных состояния вещества — твёрдое, жидкое и газообразное.
И выяснили, что при агрегатных превращениях возможны переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое.
На этом уроке мы рассмотрим процесс превращения жидкости в газ, и обратное превращение вещества из газообразного состояния в жидкое.
Задумывался ли кто-нибудь из вас над вопросом: почему сохнет мокрая одежда? И почему в ветреную погоду она высыхает значительно быстрее, чем в тихую и прохладную? А если оставить открытым флакон духов, то очень скоро он может оказаться пустым. Почему? Попытаемся ответить на эти и некоторые другие вопросы.
Для начала давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в непрерывном движении. Их скорости меняются самым случайным образом.
Так, например, молекула жидкости, имеющая большую скорость, несомненно обладает и большой кинетической энергией. Такая молекула может преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.
Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.
Водяной пар невидим. А то, что мы свами часто ошибочно называем паром — например, белёсую струю, выходящую из кипящего чайника, — это не пар, а туман. Он состоит из крошечных капелек воды, образовавшихся при конденсации пара. Но об этом явлении мы поговорим позже.
Отличают два вида парообразования — это испарение и кипение. Они осуществляются при разных условиях.
Испарение — это парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости.
А от чего зависит скорость испарения жидкости? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте с вами проведём следующий опыт. На стекло нанесём тампоном влажные пятна одинаковых размеров в такой последовательности: подсолнечное масло, вода, ацетон. И проследим, какая жидкость испарится первой.
Через некоторое время мы заметим, что первым исчезнет пятно ацетона, затем воды, и позже всех — подсолнечного масла. Следовательно, скорость испарения зависит от рода жидкости. Это и понятно, ведь у разных жидкостей силы взаимодействия молекул неодинаковые.
Продолжим опыт. Одну стеклянную пластинку возьмём холодную, а другую нагреем. И нанесём на них две одинаковые капли воды.
С нагретого стекла капля исчезнет быстрее, чем с холодного.
И это неудивительно, поскольку чем выше температура жидкости, тем больше скорость движения её молекул, и, соответственно, их кинетическая энергия. Следовательно, большее число молекул способно преодолеть силы притяжения и выйти за пределы поверхности жидкости.
Значит, скорость испарения жидкости зависит от её температуры: чем она выше, тем скорость испарения жидкости больше.
А теперь капнем на стекло две капли ацетона. Размажем одну каплю так, чтобы образовалось пятно, и проследим за изменениями.
Через некоторое время мы заметим, что пятно ацетона испарится быстрее, чем капля. Это объясняется тем, что площадь поверхности пятна больше, чем капли. Следовательно, большее число молекул сможет оказаться на поверхности и, преодолев силы притяжения, вылететь из неё. Значит, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше скорость её испарения.
И наконец, на два стекла нанесём по капле воды, но одно стекло будем обдувать вентилятором.
Капля со стекла, обдуваемого вентилятором испарится гораздо быстрее. Почему? Всё дело в том, что при испарении молекулы не только покидают поверхность жидкости, но и возвращаются обратно. А поток воздуха уносит вылетевшие из жидкости молекулы, освобождая место другим. Таким образом, скорость испарения зависит от движения воздуха над свободной поверхностью жидкости.
А теперь выясним, что же происходит с жидкостью в сосуде при испарении. Для этого проделаем такой опыт. Возьмём термометр и обмотаем его конец ватой, смоченной водой, а лучше спиртом.
Мы практически сразу заметим, как столбик жидкости в термометре начнёт опускаться. Это свидетельствует об уменьшении температуры жидкости при испарении.
Объясняется этот факт следующим образом. При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей энергией. Это означает, что внутренняя энергия оставшейся части жидкости уменьшается. Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости уменьшается.
Мы рассмотрели процессы испарения жидкостей. Однако у вас может возникнуть закономерный вопрос: «А испаряются ли твёрдые тела?».
Для ответа на него, проведём следующий опыт. Поместим в пробирку кристаллики йода и будем нагревать над пламенем спиртовки. Через некоторое время мы заметим, как кристаллики йода начнут испаряться.
Значит, твёрдые тела тоже испаряются. Этим и объясняется то, что в ясный морозный день исчезает иней на деревьях, а бельё способно высохнуть даже в очень сильный мороз.
В самом начале мы говорили о том, что очень часто люди ошибочно называют паром туман, который состоит из крошечных капелек воды.
Так же все вы не раз наблюдали, как вечером, после жаркого летнего дня, выпадает роса. Это водяной пар, содержащийся в воздухе, при охлаждении превращается в жидкость, и капельки воды оседают на листьях и траве.
Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией (от латинского «сгущать»).
Если процесс испарения идёт быстрее, чем процесс конденсации, то масса жидкости в сосуде уменьшается. Но почему тогда в плотно закрытой банке с водой уровень воды остаётся неизменным? Разве в закрытом сосуде молекулы не вылетают из воды?
Вылетают, конечно. Но из закрытого сосуда они вылететь не могут, поэтому, полетав над жидкостью, многие молекулы возвращаются обратно в жидкость. То есть одновременно с испарением происходит и конденсация.
А то, что уровень жидкости в закрытом сосуде остаётся неизменным, означает, что в таком сосуде процессы парообразования и конденсации идут с одинаковой скоростью. Говорят, что в этом случае наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром. При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испарятся.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.
Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют ненасыщенным паром.
А теперь давайте поставим наш закрытый сосуд, в котором жидкость и пар находятся в состоянии динамического равновесия, над спиртовкой и будем нагревать его.
При увеличении температуры, количество молекул, способных вылететь с поверхности жидкости, возрастает. Поэтому в начале количество молекул, покидающих жидкость, будет больше, чем тех, которые возвращаются обратно. Соответственно, нарушается динамическое равновесие и пар перестаёт быть насыщенным.
Однако через какое-то время равновесие вновь восстановится. Но так как число молекул в единице объёма пара увеличится, то увеличится и плотность насыщенного пара. А мы уже знаем, что при увеличении плотности газа возрастает и его давление. Значит, с увеличением температуры, плотность и давление насыщенного пара увеличиваются.
Испарение
Испарение: что это за процесс
Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:
| Испарение | Кипение |
| При любой температуре, с поверхности жидкости | При определенной температуре, во всем объеме жидкости |
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.
В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.
Интенсивность испарения
Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.
Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:
Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.
Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.
По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.
Насыщенный пар
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.
Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.
На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.
Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.
Испарение в жизни
И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.
Испарение в организме человека и животных
Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.
Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.
Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.
При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶
Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Испарение у растений
Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.
Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.
Испарение в природе и окружающей среде
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.
Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.
В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.
Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.