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.
В природе, технике и быту мы часто наблюдаем превращение жидких и твердых тел в газообразное состояние. В ясный летний день быстро высыхают лужи, оставшиеся после дождя, мокрое белье. Уменьшаясь со временем, исчезают куски сухого льда, «тают» кусочки нафталина, которым мы пересыпаем шерстяные вещи и т.п. Во всех этих случаях наблюдается парообразование - переход веществ в газообразное состояние - пар.
Существует два способа перехода жидкости в газообразное состояние: испарение и кипение. Испарение происходит с открытой свободной поверхности, отделяющей жидкость от газа, например с поверхности открытого сосуда, с поверхности водоема и т.д. Испарение происходит при любой температуре, но для всякой жидкости с повышением температуры скорость его увеличивается. Объем, занимаемый данной массой вещества, при испарении возрастает скачком.
Следует различать два основных случая. Первый, когда испарение происходит в замкнутом сосуде и температура во всех точках сосуда одинакова. Например, испаряется вода внутри парового котла или в чайнике, закрытом крышкой, если температура воды и пара ниже температуры кипения. В этом случае объем образующегося пара ограничен пространством сосуда. Давление пара достигает некоторого предельного значения, при котором он находится в тепловой равновесии с жидкостью; такой пар называется насыщенным, а его давление упругостью пара.
Второй случай, когда пространство над жидкостью незамкнутое; так испаряется вода с поверхности пруда. Здесь равновесие не достигается практически никогда и пар является ненасыщенным, а скорость испарения зависит от многих факторов.
Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Джон Дальтон, английский физик и химик, в начале XIX века нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который имеется над жидкостью. Если и же жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точное, оно происходит, но той же скоростью идет и обратный процесс - конденсация. 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 пространственных газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение. .
При испарении вылетающие из жидкости молекулы должны преодолеть притяжение соседних молекул и совершить работу против удерживающих их в поверхностном слое сил поверхностного натяжения. Поэтому, чтобы испарение происходило, испаряющемуся веществу надо сообщить тепло, черпая его из запаса внутренней энергии самой жидкости, или, отбирая у окружающих тел. Количество тепла, которое нужно сообщить жидкости, находящейся приданной температуре и фиксированном давлении, чтобы перевести ее в пар при этих температуре и давлении, называется теплотой испарения. Упругость пара растет с ростом температуры, тем сильнее, чем больше теплота испарения.
Если испаряющейся жидкости не подводит тепла извне или подводить его недостаточно, то жидкость охлаждается. Заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно добиться значительного его охлаждения. Согласно кинетической теории, при испарении с поверхности жидкости вырываются более быстрые молекулы, средняя энергия, остающихся в жидкости молекул убывает.
Испарение сопровождается уменьшением количества вещества и понижением его температуры. При испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылететь с поверхностного слоя наружи. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершения расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.
Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, то есть переход твердого вещества в газообразное состояние, минуя жидкую стадию. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.
При температурах ниже температуры плавления давление насыщенных паров большинства твердых тел очень мало и их испарение практически отсутствует. Бывают, однако, исключения. Так, вода при 0°С имеет давление насыщенных паров 4,58 мм рт.ст., а лёд при - 1°С - 4,22 мм рт.ст. и даже при - 10°С - 1,98 мм рт.ст.
Этим сравнительно большими упругостями водяного пара объясняется легко наблюдаемое испарение твердого льда, в частности, известный всем факт высыхания мокрого белья на морозе. Испарение твердого тела можно наблюдать также на испарении искусственного льда, нафталина, снега.
Явление испарения лежит в основе перегонки - одного из распространенных методов химической технологии. Перегонка - это процесс разделения многокомпонентных жидких смесей путем частичного испарения и последующей конденсации паров. В результате этого процесса жидкие смеси разделяются на отдельные фракции, различающиеся по составу и температурам кипения.
Физическое явление - кипение
Второй способ парообразования - это кипение, характеризующееся, в отличие от испарения, тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и по всей массе жидкости. Кипение становится возможным, если давление насыщенных паров жидкости делается равным внешнему давлению. Поэтому данная жидкость, находясь под данным внешним давлением, кипит при вполне определенной температуре. Обычно температуру кипения приводят для атмосферного давления. Например, вода при атмосферном давлении кипит при 373 К или 100°С.
Различие температур кипения различных веществ находит применение в технике для так называемой разгонки смесей, компоненты, которых сильно отличаются по температуре кипения, например, для перегонки нефтепродуктов.
Зависимость температуры кипения от давления объясняется тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости, Поэтому при повышенном давлении жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.
Кипение - это особый вид парообразования, отличный от испарения. Внешние признаки кипения: на стенках сосуда появляются большое количество мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются Процесс всплывания, разрушения пузырьков, заполненных воздухом с паром, на поверхности жидкости характеризует кипение. Жидкости имеют свои температуры кипения.
Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха или других газов, обычно присутствующих в жидкости. Такие пузырьки - центры кипения - часто прилипают к стенкам сосуда, потому кипение раньше начинается у стенок.
В пузырьках воздуха содержатся водяные пары. Благодаря многочисленным пузырькам резко возрастает поверхность испарения жидкости. Образование пара идет по всему объему сосуда. Отсюда и характерные признаки кипения: бурление, резкое увеличение количества пара, прекращение роста температуры до полного выкипания.
Но если жидкость свободно от газов, то образование в ней пузырьков пара затруднено. Такую жидкость можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она закипела. Если в такую перегретую жидкость ввести ничтожное количество газа или твердых частичек, к поверхности которых прилип воздух, то она мгновенно взрывообразно закипит. Температура жидкости при этом падает до температуры кипения. Подобные явления могут служить причиной взрывов паровых котлов, поэтому их нужно предупреждать. Еще в 1924 году Ф. Кендрику с сотрудниками удалось при нормальном атмосферном давлении нагреть жидкую воду до 270ºC. При этой температуре равновесное давление водяного пара составляет 54 атм. Из сказанного следует, процессы кипения можно управлять, увеличение или уменьшение давления, а также уменьшая число «затравок». Современные исследования показали, что в идеальном случае воду нагреть примерно до 300ºC, после чего она мгновенно мутнеет и взрывается с образованием быстро расширяющейся паро-водяной смеси.
Таким образом, кипение, как и испарение, - это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение - это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.
Чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определенные количества теплоты. Физическая величина, показывающая количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость с массой 1 кг в пар без изменения температуры называют удельной теплотой парообразования. Обозначается эта величина буквой L, измеряется Дж/кг. = Дж/кг
Конденсация пара - противоположный процесс парообразования Явление парообразования и конденсации объясняют круговорот воды в природе, образование тумана, выпадения росы.
Количество теплоты, которое выделяет пар, конденсируясь, определяется по той же формуле. = Дж
Опытным путем установлено, что, например, удельная теплота парообразования воды при 100°С равна 2,3 106Дж/кг, то есть для превращения воды с массой 1 кг в пар при температуре кипения 100°С требуется 2,3 106Дж энергии.
Влажность воздуха
В атмосфере нашей планеты вследствие всевозможных испарений содержится огромное количество водных паров, особенно в ближайших к земле слоях. Наличие водяных паров в воздухе является необходимым условием существования жизни на земном шаре. Впрочем, для животного и растительного мира неблагоприятен как сухой так слишком влажный воздух. Умеренная влажность воздуха создает необходимое условие для нормальной жизни и деятельности человека. Избыточная влажность вредно ряда производственных процессов, при хранении продуктов и материалов. Как же оценить степень влажности воздуха, т.е. количество содержащихся в нем водяных паров? Такая оценка особенно важна для составления прогноза погоды, поскольку содержание водяных паров в атмосфере является одним из важнейших факторов, определяющих погоду. Без знания влажности воздуха, невозможно сделать прогноз погодных условий, столь необходимый для сельского хозяйства, транспорта, ряда других отраслей народного хозяйства. Чтобы узнать, сколько содержится в воздухе пара, в принципе пропустить определенный объем воздуха сквозь вещество, поглощающее водяной пар, и так найти массу пара, находившегося в 1 м3 воздуха.
Величину, измеряемую количеством водяного пара, содержащегося в 1 см3 воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха. Иными словами, абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара, находящегося в воздухе.
Практически измерить количество пара, содержащегося в 1 м3 воздуха очень трудно. Но оказалось, что численное значение абсолютной влажности мало отличается от парциального давления водяного пара в этих же условиях, измеренного в миллиметрах ртутного столба. Парциальное давление газа измеряется гораздо проще, поэтому в метеорологии абсолютной влажности воздуха принято называть парциальное давление водяного пара, содержащегося в нем при данной температуре, измеренное в миллиметрах ртутного столба.
Но, зная абсолютную влажность воздуха, еще нельзя определить, насколько он сух или влажен, поскольку последний зависит и от температуры. Если температура низкая, то данное количество водяного пара в воздухе может оказаться очень близким к насыщению, т.е. воздух будет сырым. При более высокой температуре, то же количество водяного пара далеко от насыщения, и воздух сух.
Для суждения о степени влажности воздуха важно знать, близок или далек водяной пар, находящийся в нем от состояния насыщения. С этой целью вводят понятие относительной влажности.
Относительной влажностью воздуха называют величину, измеряемую отношением абсолютной влажности к количеству пара, необходимого для насыщения в 1 м 3 воздуха при той температуре. Обычно ее выражают в процентах. Иначе говоря, относительная влажность воздуха показывает, какой процент составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара насыщающего воздух при данной температуре:
В метеорологии относительной влажностью называют величину, измеряемую отношением парциального давления водяного пара. Содержащегося в воздухе, давление водяного пара, насыщающего воздух при той же температуре.
Относительная влажность воздуха зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры. Если количество водяных паров в воздухе не меняется, то с понижением температуры относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура, тем ближе водяной пар к насыщению. Для вычисления относительной влажности пользуются значениями, приводимыми в соответствующих таблицах
Вода - растворитель
Вода является хорошим растворителем. Растворами называют однородные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Например: механическое перемешивание - это физическое явление, нагревание при растворении серной кислоты в воде - химическое явление.
Суспензии - это взвеси, в которых мелкие частицы твердого вещества равномерно распределены между молекулами воды. Например: смесь глины с водой.
Эмульсии - это взвеси, в которых мелкие капельки какой-либо жидкости равномерно распределены между молекулами другой жидкости. Например: взбалтывание керосина, бензина и растительного масла с водой.
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называется насыщенным, а раствор, в котором вещество еще может растворяться, - ненасыщенным.
Растворимость определяется массой вещества, массой вещества, способной растворяться в 1000мл растворителя при данной температуре.
Массовая доля растворенного вещества - это отношение массы растворенного вещества к массе раствора.
Происходящее со свободной поверхности жидкости.
Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, так-же называют испарением.
Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования . Другой вид — это кипение.
Механизм испарения.
Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в не-прерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией , достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое пов-торится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.
Поглощение энергии при испарении.
Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшает-ся. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).
Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и темпера-тура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.
Скорость испарения жидкости.
В отличие от кипения , испарение происходит при любой темпе-ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес-кую энергию , чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид-кости, и тем быстрее идет испарение.
Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото-рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап-нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид-кость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жид-кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя-зано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.
Применение испарения в технике.
Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начи-нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере-грева.
Конденсация.
Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообраз-ного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.
Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од-новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща-ется в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.
Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднима-ющиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака . Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.
При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начи-нает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.
При испарении жидкость покидают молекулы, кинетическая энергия которых больше их средней кинетической энергии. Поэтому среднее значение кинетической энергии остающихся молекул жидкости уменьшается. А это означает понижение температуры испаряющейся жидкости. Вот почему вы чувствуете, что в жаркий летний день становится прохладно сразу после купания. Испарение воды с поверхности тела приводит к охлаждению его. Известно также, что в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре. Очень сильное охлаждение получается, если испарение происходит быстро. При быстром испарении эфира при атмосферном давлении может произойти охлаждение ниже О °С. Это можно обнаружить так. В вогнутое очковое стекло надо налить немного эфира и поставить его на стол, смоченный водой. При быстром испарении эфира (испарение ускоряют продуванием воздуха над эфиром) стеклышко примерзает к поверхности стола. Охлаждением при испарении летучих жидкостей пользуются врачи, когда нужно заморозить кожу больного, чтобы сделать ее нечувствительной к боли.
В жарких странах для охлаждения воды ее обычно содержат в пористых глиняных сосудах. Вода, просачивающаяся через поры сосуда, испаряется, охлаждая воду в сосуде.
Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение ее будет происходить гораздо медленнее. Вспомните, как долго остывает жирный суп. Слой жира на его поверхности мешает выходу быстрых молекул воды. Жидкость почти не испаряется, и ее температура падает медленно (сам жир испаряется крайне медленно, так как его большие молекулы более прочно сцеплены друг с другом, чем молекулы воды).
Испарение твердых тел
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Молекулы, которые расположены у поверхности твердого тела и имеют достаточную кинетическую энергию, способны покинуть тело. Процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное называется сублимацией или возгонкой.
Например, нафталин или камфара испаряются при комнатной температуре и нормальном давлении, минуя жидкое состояние. Точно так же испаряются кристаллы брома или иода, особенно если их подогреть. Испаряется также лед. Если влажное белье развесить на морозе, то вода замерзает, а затем лед испаряется, и белье высыхает.
При испарении жидкостей они охлаждаются, так как жидкость покидают наиболее быстрые молекулы.
§ 6.2. Равновесие между жидкостью и паром
Самое интересное состояние газа - это насыщенный пар. Он находится в равновесии с жидкостью.
Насыщенный пар
Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но если сосуд плотно закрыт, то этого не происходит, что можно объяснить следующим образом.
В первый момент, после того как мы нальем жидкость в сосуд и закроем его, жидкость будет испаряться и плотность пара над жидкостью будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в результате хаотического теплового движения обратно в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В открытом сосуде картина иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость.
В закрытом сосуде в конце концов устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Такое равновесие называется динамическим или подвижным. При динамическом равновесии между жидкостью и ее паром одновременно происходит и испарение жидкости, и конденсация пара, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга (рис. 6.2).
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Это название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Если воздух из сосуда с жидкостью откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только ее насыщенный пар.
Насыщенный пар имеет при данной температуре наибольшее количество молекул в единице объема (а значит, и наибольшую плотность) и оказывает наибольшее давление.
Как и в любой другой жидкости, есть , энергия которых позволяет им преодолеть межмолекулярное притяжение. Эти молекулы с силой разгоняются и вылетают на поверхность. Поэтому если стакан с водой накрыть бумажной салфеткой, то через некоторое время она станет немного влажной. Но испарение воды в разных условиях протекает с различной интенсивностью. Ключевыми физическими характеристиками, влияющими на скорость протекания данного процесса и его длительность, являются плотность вещества, температура, площадь поверхности, наличие .Чем больше плотность вещества, тем ближе друг к другу расположены молекулы. А значит, им сложнее преодолеть межмолекулярное притяжение, и они в гораздо меньшем количестве вылетают на поверхность. Если поместить две жидкости с разной плотностью (к примеру, воду и метиловый ) в одинаковые условия, то быстрее испарится та, плотность которой меньше. Плотность воды равна 0,99 г/см3, а плотность метилового - 0,79 г/см3. Следовательно, метанол испарится быстрее. Не менее важным фактором, влияющим на скорость испарения воды, является температура. Как уже говорилось, испарение при любой температуре, но с ее увеличением скорость движения молекул растет, и они в большем количестве покидать жидкость. Поэтому горящая вода испаряется быстрее, чем холодная.Интенсивность испарения воды зависит также и от площади ее поверхности. Вода, налитая в бутылку с узким горлышком будет испаряться , т.к. вылетевшие молекулы будут оседать на сужающихся вверху стенках бутылки и скатываться обратно. А молекулы воды, находящейся в блюдце, беспрепятственно будут покидать жидкость.Процесс испарения значительно ускорится, если над поверхностью, с которой происходит испарение, перемещаются воздушные потоки. Дело в том, что помимо выхода молекул из жидкости происходит их возвращение обратно. И чем сильнее циркуляция воздуха, тем меньше молекул, опускаясь, попадут обратно в воду. А значит, объем ее будет стремительно уменьшаться.
Источники:
- испарение воды
Различные свойства воды на протяжении многих лет интересуют ученых. Вода может находиться в различных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. При обычной средней температуре вода имеет вид жидкости. Ее можно пить, поливать ею растения. Вода может растекаться и занимать определенные поверхности и принимать форму тех сосудов, в которых она находится. Так почему же вода жидкая?
Вода имеет особую структуру, благодаря которой принимает вид жидкости. Она может литься, течь и капать. В кристаллах твердых веществ имеется строго упорядоченная структура. В газообразных веществах структура выражена как полный хаос. Вода же – промежуточная структура между и газообразным веществом. Частицы в структуре воды расположены на небольших расстояниях друг от друга и относительно упорядоченно. Но поскольку частицы со временем удаляются друг от друга, то и порядок структуры быстро исчезает.
Силы межатомного и межмолекулярного воздействия задают между частицами среднее расстояние. Молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода, где атомы кислорода одной молекулы притягиваются к атомам водорода другой молекулы. Образуется водородных связей, которая и придает воде определенные свойства текучести, при этом структура самой воды практически идентична структуре кристалла. С помощью многочисленных опытов то, что вода сама задает себе структуру в свободном объеме.
При соединении воды с твердыми поверхностями, структура воды начинает объединяться со структурой поверхности. Так как структура граничащего слоя воды остается без изменений, то начинают меняться его физико- . Меняется вязкость воды. Появляется возможность растворять вещества с определенной структурой и свойствами. Вода изначально представляет собой прозрачную бесцветную жидкость. Физические свойства воды можно называть аномальными, так как она имеет довольно высокую температуру кипения и замерзания.
У воды имеется поверхностное натяжение. Например, она имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а также поверхностное натяжение. Удельные испарения и плавления у воды значительно выше, чем у каких-либо других веществ. Удивительная особенность в том, что плотность воды выше, чем плотность льда, что позволяет льду плавать на поверхности воды. Все эти чудесные свойства воды, как жидкости, снова объясняются существованием в ней тех водородных связей, которыми связаны молекулы.
Строение молекулы воды из трех атомов в геометрической проекции тетраэдра приводит к возникновению очень сильного взаимного притяжения молекул воды друг к другу. Всё дело в водородных связях молекул, ведь каждая молекула может образовать четыре абсолютно одинаковые водородные связи с другими молекулами воды. Этот факт и объясняет то, что вода – жидкая.
Не секрет, что пресной воды на