Почему испарение жидкости происходит при любой температуре? Добавить свою цену в базу Комментарий. Школьная энциклопедия
При любой температуре с поверхности жидкости вылетает часть молекул, образуя над ней пар. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением. Его скорость зависит от рода жидкости, величины ее свободной поверхности, температуры, внешнего давления и наличия над жидкостью потока воздуха, уносящего пар.
Уход молекул с поверхности жидкости при испарении связан с затратой внутренней энергии на работу выхода А в, которую молекуле необходимо совершить для преодоления сил молекулярного притяжения и сил внешнего давления. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул. Молекула покинет жидкость только в том случае, если ее кинетическая энергия будет равна или больше работы выхода: (m - масса молекулы, v - составляющая скорости молекулы, направленная перпендикулярно к поверхности жидкости). При парообразовании жидкость охлаждается, так как вылетевшие молекулы уносят часть ее внутренней энергии.
Чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Скалярная величина, измеряемая количеством энергии, необходимой для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования.
Для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре ей сообщается количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. При парообразовании происходит увеличение объема вещества. Так, пары воды при, 100° С занимают объем почти в 1700 раз больше объема той же массы воды при 100° С. Поэтому вещество, испаряясь, часть удельной теплоты парообразования затрачивает на совершение работы против силы внешнего давления, а часть - на увеличение его внутренней потенциальной энергии. Поэтому при одинаковой температуре внутренняя энергия единицы массы вещества в газообразном состоянии больше, чем в жидком. Так, 1 кг водяного пара при 100° С имеет на 2*10 6 дж внутренней энергии больше, чем 1 кг воды при той же температуре.
Опыты показали, что удельная теплота парообразования вещества зависит от его температуры. Чем выше температура вещества, тем меньше его удельная теплота парообразования. Например, при 0°С удельная теплота парообразование воды 2499 кдж / кг , при 50° С - 2385 кдж / кг, при 100° С - 2257 кдж / кг, при 200°С - 1943 кдж / кг. Уменьшение теплоты парообразования объясняется тем, что чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия его молекул и тем меньше энергии надо дополнительно сообщить жидкости, чтобы ее молекулы вылетели в окружающую среду.
Наименование удельной теплоты парообразования r кг / дж. Для превращения m кг массы жидкости в пар надо определенное количество энергии, в частности количество теплоты Q = rm.
Допустим, что жидкость испаряется в закрытом сосуде. Часть молекул пара вследствие теплового движения, приблизившись к поверхности жидкости, возвращается в нее. В закрытом сосуде одновременно происходит и процесс испарения и процесс конденсации Если число молекул, вылетевших из жидкости, больше числа молекул, возвратившихся в нее, то пар над жидкостью называется ненасыщенным. Опыты с ненасыщенными парами показали, что они подчиняются газовым законам.
В процессе испарения и конденсации наступает такой момент, начиная с которого число молекул, вылетевших из жидкости в единицу времени, окажется равным числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость, то есть наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическим равновесием со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Он может быть насыщенным не только в закрытом сосуде, но и в атмосфере. Так, при тумане пары воды в воздухе насыщены.
Откроем кран А (рис. 35) и впустим в колбу несколько капель эфира, который испаряется, образуя ненасыщенный пар. Чем больше эфира мы впускаем в колбу, тем больше становится давление его ненасыщенного пара. Эфир впускаем до тех пор, пока на дне колбы окажется немного жидкого эфира. Появление последнего указывает на то, что пары эфира стали насыщенными. С этого момента манометр перестает показывать увеличение давления - оно стало постоянным, несмотря на последующее добавление эфира. Следовательно, давление и плотность паров при данной температуре наибольшее, когда пар насыщен.
Если в колбу помещать поочередно различные жидкости и измерять давление их насыщенных паров, то оказывается, что при одной и той же температуре давление насыщенных паров разных жидкостей различно. Наибольшим давлением обладают пары эфира, меньшим - пары спирта и еще меньшим - пары воды.
При температуре 20° С давление насыщенных паров этих жидкостей равно (в мм рт. ст.):
Выясним, зависит ли давление насыщенного пара при постоянной температуре от его объема. Под поршнем в цилиндре, соединенном с манометром, находится жидкость и ее насыщенный пар (рис. 36). Изменяя его объем перемещением поршня вверх, а затем вниз, по показанию манометра видим, что при постоянной температуре давление насыщенного пара от объема не зависит, и оно при данной температуре для данной жидкости есть величина постоянная. Это означает, что насыщенные пары закону Бойля-Мариотта не подчиняются. Так, манометр парового котла при данной температуре показывает всегда одно и то же давление, независимо от того, какой объем занимает в нем насыщенный пар.
Объясняется это тем, что при изменении объема насыщенного пара происходит изменение его массы. Причувеличении объема масса пара увеличивается (происходит дополнительное испарение жидкости), при уменьшении объема масса пара уменьшается (часть его конденсируется).
Выясним, зависит ли при постоянном объеме давление насыщенного пара от его температуры. Нагреем насыщенный пар в колбе (см. рис. 35), поместив ее в горячую воду. Видим, с повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается. Например, давление насыщенного пара воды при 50° С равно 92,5 мм рт. ст. , а при 100° С - 760 мм рт. ст.
Опыты и расчеты по изменению давления насыщенного пара от нагревания показывают, что давление увеличивается во много раз больше, чем следовало бы по закону Шарля, т. е. зависимость давления от температуры не подчиняется данному закону. Объясняется это тем, что давление насыщенного пара при нагревании возрастает, во-первых, вследствие увеличения средней кинетической энергии молекул этого пара и, во-вторых, из-за увеличения концентрации молекул пара, т. е. увеличения общей массы молекул.
Пока пар остается насыщенным, изменение его температуры или объема всегда сопровождается изменением массы пара, т.е. парообразованием, или конденсацией.
Свойство насыщенных паров воды увеличивать свое давление с повышением температуры применяется в паровых котлах для получения пара, имеющего большое давление, например 100 ат, при температуре кипения воды 310° С. Для использования пара в паровых машинах его отводят из котла, нагревают, превращают в ненасыщенный. Такой пар называется перегретым, он обладает большим запасом внутренней энергии. Если пар не перегрет, то он содержит капельки жидкости.
Получив в пробирке пары эфира, начнем охлаждать их, поместив ее в смесь льда и соли. На стенках пробирки появляется налет жидкого эфира, так как при охлаждении его пары превратились в жидкость. Существует два способа обращения пара в жидкость: увеличение давления на пар, сжатие его (см. рис.36) и понижение температуры пара, охлаждение его. Опыты показывают, что и газы можно превратить в жидкость (сжижение газов). Для этого их надо одновременно и сжимать и охлаждать, пока они не превратятся в жидкость.
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 скачком возрастает.
Облака на небе, иней на деревьях - это все следствия процессов испарения воды и конденсации водяного пара.
Следует различать два основных случая. Первый, когда испарение происходит в замкнутом сосуде и температура во всех точках сосуда одинакова. Так, 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 тепловом 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. В этом случае равновесие не достигается практически никогда, и пар ненасыщенный, а скорость испарения зависит от многих факторов.
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.
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 при данной температуре и фиксированном давлении, чтобы перевести ее в пар при этой же температуре и давлении, называется теплотой испарения . Упругость пара растет с ростом температуры тем сильнее, чем больше теплота испарения.
Если к испаряющейся жидкости не подводить тепла извне или подводить его недостаточно, то жидкость охлаждается. Вот почему, оставив мокрую руку на воздухе, мы ощущаем холод. Заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно добиться значительного ее охлаждения. Согласно кинетической теории , испаряются наиболее быстрые молекулы, средняя энергия остающихся в жидкости молекул убывает - вот почему жидкость охлаждается.
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.
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 °C имеет давление насыщенных паров 4,58 мм рт. ст., а лед при −1 °C - 4,22 мм рт. ст. и даже при −10 °C - всё еще 1,98 мм рт. ст. Этими сравнительно большими упругостями водяного пара объясняется легко наблюдаемое испарение твердого льда, в частности известный всем факт высыхания мокрого белья на морозе.
Парообразованием называется процесс перехода жидкости в газ (пар).
Процесс обратный парообразованию называется конденсацией.
Парообразование может происходить как испарение с поверхности жидкости или в виде кипения.
До сих пор речь шла о процессе парообразования, когда исходным агрегатным состоянием вещества была жидкость. Но, существует ещё один интересный вид парообразования,
когда твердое тело, минуя жидкое состояние, превращается в газ.
Такой вид парообразования называется возгонкой.
Такой особенностью обладают, например, кристаллы йода, нафталина, обычного и "сухого" льда.
Обратный процесс превращения газа непосредственно в твердое вещество называется сублимацией.
ИСПАРЕНИЕ
Испарение - это парообразование с поверхности жидкости.
При этом жидкость покидают более быстрые молекулы, обладающие большей скоростью.
При любой температуре в жидкости находятся такие молекулы, которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы сцепления между молекулами и совершить работу выхода из жидкости.
Скорость испарения жидкости зависит от:
1) от рода вещества;
2) от площади поверхности испарения;
3) от температуры жидкости;
4) от скорости удаления паров с поверхности жидкости, т.е. от наличия ветра.
Испарение происходит при любой температуре.
С повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает, так как возрастает средняя кинетическая энергия ее молекул, а следовательно, возрастает и число таких молекул, у которых кинетическая энергия достаточна для испарения.
Скорость испарения возрастает и при ветре, который удаляет с поверхности жидкости ее пар и тем самым препятствует возвращению молекул в жидкость
При испарении температура жидкости понижается, т.к. внутренняя энергия жидкости уменьшается из-за потери быстрых молекул.
Но, если подводить к жидкости тепло, то ее температура может не изменяться.
ИСПАРЕНИЕ СУХОЕ - ВОЗГОНКА.
Если выстиранное сырое бельё вывесить на морозе, то оно замерзает и становится жеским, как фанера. Однако через некоторое время оно становится вновь мягким и, что удивительно, абсолютно сухим!
Лёд переходит из твердого состояния непосредственно в пар, минуя плавление.
Это и есть „сухое“ испарение или возгонка.
Возгонка льда возможна практически при любой отрицательной температуре в сухом воздухе, что практически бывает при сильном морозе.
Интересно, что иней на деревьях и снег в тучах образуются в результате процесса, обратного возгонке, - так называемой сублимации, прямого перехода водяного пара в твёрдую фазу. Центрами кристаллизации здесь служат микроскопические пылинки и кристаллики соли, взвешенные в воздухе.
ИНТЕРЕСНОЕ О СУХОМ ИСПАРЕНИИ
О чем поет чайная ложка?
Если прижать ложку к кусочку сухого льда, то можно услышать громкий завывающий звук, который длится недолго. Прикладывая к ложке различное усилие, можно менять высоту тона и громкость звука.
Явление можно объяснить тем, что тепло металла быстро превращает в газ тот участок льда, которого коснулась ложка. Обильно выделяясь, углекислый газ с силой вырывается из-под ложки, она колеблется и, подобно мембране телефона, колеблет воздух, – мы слышим звук.
Вы знаете, что существует, так называемый, «сухой лед», который используется при продаже мороженого. «Сухой лёд» - это твердый диоксид углерода (СО2.) «Сухой лед», имея температуру около минус 80градусов по Цельсию, из твердого состояния сразу превращается в газ, минуя жидкое состояние. Такой замечательный процесс испарения называется возгонкой.
Нельзя помещать сухой лед в закрытый контейнер, например, в полиэтиленовую бутылку из- под напитков. Это опасно, так как при испарении сухой лед расширяется примерно в 800 раз, что может привести к взрыву
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
СТАВИМ ОПЫТ
Если наполнить пластмассовую бутылку на 4/5 горячим кипятком, закрыть пробкой и встряхнуть, то пробка может вылететь. Оказывается при встряхивании увеличивается поверхность испарения, что приводит к увеличению давления пара.
А В ЗАСУШЛИВЫХ РАЙОНАХ
Для уменьшения испарения с поверхности жидкости используются адсорбционные пленки, которые могут тонким слоем покрывать все поверхность воды. Свойства таких пленок используется для уменьшения испарения воды с поверхности водоемов в засушливых районах. Для создания таких пленок применяется, например, твердое вещество - гексадеканол. В Австралии с его помощью ежегодно сохраняется около 10 миллионов литров воды с каждого гектара водной поверхности.
КАК ИСПАРЕНИЕ ПОМОГАЕТ
Оказалось, что при постепенном нагревании и в сухом воздухе человек способен выдержать повышение температуры до 160С. Английские физики Благден и Чентри, проводили часы в натопленной печи, испытывая возможности человеческого организма. Английский физик Тиндаль высказался по этому поводу так: «Можно сварить яйца и изжарить бифштекс в воздухе помещения, в котором люди остаются без вреда для себя».
Наш организм борется с нагреванием с помощью выделения пота.
Испарение пота поглощает значительное количество тепла из прилегающего к телу слоя воздуха, и тем понижается его температуру. Это возможно, если тело не соприкасается непосредственно с источником тепла и воздух сухой.
Человек теряет из организма воду испарением с поверхности кожи и испарением из дыхательных путей.
При занятиях спортом человек теряет с потом около 1-2 литров жидкости в час. А при длительной физической нагрузке, особенно в жару, выделение воды с потом может достигать 3-6 литров.
В начале ХХ в. на карнавалах показывали интересный трюк. В жидкий свинец трюкач погружал кисть руки. Как же человеческое тело выдерживало столь высокую температуру?
При соприкосновении мокрых пальцев с горячим жидким металлом, вода вследствие интенсивного испарения «одевала» их в «паровую перчатку», которая непродолжительное время могла служить защитой: излучения и проводимости было недостаточно для того, чтобы ощутимо поднять температуру кожи и вызвать ожог. Но влаги на потной руке было недостаточно и требовалось дополнительное смачивание.
Сварите в кастрюльке куриное яйцо. Достаньте его ложкой из кипятка и быстро, пока оно еще влажное, возьмите его в руки. Хотя яйцо и горячее, все же его можно удержать в руках. Испаряющаяся с поверхности яйца жидкость защитит ваши руки. Через несколько секунд яйцо высохнет, и удерживать его вы уже не сможете – слишком горячо.
Чтобы удостовериться, нагрелся ли утюг, вы прижимаете смоченный слюной палец к поверхности утюга.
Защита пальца от ожога осуществляется за счет влаги.
Тепло, поступающее от утюга к телу, идет на испарение воды.
Пока жидкость не улетучилась, вам комфортно.
Всем знакомо выражение: "Во рту пересохло". Рассказывают, что вождь одной из африканских деревень, чтобы определить, кто из двух подозреваемых говорит правду, приказал каждому лизнуть горячий нож. «Детектор лжи» сработал, и истина восторжествовала. А ведь лжец был определен в соответствии с законами физики!
Почему трещит лучина?
«Лучина трещит и мечет искры – к ненастью».
При повышенной влажности деревянные предметы отсыревают. При горении из них интенсивно испаряется влага. Увеличиваясь в объеме, пар с треском разрывает волокна древесины.
Как огурец от жары спасается...
Оказывается, температура огурца в любую жару на несколько градусов ниже температуры воздуха.
Чем это можно объяснить?
Почему летом дождевые капли крупные, а осенью мелкие?
Падающие летом мелкие дождевые капли обычно не достигают поверхности земли, так как они либо испаряются, либо поднимаются восходящими токами воздуха. Крупные же капли, образовавшихся во многих случаях от слияния меньших, достигают земли, не успев по пути испариться.
Осенью, когда температура воздуха заметно падает, мелкие холодные капельки дождя не успевают испариться, и вся их масса достигает поверхности земли.
ЗНАЕШЬ ОТВЕТ?
Когда стираешь одежду зимой, требуется несколько дней, чтобы она высохла. А если постирать ее летним днем, то она высыхает до вечера.
В чём дело?
Почему сырые дрова, даже разгоревшись, дают меньше тепла, чем сухие?
Почему вода гасит огонь костра?
Потейте на здоровье!
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.
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 (0 0 – 100 0 С) . 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 (100 0 С) . При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
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 100 0 С) . 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 30 0 С , 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 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С . То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С , 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 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С . Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
