При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие - медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этого температура испаряющейся жидкости понижается : жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).

В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.

Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.

Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус-аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха,- (от греческого «психрос» - холодный). Психрометр (рис. 81) состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) - более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.

С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.

Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс - конденсация . Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося 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, начинает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается.

1. Какие два вида парообразования существуют в природе? 2. Что такое испарение? 3. От чего зависит скорость испарения жидкости? 4. Почему при испарении температура жидкости понижается? 5. Каким образом удается предотвратить спускаемые космические аппараты от перегрева во время прохождения через атмосферу планеты? 6. Что такое конденсация? 7. Какие явления объясняются конденсацией пара? 8. С помощью какого прибора измеряют влажность воздуха? Как он устроен?

Экспериментальные задания . 1. В два одинаковых блюдца налейте по одинаковому количеству воды (например, по три столовые ложки). Одно блюдце поставьте в теплое место, а другое - в холодное. Измерьте время, за которое испарится вода в том и другом блюдцах. Объясните разницу в скорости испарения. 2. Нанесите пипеткой на лист бумаги по капле воды и спирта. Измерьте время, необходимое для их испарения. У какой из этих жидкостей силы притяжения между молекулами меньше? 3. Налейте одинаковое количество воды в стакан и блюдце. Измерьте время, за которое она в них испарится. Объясните разницу в скорости ее испарения.

Жидкость испаряется из — за движения молекул быстрые молекулы покидают жидкость при этом чем выше температура тем таких молекул больше.
Испарение – элементарный процесс, обусловленный непрерывным движением молекул жидкости. Процесс происходит при любом температурном режиме, вне зависимости от местоположения емкости с жидкостью.

Где быстрее испариться вода?

Правильно, в повышенном температурном режиме. Воздействие повышенной температуры на молекулы жидкости заставляет ускорить их движение, тем самым значительно ускоряется процесс испарения. Что касается холода, то вода преобразуется в лед, а после – в пар.
Если открытую емкость с жидкостью оставить на открытом пространстве, то спустя краткий промежуток времени, вода испариться. Многое будет зависеть от того, где именно была оставлена емкость, под влиянием солнечных лучей или в темном, прохладном месте. Конечный итог будет идентичным, но время испарения жидкости замедлиться. Это обусловлено тем, что испарение – естественный процесс, который происходит в любой среде и емкости и человеческое тело – не исключение.
Потоотделение – процесс, при котором влага выделяется из человеческого организм и через краткое время испаряется с поверхности кожного покрова.
Переход из жидкого состояния в газообразное обусловлено тем, что в воде присутствует кинетическая энергия, способствующая ускорению движения молекул – элементарных частиц любого вещества. Кинетические энергия, присутствующая в любой жидкости, стимулирует движение молекул и позволяет им преодолевать межмолекулярное притяжение. К примеру, если кружку с водой накрыть бумагой, то через час она станет мокрой. Испарение происходит даже в закрытом пространстве, но существуют факторы, влияющие на скорость продвижения этого процесса.

Физические аспекты, способные повлиять на скорость испарения, это:

• Температура помещения, в котором происходит этот процесс. Иное дело – естественное испарение, происходящее в окружающем мире;
• Вентиляция. Под влиянием ветра, жидкость преобразуется в пар быстрее, соответствуя пропорции ½ (при усилении ветра (м/с) скорость преобразования воды в пар увеличивается вдвое);
• Площадь, с которой выделяется жидкость. Для наглядного примера, возьмем стакан и плоскую тарелку. Как известно, испарение – это процесс, при котором испаряется поверхность жидкости. Чтобы нижним молекулам преодолеть межмолекулярное притяжение и покинуть поверхность емкости, им необходимо подождать, пока верхний ряд частиц осуществит это действие. Иными словами, чем больше площадь, тем быстрее происходит испарение;
• Плотность. Плотно прилегающим молекулам сложнее преодолевать межмолекулярное притяжение, так как они борются с притяжением идентичных частиц. Из этого следует вывод, что большая плотность способствует замедлению испарения.

Почему вода в жидком состоянии испаряется быстрее льда?

Ответ прост – температура и состояние молекул. В жидком состоянии, молекулы воды средне активны (в виде пара их активность достигает пика). Находясь в состоянии льда, элементарные частицы замирают, их движение замедляется вдвое, что значительно воспрепятствует преодолению межмолекулярного притяжения. По точным данным ученых в области физики, за один час, с поверхности воды, расположенной на плоском предмете выходит порядка 1249 молекул воды. Со льдом, ситуация крайне противоположна. За те же 60 минут, с емкости аналогичной площади выходит лишь 317 молекул. Можно сделать вывод, что вода, находясь в состоянии льда, испаряется в четыре раза медленнее.
Еще один фактор – температура жидкости.
Разберем на примере воды и метилового спирта. Метил выступает горючей жидкостью, но находясь в жидком состоянии, он испаряется в стандартных пропорциях (1249 молекул/час). Но стоит его поджечь, как процесс ускоряется вдвое. Дело в том, что над точкой возгорания образуется воздушная воронка с высоким давлением, которая создает беспрестанные циркулирующие потоки воздуха. Попадая в них, преобразовавшиеся в пар молекулы спирта, быстрее покидают первоначальное место. Чем сильнее воздушный поток, тем меньше молекул жидкости вернется к первобытному источнику Относительно, первичный объем емкости быстрее уменьшится.

Проведем эксперимент.
Возьмем пластмассовую бутылку с водой и поставим ее на открытую местность под влияние ультрафиолета. Как выяснилось ранее, под воздействием высокой температуры, вода испаряется быстрее. Но почему жидкость в бутылке будет преобразовываться в пар медленнее? Выходящие молекулы не смогут «протиснуться» в узкое горлышко разом, поэтому они осядут на стенки бутылки и скатятся вниз, в общую массу. Из этого следует еще один вывод – воздействие температуры не имеет силы, если жидкость содержится в крупной емкости, но с небольшим выходом (горлышком).

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.

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

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

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

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

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

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

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

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

, (4.1)

или в интегральной форме:

, (4.2)

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

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

Т – температура жидкости, К.

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

. (4.3)

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

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

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.