Теперь посмотрим, что произойдет с жидкостью, когда контейнер испарится. Для этого проведите следующий эксперимент. Возьмите термометр и оберните им ватный тампон, смоченный в воде. Или, что еще лучше, нанесите спирт на край термометра.
Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары
Все вещества имеют три кумулятивных состояния, которые возникают при определенных условиях: твердое, жидкое и газообразное.
Фазовый переход — это переход одного вещества из одной ситуации в другую.
Примерами этого процесса являются конденсация и испарение.
При создании определенных условий реальный газ (например, азот, водород, кислород) может быть превращен в жидкость. Для этого температура должна опуститься ниже определенного минимального порога, называемого критической температурой. Это обозначается T k p. Так, для азота его цена составляет 126 k, для воды — 647,3 K, а кислорода — 154,3 K при комнатной температуре вода остается и газом, и жидкостью, а азот и азотно-кислородный газ — только газом.
Испарение — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
Молекулярно-кинетическая теория описывает этот процесс постепенным смещением от поверхности жидкости молекул, кинетическая энергия которых больше их энергии связи с остальным жидким веществом. Испарение уменьшает среднюю кинетическую энергию оставшихся молекул, что приводит к снижению температуры жидкости, если не предусмотрен дополнительный источник внешней энергии.
Концентрация — это переход вещества из газообразного состояния в жидкое (обратный процесс истощения).
При конденсации молекулы пара возвращаются во влажное состояние.
Рис. 3. 4. 1. Модель испарения и конденсации.
Динамическое равновесие
Если контейнер, содержащий жидкость или газ, герметичен, его содержимое может находиться в динамическом равновесии. Это означает, что скорости процессов конденсации и испарения будут одинаковыми (поэтому многие молекулы будут испаряться из жидкости, т.е. процесс конденсации будет не таким быстрым, как процесс испарения).. Такая система называется двухфазной.
Насыщенный пар — это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью.
Существует зависимость между количеством молекул, испаряющихся с поверхности жидкости за одну секунду, и температурой этой жидкости. Скорость процесса конденсации зависит от концентрации молекул пара и скорости их теплопередачи. Это напрямую связано с температурой. Поэтому можно сделать вывод, что если жидкость и пар находятся в равновесии, то концентрация молекул определяется температурой равновесия. При повышении температуры для выравнивания скорости испарения и конденсации требуется более высокая концентрация молекул пара.
Как уже было установлено, концентрация и температура определяют давление пара (газа), поэтому можно сформулировать следующие утверждения
Давление насыщенного пара p 0 конкретного вещества не зависит от опухоли, но напрямую связано с температурой.
По этой причине реальная изотерма газа на плоскости содержит горизонтальные фрагменты, соответствующие двухфазной системе.
Рис. 3. 4. 2. Изотерма реального газа. Область I — жидкость, область I — двухфазная система жидкость + насыщенный пар и область I I I — газообразное вещество. K — это важный момент.
При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность увеличиваются, тогда как плотность жидкости уменьшается вследствие теплового расширения. При достижении критической температуры для конкретного вещества плотности жидкости и газа становятся равными. Как только эта точка пройдена, естественная разница между насыщенным паром и жидкостью исчезает.
Для перехода из газа в жидкость нет необходимости проходить через двухфазные области. Этот процесс также может обойти критические точки. На рисунке такой вариант обозначен пунктирной линией A B c.
Рис. 3. 4. 3. Изотермическая модель реального газа.
Вдыхаемый воздух всегда содержит водяной пар под некоторым давлением. Это давление обычно меньше, чем давление насыщенного пара.
Относительная влажность воздуха является причиной парциального давления по отношению к давлению насыщенного водяного пара.
В типовой форме это можно записать следующим образом.
Для учета ненасыщенных паров также допустимо использовать законное уравнение для идеального газа, принимая во внимание обычные ограничения фактического газа. Это указывается для каждого конкретного вещества.
Закон идеального газа применяется для описания насыщенного пара. Однако давление при каждой температуре должно быть определено по кривой равновесия для данного вещества.
Чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара. Это соотношение не может быть получено из закона идеального газа. Если концентрация молекул постоянна, то давление газа постоянно увеличивается прямо пропорционально температуре. Если пар насыщенный, то с повышением температуры увеличивается не только концентрация, но и средняя кинетическая энергия молекул. Чем выше температура, тем быстрее увеличивается давление насыщенного пара. Этот процесс происходит быстрее, чем увеличение давления идеального газа, если количество молекул постоянно.
Что такое кипение
Выше было отмечено, что испарение происходит в основном с поверхности, но может происходить и из объема жидкости. Каждая жидкость содержит маленькие пузырьки газа. Если внешнее давление (т.е. давление газа внутри него) равно давлению насыщенного пара, жидкость в пузырьке испаряется, наполняется паром и начинает всплывать на поверхность. Этот процесс известен как кипячение. Поэтому температура кипения зависит от внешнего давления.
Жидкость начинает кипеть при температуре, при которой давление равно внешнему давлению насыщенного пара.
При нормальном атмосферном давлении для закипания воды требуется 100°C. При этой температуре давление насыщенного пара составляет 1 A T м. При кипячении воды в горах температура кипения снижается до 70 °C из-за падения атмосферного давления.
Жидкости могут кипеть только в открытых емкостях. При плотном закрытии нарушается баланс между жидкостью и ее насыщенным паром. Кривая равновесия показывает температуру кипения при различных давлениях.
Жидкость выделяется через поры кожи, где она быстро испаряется. Это немедленно снимает избыток энергии и охлаждает тело, нормализуя температуру. Некоторые животные инстинктивно пытаются усилить этот процесс — например, собаки открывают пасть и делают языки, когда им жарко.
Какими способами можно ускорить процесс?
Ускорить процесс испарения очень просто. Главное — распознать зависимость от определенных физических факторов.
Увеличение площади поверхности
Для увеличения скорости парового слоя достаточно выбрать сосуд с большой открытой поверхностью. Опыт показывает, что одинаковое количество воды быстрее испаряется из большого тазика, чем из чайника.
Это связано с тем, что бассейн имеет большую поверхность и поэтому может освободить ее за одно и то же время. Размер поверхности также влияет на степень нагрева.
Нагрев
Испарение можно ускорить путем повышения температуры. При повышении температуры плотность жидкости уменьшается, тем самым увеличивая внутреннюю поверхность вещества. Увеличение поверхности увеличивает скорость молекул и уменьшает их внутреннее сопротивление.
Увеличение скорости молекул повышает кинетическую энергию, необходимую для преодоления поверхностных препятствий в виде упругости, взаимного притяжения и цены атмосферного давления, тем самым ускоряя испарение.
Увеличить обмен воздуха над поверхностью
Испарение можно увеличить, сняв крышку контейнера с нагревательным раствором. Молекулы могут быстрее покидать поверхность без конденсации.
Дальнейшее увеличение скорости движения воздуха способствует ускорению процесса испарения. В проветриваемом помещении вода в открытой емкости закипает гораздо быстрее. Движение воздуха увеличивает количество молекул, покидающих поверхность воды, а также снижает общую влажность воздуха.
Уменьшение давления воздуха
Давление воздуха значительно уменьшается с высотой. Это также влияет на ускорение парообразования. На вершине Эвереста испарение воды начинается при температуре кипения 65°C. На поверхности температура кипения составляет 100°C.
Давление воздуха можно уменьшить, ускорив циркуляцию воздуха. В лабораториях для этих целей используются вытяжные шкафы. Его можно использовать и в домашних условиях. Простое открытие вытяжки над открытым чайником приводит к более быстрому испарению воды.
Снижение скорости
Существует несколько факторов, которые в основном снижают скорость движения парового слоя.
- Состав вещества. Если в жидкости растворено постороннее вещество, то скорость парообразования снизится из-за необходимости прогрева постороннего элемента. То же самое происходит и с нерастворенными, твердыми и кристаллическими веществами. Например, с солью. При нагреве вода отдает часть тепловой энергии соли для ее прогревания.
- Циркуляция жидкости. Движение жидкости не способствует быстрому образованию пара. Это связано также с охлаждением при движении воды и передачей тепловой энергии на стенки сосуда. Примером подобной зависимости может стать система охлаждения двигателя автомобиля.
- Снижает парообразование насыщение паром воздуха. Если закрыть крышку сосуда с кипящей водой, образуется насыщенный пар. Такой пар находится в термодинамическом равновесии с водой. Это значит, что в пар превращается столько же воды, сколько конденсируется из состояния пара обратно в воду. Конденсация проходит при разнице температур: возвращающаяся вода снизит температуру кипения.
Скорость образования пара снижается из-за разницы температур между нагреваемой водой и окружающей средой. Таким образом, при нулевой температуре вода нагревается и испаряется. Размер водной поверхности играет противоположную роль. Чем меньше размер поверхности, тем меньше влияние низких температур и тем меньше скорость охлаждения поверхности.
Какой метод, ускоряющий испарение воды, самый эффективный?
Повышение температуры воды является наиболее эффективным способом увеличения скорости парообразования. Этот метод является относительным только в бытовых условиях.
В лабораторных условиях эффективным методом является кипячение воды в вакууме. Полное отсутствие внешнего давления способствует наиболее быстрому испарению при температуре 29 градусов Цельсия.
Чтобы ответить на этот вопрос, проведите следующий эксперимент. Поместите кристаллы йода в пробирку и нагрейте их в пламени со спиртом. Через некоторое время вы заметите, что кристаллы йода испаряются.
Вода необходима для возникновения и поддержания жизни на Земле, для химической структуры живых организмов и для формирования климата и погоды. Это самое важное вещество для всех живых существ на нашей планете. Вода уникальна. Это единственное вещество, которое можно наблюдать в трех совокупных ситуациях: твердом, жидком и газообразном состоянии. Из ежедневных наблюдений мы знаем, что количество воды, эфира, бензина и других жидкостей в открытой таре постепенно уменьшается. На самом деле, жидкости не могут исчезнуть бесследно, а превращаются в пар. Явление преобразования жидкости в пар известно как паровой слой. (1)
Испарение — это образование пара с поверхности жидкости. Известно, что молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Во время испарения более быстрые молекулы покидают жидкость, поскольку они могут преодолеть притяжение соседних молекул. Средняя скорость молекул, оставшихся в контейнере, меньше. По мере того как все больше молекул выскакивает из возвращающихся, жидкость испаряется. Некоторые молекулы приобретают достаточную скорость, чтобы оторваться от поверхности жидкости.
Скорость испарения жидкости зависит от следующего
- рода жидкости;
- площади поверхности жидкости;
- температуры жидкости;
- скорости движения окружающего воздуха;
Соответствие рассмотренных физических явлений выбранной теме
1. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости
Я заварил две чашки чая: красный холодный и белый горячий. Через некоторое время я заметил, что горячий чай испаряется быстрее, чем холодный. С точки зрения молекулярной физики, молекулы в горячем чае движутся быстрее и быстрее покидают поверхность жидкости, что приводит к более быстрому испарению.
Вывод: испарение зависит от температуры жидкости.
2. Скорость испарения зависит от рода жидкости
Я наполнил два стакана горячим чаем. Я добавил молоко в чай в большой красный стакан и немного двойных сливок в маленький стакан. Через некоторое время я заметил, что чай со сливками почти испарился. С точки зрения молекулярной физики, двойной крем увеличивает не только плотность жидкости, но и силу притяжения молекул внутри. Поэтому молекулы горячего чайного крема с одинаковой скоростью движения с меньшей вероятностью покинут поверхность из-за сил притяжения внутри жидкости.
Вывод: испарение зависит от типа жидкости.
3. При ветре, который уносит молекулы пара, испарение происходит быстрее
Я налил две чашки горячего чая и начал дуть на поверхность, создавая воздушную струю, которая увлекала за собой испарившиеся молекулы. Чем выше скорость ветра, тем выше скорость испарения, так как воздушный поток оттягивает влагу от поверхности, в результате чего воздух становится более сухим.
Вывод: испарение зависит от скорости рассеивания испаряющихся молекул в воздухе.
Зная, от чего зависит скорость испарения, можно объяснить, почему, например, кто-то наливает чай из стакана на тарелку, дует в горячий суп или грелку и обмахивается веером. (1)
Интересные факты
‘Распространено мнение, что процесс испарения — это процесс охлаждения.
Когда самые быстрые и, следовательно, самые энергичные молекулы покидают жидкость, общая энергия жидкости уменьшается. Таким образом, жидкость охлаждается. Если в помещении есть электричество, вы почувствуете холод, как только выйдете из ванной, даже если температура будет достаточно высокой. Прохлада «пронизывает» комнату.
Если вы подуете на руки, вы почувствуете прохладу, даже если ваше дыхание теплое, а руки не влажные. Взрыв ускоряет испарение небольшого количества воды, постоянно находящейся на коже. Когда вы дуете, вы будете казаться круче.
Я заметил повторяющийся процесс испарения — мокрые полы высыхают, так же как и веревочная стирка.
Если вы хотите ускорить испарение, нагрейте жидкость или подуйте на нее. Именно поэтому появился фен.
Если говорить о практическом применении явления выхлопа, то можно отметить, что выхлоп, который сразу же испарялся, применялся для работы с хладагентами. В более теплых странах допустимо хранить воду в глиняных емкостях. Вода всегда холоднее, потому что она испаряется со стенок емкости, а если глина скрашивает тепло, то теплообмен с окружающей средой слабее. При поездке на поезде летом очень легко получить достаточное количество холодной воды из горячей. Для этого бутылку с водой можно завернуть во влажную марлю и поместить в окно движущегося поезда. Через 10-20 минут вода станет холодной. (5)
