Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение ее при конденсации пара

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.

В природе вещества могут быть в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из первого во второе и наоборот можно наблюдать ежедневно, особенно зимой. Однако превращение жидкости в пар, которое известно как процесс испарения, часто не видно глазу. При кажущейся незначительности оно играет важную роль в жизни человека. Итак, давайте узнаем об этом подробнее.

Испарение - это что такое

Каждый раз, решив вскипятить чайник для чая или кофе, можно наблюдать, как, достигнув 100 °С, вода превращается в пар. Именно это и является практическим примером процесса парообразования (перехода определенного вещества в газообразное состояние).

Парообразование бывает двух видов: кипение и испарение. На первый взгляд они идентичны, но это распространенное заблуждение.

Испарение - это парообразование с поверхности вещества, а кипение - со всего его объема.

Испарение и кипение: в чем разница

Хотя и процесс испарения, и кипение, оба способствуют переходу жидкости в газообразное состояние, стоит помнить о двух важных отличиях между ними.

• Кипение - это активный процесс, который происходит при определенной температуре. Для каждого вещества она уникальна и может меняться только при понижении атмосферного давления. При нормальных условиях для кипения воды нужно 100 °С, для рафинированного подсолнечного масла - 227 °С, для нерафинированного - 107 °С. Спирту, чтобы закипеть, наоборот, нужна более низкая температура - 78 °С. Температура же испарения может быть любой и оно, в отличие от кипения, происходит постоянно.
• Вторым существенным отличием между процессами является то, что при кипении парообразование происходит по всей толще жидкости. Тогда как испарение воды или других веществ происходит только с их поверхности. Кстати, процесс кипения всегда одновременно сопровождается и испарением.

Процесс сублимации

Считается, что испарение - это переход из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Однако в редких случаях, минуя жидкое, возможно испарение прямо из твердого состояния в газообразное. Такой процесс называется сублимацией.

Это слово знакомо всем, кто хоть раз заказывал кружку или футболку с любимой фотографией в фотосалоне. Для перманентного нанесения изображения на ткань или керамику как раз и используется этот вид испарения, в честь него печать такого рода называется сублимационной.

Также такое испарение часто используется для промышленной сушки фруктов и овощей, изготовления кофе.

Хотя сублимация встречается намного реже, нежели испарение жидкости, иногда ее можно наблюдать в быту. Так, вывешенное сушиться зимой постиранное влажное белье - мгновенно замерзает и становится твердым. Однако постепенно эта жесткость уходит, и вещи становятся сухими. В данном случае вода из состояния льда, минуя жидкую фазу, переходит сразу в пар.

Как происходит испарение

Как и большинство физических и химических процессов, главную роль в процессе испарения играют молекулы.

В жидкостях они расположены очень близко друг к другу, но при этом они не имеют фиксированного места расположения. Благодаря этому они могут «путешествовать» по всей площади жидкости, причем с разными скоростями. Это достигается благодаря тому, что во время движения они сталкиваются между собой и от этих столкновений их скорость меняется. Став достаточно быстрыми, самые активные молекулы получают возможность подняться на поверхность вещества и, преодолев силу притяжения других молекул, покинуть жидкость. Так происходит испарение воды или другого вещества и образуется пар. Не правда ли, немного напоминает полет ракеты в космос?

Хотя из жидкости в пар переходят самые активные молекулы, однако оставшиеся их «собратья» продолжают пребывать в постоянном движении. Постепенно и они приобретают необходимую скорость, чтобы преодолеть притяжение и перейти в другое агрегатное состояние.

Постепенно и постоянно покидая жидкость, молекулы задействуют для этого ее внутреннюю энергию и она уменьшается. А это напрямую влияет на температуру вещества - она понижается. Именно поэтому количество остывающего чая в чашке немного уменьшается.

Условия испарения

Наблюдая за лужами после дождя, можно заметить, что некоторые из них высыхают быстрее, а некоторые дольше. Поскольку их высыхание является процессом испарения, то можно на данном примере разобраться с условиями, необходимыми для этого.

• Скорость испарения зависит от типа испаряемого вещества, ведь каждое из них имеет уникальные особенности, влияющие на время, за которое его молекулы полностью перейдут в газообразное состояние. Если оставить открытыми 2 идентичных флакона, наполненных одинаковым количеством жидкости (в одном спирт С2Н5ОН, в другом - вода Н2О), то первая емкость опустеет быстрее. Поскольку, как уже было сказано выше, температура испарения у спирта ниже, а значит, он быстрее испарится.
• Второе, от чего зависит испарение, - температура окружающей среды и температура кипения испаряемого вещества. Чем выше первая и ниже вторая, тем быстрее жидкость сможет ее достигнуть и перейти в газообразное состояние. Именно поэтому при проведении некоторых химических реакций с участием испарения вещества специально нагреваются.
• Еще одним условием, от чего зависит испарение, является площадь поверхности вещества, с которого оно происходит. Чем она больше, тем быстрее происходит процесс. Рассматривая различные примеры испарения, можно снова вспомнить о чае. Его часто переливают в блюдце, чтобы охладить. Там напиток быстрее остывал, потому что увеличивалась площадь поверхности жидкости (диаметр блюдца больше диаметра чашки).
• И снова о чае. Известен еще одни способ быстрее его остудить - подуть на него. Каким образом можно заметить, что наличие ветра (движения воздуха) - это то, от чего также зависит испарение. Чем выше скорость ветра, тем быстрее молекулы жидкости перейдут в пар.
• Также влияет на интенсивность испарения атмосферное давление: чем оно ниже, тем быстрее молекулы переходят из одного состояния в другое.

Конденсация и десублимация

Превратившись в пар, молекулы не перестают двигаться. В новом агрегатном состоянии они начинают сталкиваться с молекулами воздуха. Из-за этого иногда они могут возвращаться в жидкое (конденсация) или твердое (десублимация) состояние.

Когда процессы испарения и конденсации (десублимации) равносильны между собой, это называют динамическим равновесием. Если газообразное вещество находится в динамическом равновесии со своей жидкостью аналогичного состава, его называют насыщенным паром.

Испарение и человек

Рассматривая различные примеры испарения, нельзя не вспомнить влияние этого процесса на организм человека.

Как известно, при температуре тела 42,2 °С белок в крови человека сворачивается, что ведет к смерти. Нагреваться человеческое тело может не только из-за инфекции, но и при выполнении физического труда, занятий спортом или во время пребывания в жарком помещении.

Организму удается сохранить приемлемую для нормальной жизнедеятельности температуру, благодаря системе самоохлаждения - потоотделению. Если температура тела повышается, через поры кожи выделяется пот, а потом происходит его испарение. Этот процесс помогает «сжечь» лишнюю энергию и способствует охлаждению организма и нормализации его температуры.

Кстати, именно поэтому не стоит безоговорочно верить рекламам, которые преподносят пот как главное бедствие современного общества и пытаются продать наивным покупателям всевозможные вещества для избавления от него. Заставить организм меньше потеть, не нарушая его нормальной работы, нельзя, а хороший дезодорант способен лишь маскировать неприятный запах пота. Поэтому, используя антиперспиранты, различные присыпки и пудры, можно нанести организму непоправимый вред. Ведь эти вещества забивают поры или сужают выводные протоки потовых желез, а значит, лишают тело возможности контролировать свою температуру. В случаях, если использование антиперспирантов все же необходимо, предварительно стоит проконсультироваться с врачом.

Роль испарения в жизни растений

Как известно, не только человек на 70% состоит из воды, но и растения, а некоторые, вроде редиса, и на все 90%. Поэтому испарение также важно и для них.

Вода является одним из главных источников попадания полезных (и вредных тоже) веществ в организм растения. Однако, чтобы эти вещества могли усвоиться, необходим солнечный свет. Вот только в жаркие дни солнце способно не просто нагреть растение, но и перегреть, тем самым погубив его.

Чтобы этого не произошло, представители флоры способны самоохлаждаться (похоже на человеческий процесс потоотделения). Иными словами при перегреве растения испаряют воду и таким образом охлаждаются. Поэтому поливу садов и огородов уделяется летом так много внимания.

Как используют испарение в промышленности и в быту

Для химической и пищевой промышленности испарение - это незаменимый процесс. Как уже было сказано выше, оно не только помогает производить дегидратацию многих продуктов (испарять влагу из них), что увеличивает срок их хранения; но также помогает изготавливать идеальные диетические продукты (меньше веса и калорий, при большем содержании полезных веществ).

Также испарение (в особенности сублимация) используется для очистки различных веществ.

Еще одной сферой применения является кондиционирование воздуха.

Не стоит забывать и о медицине. Ведь процесс ингаляции (вдыхание пара, насыщенного лечебными препаратами) основан тоже на процессе испарения.

Опасные испарения

Однако, как и у всякого процесса, у этого есть и негативные стороны. Ведь превращаться в пар и вдыхаться людьми и животными могут не только полезные вещества, но и смертельно опасные. А самое печальное в том, что они - невидимы, а значит, человек не всегда знает, что подвергся воздействию токсина. Именно поэтому стоит избегать пребывания без защитных масок и костюмов, на заводах и предприятиях, работающих с опасными веществами.

К сожалению, вредные испарения могут подстерегать и дома. Ведь если мебель, обои, линолеум или другие предметы изготовлены из дешевых материалов с нарушениями технологии, они способны выделять токсины в воздух, которые и будут постепенно «травить» своих хозяев. Поэтому при покупке любой вещи, стоит просматривать сертификат качества материалов, из которых она изготовлена.

При вылете из жидкости молекулы преодолевают силы притяжения со стороны оставшихся молекул, т. е. совершают работу против этих сил. Не все молекулы жидкости могут совершить необходимую работу, а только те из них, которые обладают достаточной для этого кинетической энергией, достаточной скоростью.

Но если из жидкости выходят при испарении наиболее быстрые молекулы, то средняя скорость остальных молекул жидкости становится меньше, - следовательно, и средняя кинетическая энергия остающихся в жидкости молекул уменьшается. Это означает, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.

Охлаждение жидкости при испарении можно наблюдать на опыте. Для этого нужно обмотать шарик термометра ватой (или кусочком материи) и полить ее эфиром. Быстро испаряющийся эфир отнимает часть внутренней энергии от шарика термометра, вследствие чего температура последнего понижается. Если эфиром смочить руку, то мы будем ощущать охлаждение руки.

Выходя из воды даже в жаркий день, мы чувствуем холод. Вода, испаряясь с поверхности нашего тела, отнимает от него некоторое количество теплоты.

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 температура воды поддерживается постоянной за счет количества теплоты, поступающего из окружающего воздуха. Значит, чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Так, чтобы испарить воду массой 1 кг при температуре 35°С, требуется 2,4 10 6 Дж, а для испарения эфира массой 1 кг, взятого при той же температуре (35 °С),- 0,4 10 6 Дж энергии.

Испарение имеет большое значение в жизни животных. Затруднение испарения нарушает теплоотдачу и может вызвать перегревание тела.

Мы говорили, что процесс перехода молекул из пара в жидкость называют конденсацией. Конденсация пара сопровождается выделением энергии. Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся в воздухе, при охлаждении воздуха оседает на траве и листьях в виде маленьких капелек воды.

Конденсацией пара объясняется образование облаков. Пары воды, поднимающиеся над землей, образуют в верхних, более холодных слоях воздуха облака, состоящие из мельчайших капелек воды.

Вопросы.

1. Какую работу совершают молекулы, выходящие из жидкости при испарении?
2. Как объяснить понижение температуры жидкости при ее испарении?
3. Как можно на опыте показать охлаждение жидкости при испарении?
4. Как можно объяснить, что при одних и тех же условиях одни жидкости испаряются быстрее , другие - медленнее?
5. При каких условиях происходит конденсация пара?
6. Какие явления природы объясняются конденсацией пара?

Упражнения.

1. В какую погоду скорее просыхают лужи от дождя: в тихую или ветреную? в теплую или холодную? Как это можно объяснить?
2. Почему горячий чай остывает скорее, если на него дуют?
3. Выступающий в жару на теле пот охлаждает тело. Почему?
4. Почему в сухом воздухе переносить жару легче, чем в сыром?
5. Чтобы получить прохладную воду в летнюю жару, ее наливают в сосуды, изготовленные из слабообожженной глины, сквозь которую вода медленно просачивается. Вода в таких сосудах холоднее окружающего воздуха. Почему?
6. Небольшое количество воды находится в стакане и такое же количество воды находится в блюдце. Где быстрее вода испарится? Почему?
7. На стекло или доску кисточкой наносят мазки различных жидкостей: эфира, спирта, воды и масла. Наблюдая за мазками, замечают, что жидкости испаряются с разной скоростью. Проделайте такой опыт и объясните его.
8. Для чего летом после дождей или полива приствольные круги плодовых деревьев покрывают слоем перегноя, навоза или торфа?

Молекулярно-кинетическая теория позволяет объяснить условия, ускоряющие процесс испарения. Чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше число вылетающих молекул, тем быстрее происходит испарение.
Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул обладает достаточной для вылета из жидкости кинетической энер-
Конденсация пара
Вылетевшая с поверхности жидкости молекула принимает участие в хаотическом тепловом движении молекул пара. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость. Этот процесс превращения пара в жидкость, обратный процессу испарения, называют конденсацией (от позднелатинского слова condensatio - уплотнение, сгущение). Если поток воздуха над сосудом (ветер) уносит с собой образовавшиеся пары жидкости, то жидкость испаряется быстрее, так как уменьшаются шансы молекулы пара вновь вернуться в жидкость.
Охлаждение при испарении
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 сублимаци- е й 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. Ес-ли 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.

На данном уроке мы изучим понятия испарения и конденсации. Эти два процесса встречаются повсеместно: при сушке белья, выпадении росы, приготовлении еды. Мы рассмотрим факторы, которые влияют на испарение и конденсацию, а также рассмотрим различные примеры.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение её при конденсации пара

На этом уроке мы рассмотрим вопрос, связанный с испарением, а также с поглощением энергии при испарении жидкости и с выделением энергии при конденсации пара.

На предыдущих уроках мы рассматривали различные процессы и, в частности, говорили о плавлении, о нагревании тел, об отвердевании или кристаллизации тел.

Сегодня мы рассмотрим процессы, при которых образуется пар (разновидность газа) или газ.

Давайте вспомним схему, по которой происходят различные процессы превращения агрегатных состояний (Рис. 1).

Рис. 1.

Парообразование может происходить двумя способами: кипение и испарение . Как правило, указывают первый способ - кипение.

На сегодняшнем уроке мы подробно рассмотрим второй способ парообразования: испарение.

Определение

Испарение - это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. То есть тогда, когда поверхность жидкости открыта и с поверхности начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Вспомним, для начала, схему, на которой представлена картина превращений одного состояния вещества в другое состояние.

Таблица, в которой описаны названия процессов переходов между агрегатными состояниями вещества, выглядит следующим образом:

Процесс испарения происходит не мгновенно, поэтому мы говорим, что испарение - процесс непрерывный и, соответственно, испарение жидкости происходит в течение некоторого времени.

Как происходит испарение?

Рассмотрим поверхность жидкости. Мы знаем, что жидкость состоит из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении. Соответственно, может найтись такая частица данного вещества, у которой скорость (а, соответственно, и энергия) будет достаточно велика для того, чтобы преодолеть притяжение своих соседей и покинуть жидкость, то есть перейти в газообразное состояние. Поэтому говорят, что испарение происходит со свободной поверхности.

Рассмотрим факторы, которые влияют на испарение (в частности, его скорость).

1. Строение вещества

В первую очередь испарение связано со строением самого вещества. Можно привести следующий пример: возьмём две бумажные салфетки, смочим одну салфетку водой, а другую - эфиром. Можно заметить, что та салфетка, которая смочена эфиром, высохнет гораздо быстрее. Это объясняется тем, что сила взаимодействия между молекулами эфира гораздо меньше, чем сила взаимодействия между молекулами воды. И поэтому испарение происходит у эфира быстрее.

2. Площадь поверхности

Площадь свободной поверхности жидкости играет очень важную роль: если площадь поверхности достаточно большая, то количество частиц, покидающих жидкость, будет, конечно же, больше, и в этом случае испарение будет происходить быстрее. Можно привести такой пример: если в блюдце налить воду и такое же количество воды налить в стакан, то из блюдца испарение будет происходить гораздо быстрее (Рис. 2). Другой пример: все знают, что бельё, перед тем как его повесить сушиться, встряхивают и расправляют. В этом случае площадь белья увеличивается, соответственно, площадь испарения также увеличивается, и сам процесс испарения происходит быстрее.

Рис. 2. Блюдце и стакан с водой () ()

3. Температура

Ещё одно явление, которое влияет на испарение, - это изменение температуры. Чем температура выше, тем быстрее происходит испарение. То есть, нагревая тело, мы можем увеличивать скорость процесса испарения, ускорять его, или, наоборот, если мы будем понижать температуру, то процесс испарения будет замедляться. Объясняется это тем, что с увеличением температуры возрастает скорость движения частиц. А раз скорость движения возрастает, то большее количество частиц может покинуть жидкость и перейти в газообразное состояние.

Поскольку движение частиц происходит непрерывно, то процесс испарения также непрерывен. Поскольку при любой температуре движение частиц не прекращается, то и испарение может происходить практически при любой температуре. Поэтому испарение происходит даже при низкой температуре. Например, лужи на улице высыхают не только летом, когда жарко, но и осенью, когда холодно (Рис. 3). Отличается лишь скорость высыхания луж.

Возникает вопрос: что можно сказать об энергии жидкости при испарении? Так как жидкость покидают наиболее быстрые частицы, то они обладают большей кинетической энергией. Следовательно, в целом энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Пояснить это можно на следующем примере: возьмём несколько человек, построим их в ряд и измерим их средний рост. Затем из этого строя уберём самых высоких и снова измерим средний рост. В результате, вполне логично, получится меньшее значение. То же самое происходит и с энергией. Каждый раз частицы с наибольшей энергией уходят из жидкости, и внутренняя энергия жидкости уменьшается.

Однако в жизни это охлаждение мы замечаем крайне редко. С чем же это связано? Это происходит из-за того, что жидкость сообщается с окружающими телами, в первую очередь, конечно, с воздухом, и поэтому, охлаждаясь, одновременно получает энергию из окружающих тел, то есть из воздуха. В результате этого «теплообмена» температура поддерживается на одном уровне. А испарение происходит с приблизительно одинаковой интенсивностью.

4. Ветер

Следующий фактор, который влияет на испарение, - это наличие ветра. Представьте себе, что над поверхностью жидкости образуется газ. Процесс испарения, как мы выяснили, продолжается непрерывно. Но точно так же будет происходить процесс возвращения молекул обратно в жидкость. Если же дует ветер, то он уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и не даёт им вернуться обратно в жидкость. В этом случае процесс испарения ускоряется, то есть скорость испарения возрастает.

Очень важно заметить и то, что в быту часто встречается так называемое испарение в закрытых сосудах. К примеру, если взять кастрюлю, в которой находится вода, то на поверхности крышки с внутренней стороны образуются капельки воды. То есть, поскольку внутри кастрюли ветра нет, то процесс испарения и возвращения молекул обратно в жидкость в данном случае выравнивается. Вот такое состояние называют динамическим равновесием .

Определение

Динамическое равновесие - это состояние системы «пар - жидкость», при которой количество молекул, вышедших из жидкости (перешедших в пар), равно количеству молекул, которое вернулось из пара обратно в жидкость.

Если же преобладает испарение над возвращением частиц обратно в жидкость, то такой пар, который находится над жидкостью, называется ненасыщенным .

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным .

При динамическом равновесии общая масса системы «пар - жидкость» не меняется: количество молекул, которые «вылетели» с поверхности жидкости, равно количеству молекул, которые «вернулись». Поэтому в целом масса всей системы «пар - жидкость» не изменяется.

Кроме испарения существует и обратный ему процесс, который называется конденсацией (от латинского - «сгущаю»).

То есть, конденсация - это процесс перехода пара (газа) в жидкость. Этот процесс происходит всегда с выделением количества теплоты (так как внутренняя энергия вещества уменьшается). То есть температура окружающих тел будет повышаться (жидкость передаёт избыточную энергию окружающим телам).

Конденсация происходит так же непрерывно, как и испарение. Точнее, можно сказать, что эти два процесса происходят одновременно, непрерывно.

Подтверждением этого, например, является образование облаков, ведь облака - это сконденсированная жидкость. Выпадение росы или, например, дождь, который идёт, - это всё процессы, которые связаны с конденсацией.

Отметим, что существует испарение не только с поверхности жидкостей, но и твёрдых тел. Для этого существует наглядный пример: если зимой мокрое бельё повесить на улице, то оно замёрзнет, то есть покроется коркой льда. Но, через некоторое время выяснится, что бельё сухое, то есть вода, даже в твёрдом состоянии, куда-то исчезла. Это и есть процесс испарения твёрдого тела, в данном случае льда. Встречаются испарения и других веществ, например, нафталина. Запах нафталина, который мы чувствуем, говорит о том, что нафталин также способен к испарению.

На следующем уроке мы рассмотрим вопросы, связанные с другим процессом перехода из жидкого состояния в газообразное - парообразованием.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
2. Сайт учителя информатики ().
3. Продленка ().

Домашнее задание

1. П. 16, вопросы 1-8, упр. 9 (1-7). Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. При какой температуре происходит испарение воды?
3. Почему мокрое бельё на ветру сохнет быстрее?
4. Почему жидкость при испарении охлаждается?