Испарение воды что это
Суть понятия
Основное определение испарения — переход из жидкости в газ. Это термодинамический процесс, обусловленный хаотичным движением молекул тел в определённых агрегатных состояниях. Благодаря его существованию количество воды, масла, эфира, бензина или любого другого жидкого вещества в незакрытой ёмкости будет непрерывно уменьшаться с течением времени.
С точки зрения физики, испарение можно объяснить разницей температур на грани фазового перехода — жидкость обычно холоднее окружающего воздуха. Если других внешних влияний нет, испарение происходит медленно. Молекулы покидают воду в результате диффузии, переходя через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газообразных веществ поверхность раздела фаз массового потока.
Основное отличие испарения от других форм парообразования заключается в том, что оно происходит только с поверхности. Атомы и молекулы меняют агрегатное состояние постепенно, испаряясь небольшими слоями. Впрочем, несмотря на это, с течением времени вся жидкость может постепенно испариться.
Другая отличительная черта процесса — возможность разной направленности тепловых потоков. Они могут идти:
Направленность потоков зависит от температуры воздуха, фазового раздела и самой жидкости. Соотношения этих трёх величин по-разному учитываются в формуле испарения. От них зависит его скорость, направленность теплообмена и другие факторы. Для вычисления величины используются также экспериментальные коэффициенты, полученные путём опытов. Они уникальны для каждого вещества или смеси и обусловлены их химическим составом.
Испарение на молекулярном уровне
В жидких веществах молекулы расположены почти вплотную друг к другу, но не связаны, как в твёрдых субстанциях. Из-за этого они находятся в непрерывном движении, случайным образом сталкиваются друг с другом, меняют направление и скорость движения. Частицы, оказавшиеся близко к поверхности, со временем могут покинуть её, проникнув через зону фазового перехода.
Таким образом, испарение обусловлено непрерывным движением молекул. Если они обладают достаточной кинетической энергией и скоростью, то часть из них может сорваться с поверхности воды, преодолевая притяжение соседних частиц. Некоторые отражаются и возвращаются, другие вырываются в газовую среду и навсегда покидают вещество. Процесс повторяется с новыми (теперь тоже поверхностными) частицами, пока вся жидкость не станет газообразной.
В процессе жидкость теряет часть своей энергии, из-за чего снижается также её температура — это обусловлено тем, что первыми её покидают самые быстрые (а значит, и обладающие наибольшей кинетической силой) молекулы. В результате наблюдается явление, называемое испарительным охлаждением жидкости. Этим объясняется то, что человеку быстро становится холодно в мокрой одежде, даже если ту облить тёплой водой. При комнатной температуре явление проявляется слабо, поскольку жидкость компенсирует теряемое тепло теплообменом с окружающим воздухом.
Отличия от кипения и сублимации
Испарение нередко путают с кипением. Оба процесса являются разновидностями парообразования, то есть превращения жидкого вещества в газообразное. Разница состоит в том, что закипание — гораздо более активный и быстрый процесс, смена агрегатного состояния при котором наблюдается невооружённым глазом.
Кипение — постоянный процесс, обусловленный определёнными закономерностями в движении молекул. Их отрыв от поверхности при этом явлении происходит постоянно и не зависит от случайностей при движении. Кроме того, смена агрегатного состояния при кипении происходит с жидкостью по всей толще, а не только на поверхности. Это можно заметить на практике — при закипании воды в её толще образуются пузырьки, поднимающиеся на поверхность из-за разницы масс.
Кипение всегда сопровождается испарением, потому во многом они взаимосвязаны. Особняком стоит явление сублимации — перехода вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую стадию. Это явление сопровождается разрывом молекулярных связей в результате внешнего подвода энергии (обычно через нагревание).
В природе сублимация наблюдается редко. Иногда её можно наблюдать при быстром таянии льда — например, замёрзшая мокрая одежда при потеплении мгновенно высыхает.
Факторы, влияющие на скорость процесса
Учёные заметили, что процесс происходит по-разному при изменяющихся свойствах жидкости и условиях внешней среды. Они выделили основные факторы, влияющие на испарение:
Факторы, способные повлиять на скорость испарения, известны большинству из повседневных примеров. Далёкие предки современных людей применяли их для сушки одежды, охлаждения жидкостей и других задач.
Роль явления
Испарение и кипение — очень распространённые физические явления, без которых стала бы невозможной нормальная жизнь на земле. Люди ежедневно сталкиваются с ним в быту, а также используют в промышленности, технике, энергетике и других сферах жизнедеятельности. Кроме того, фазовый переход жидкости и газа играет важную роль в существовании живых организмов и экосистеме планеты в целом.
В организме человека, животных и растений
Испарение играет важную роль в процессе саморегуляции температуры тела человека и большинства млекопитающих. Поскольку чрезмерное тепло для них вредно или даже смертельно (при 42,2 °C в крови происходит свёртывание белка, что приводит к быстрой смерти), в процессе эволюции организм разработал систему самоохлаждения — потоотделение. Она задействуется при пребывании в жарких или душных помещениях, тяжёлом физическом труде, болезнях.
Через поры на коже выделяется жидкость, которая затем быстро испаряется. Это позволяет быстро избавиться от лишней энергии и охладить тело, нормализовав температуру. Некоторые животные инстинктивно пытаются усилить этот процесс — например, собаки в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык.
Представители флоры обладают похожим защитным механизмом. Чтобы не перегреться на солнце, они запускают процесс испарения ранее поглощённой воды, тем самым охлаждаясь. Поэтому в летнюю пору садоводы усиленно поливают культурные растения, предотвращая их засыхание или выгорание в самые жаркие дни.
В природе и окружающей среде
Роль испарения и конденсации (превращение газа обратно в жидкость) в природе трудно переоценить. Они лежат в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему необходимыми питательными веществами, спасает водоёмы от пересыхания, а животных и растений — от вымирания. Только благодаря этому явлению жизнь на земле может существовать в нынешнем виде.
Испарение большого количества воды с поверхности морей, океанов, рек и озёр приводит к появлению дождевых туч, которые разносят влагу по всему миру и питают окружающую среду. Это же явление препятствует затоплению и заболачиванию участков (особенно зимой, когда тают снега и льды), возвращая лишнюю воду обратно в мировой океан.
Благодаря испарению возможно такое явление, как запахи. Животные используют его во множестве сфер своей жизни — от охоты и поиска пищи до размножения и общения. Оно также помогает представителям фауны распознавать опасность в виде хищников или огня и дыма, обнаруживать токсичные вещества в атмосфере.
В быту и промышленности
Испарение широко применяется в бытовой жизни людей, а также в создании сложных механизмов и промышленных машин. Некоторые примеры использования этого процесса:
Промышленная техника, использующая испарение для работы, строится по одной и той же схеме. В ней максимально увеличивается площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наилучший теплообмен с газовой средой. Это достигается за счёт разделения воды на отдельные струи и капли, а также образования тонких плёнок вещества на внутренней поверхности и насадках. Газ в приборах разгоняется, что также улучшает эффективность охлаждения.
Испарение
Испаре́ние — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.
Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.
Испаре́ние — это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом Ek > Eп.
Содержание
Общая характеристика
Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.
Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с.м 2 ) или кг/(с.м 2 )]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.
Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.
Молекулярный уровень
Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения.
Термодинамическое равновесие
Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а — от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б — от жидкой фазы только к поверхности испарения; в — к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г — к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.
Баро-, термодиффузии
Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости.
В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами.
Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена.
Скорость испарения
Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 •с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: 
, где D — коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; 
— газовая постоянная пара, [Дж/(кг•К)] или [м 2 /(с 2 •K)]; T — температура смеси, [К]; р — давление парогазовой смеси, [Па]; 
— парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па].
В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях — приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз.
Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр — рп, осн) = bpр(уп, гр — уп, осн) или jп = bc(cп, гр — сп, осн), где bp, bc — коэффициент массоотдачи, p — давление смеси, рп — парциальное давление пара, yп = pп/p — молярная концентрация паров, cп = rп/r — массовая концентрация паров, rп, r — локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» — у границы раздела фаз, «осн» — в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2•с)]: q = aж(tж — tгр) = rjп + aг (tгр — tг), где aж, aг — коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 •К)]; r — теплота Испарение, [Дж/кг].
При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр
Уравнения
Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя.
При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость.
Конструкции аппаратов
Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата.
Применение
Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.
Испарение: определение, условия и особенности процесса
Содержание:
Испарением в физике (впрочем, и не только в ней) называют фазовый переход любой жидкости в парообразное или газообразное состояние. Простейший пример, с которым сталкивается каждый человек – испарение воды, когда мы ее сильно нагреваем, к примеру, делая себе чай, из нее идет пар. Пар этот и есть та самая вода, которая из жидкого состояния перешла в парообразное. Особенности процесса испарения разных жидкостей хорошо изучены физиками, а само испарение широко применяется в промышленности и в быту, встречается также и в природе.
Определение
Классическое определение звучит так: испарение – это переход из жидкости в газ. При этом это термодинамический процесс, то есть такой, который происходит под воздействием температурных колебаний. Именно вследствие испарения количество любой жидкости в любой незакрытой емкости будет постепенно уменьшаться.
Какие же причины испарения? Физика объясняет это явление разницей температур на грани фазового перехода: жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха. Если нет каких-то внешних влияний, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость вследствие диффузии, они переходят через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газовых веществ поверхность раздела фаз массового потока.
Важно знать, что испарение всегда происходит только с поверхности жидкости, в этом основное отличие испарения от других форм парообразования. Атомы и молекулы испаряются не все сразу, а небольшими слоями, постепенно. Но, разумеется, со временем они могут испариться полностью.
Еще одной интересной особенностью испарения является тот факт, что оно может иметь разную направленность тепловых потоков. Они могут идти:
Направленность тепловых потоков при испарении зависит от характера жидкости, температуры окружающего воздуха и фазового раздела. Эти три величины и их соотношение формируют формулу испарения.
Испарение на молекулярном уровне
В жидкостях молекулы, хотя и расположены близко друг к другу, тем не менее, они не имеют твердой связи между собой, как в твердых телах. Поэтому они находятся в непрерывном движении, в ходе которого часто сталкиваются друг с другом, меняют свое направление и скорость своего движения. Часть молекул, которые оказались близко к поверхности могут и вовсе покинуть жидкость, если проникнут через зону фазового перехода. И тогда произойдет испарение. Как видите, обязательным условием для этого физического процесса является непрерывное движение молекул в жидкости. Если движущаяся молекула обладает достаточной кинетической энергией и скоростью, то она может преодолеть притяжение соседних частиц и вылететь на поверхность.
Почему же испарение усиливается при нагревании жидкости? При нагревании движение молекул в воде, или другой жидкости заметно ускоряется, и все больше молекул начинают гонять аки «Шумахеры», в результате вылетая на поверхность.
При этом в какой-то момент может произойти такое явление как «испарительное охлаждение жидкости», когда нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и происходит снижении температуры самой жидкости. В частности это явление объясняет, почему человеку, даже облитому теплой водой постепенно будет становиться холодно – все быстрые молекулы этой теплой воды испарятся, а оставшаяся вода быстро охладится без своих «молекул-гонщиков».
Кипение гейзеров, отличный пример испарения в природе.
Испарение и кипение: в чем отличие?
В начале статьи мы писали, что испарение особенно заметно при кипении воды, когда мы, к примеру, делаем себе чай. На самом деле испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в речке или озере непрерывно испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Что же касается кипения, то оно является, по сути, катализированным испарением, когда сам процесс становится заметным невооруженным глазом и во много раз ускоренным.
Но кипение происходит только при определенных температурах, причем в разных жидкостях разные температуры кипения (например, у воды температура кипения 100 °C), в то же время испарение происходит всегда, независимо от температуры жидкости. В этом и заключается их отличие.
Факторы, влияющие на скорость испарения
Учеными выделены такие основные факторы, которые имеют влияние на скорость испарения:
Роль испарения
И испарение, и кипение распространенные физические явления в нашей жизни. Мы постоянно сталкиваемся с ними в нашем быту, испарение активно используется в промышленности и природных условиях, как именно, читайте далее.
Испарение в организме человека, в животных и растениях
Аналогично это работает и у животных, а некоторые порой даже стремятся ускорить процесс испарения. Так, например собаки для этой цели в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык. Именно гортань и язык собаки наиболее подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Что же касается растений, то и они обладают схожим механизмом. Во избежание перегрева на Солнце они запускают процесс испарения ранее поглощенной воды, таким образом, охлаждаясь. Именно поэтому очень важно в жаркую погоду усиленно поливать культурные растения, предотвращая их выгорание или засыхание, ведь в такие дни влага особенно нужна растениями не только для питания, но и для охлаждения.
Испарение в природе и окружающей среде
Роль испарения в природе просто огромна, так как без этого физического явления была бы невозможна сама Жизнь на нашей планете. Именно испарение лежит в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему Земли необходимыми питательными элементами и разносит жизненно важную влагу по всему миру. Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, питают растения и деревья.
Именно благодаря испарению на Земле идут дожди, а о том, как они важны и как трудно без них приходится порой, спросите об этом жителей Северной Африки или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
Вот лишь несколько примеров использования испарения в промышленности.
Промышленная техника, работающая на основе процессов испарения, конструируется по одному и тому же принципу: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наиболее оптимальный теплообмен с газовой средой.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.