Испарение: определение, условия и особенности процесса

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:

• из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух,
• только из жидкости к поверхности,
• к поверхности из воды и газовой среды одновременно,
• к площади поверхности только от воздуха.

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:

• Химические и физические свойства жидкости, характер связей между молекулами, плотность вещества. Чем ближе друг к другу расположены молекулы жидкости, тем им труднее набрать нужную скорость, чтобы вылететь и тем ниже скорость испарения, и тем больше температура кипения. К слову спирты и алкоголь улетучиваются гораздо быстрее, нежели просто вода.
• Температура. В отличии от явления кипения, испарение жидкости может происходить даже при минусовых температурах жидкости. Но все равно при понижении температуры скорость движения частиц уменьшается, и как следствие уменьшается скорость испарения.
• Размер поверхности. Тут все просто, чем больше площадь испарения, то есть площадь соприкосновения жидкости с воздухом, тем большей будет скорость испарения.
• Скорость ветра также может влиять на скорость испарения в природных условиях, так как быстрое движение воздуха «сдувает» молекулы с поверхности, увеличивая их скорость и кинетическую энергию.
• Атмосферное давление, чем оно ниже, тем быстрее испаряется любая жидкость.

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

Испарение играет важную роль процессе саморегуляции температуры тела человека, как впрочем, и почти всех млекопитающих. Так как чрезмерный перегрев тела вредный, а порой и смертельный (так при температуре тела более 42,2 °C в крови человека происходит свертывание белка, что приводит к смерти) организм имеет защитный механизм для предотвращения перегрева – потоотделение. Например, когда мы болеем и имеем высокую температуру, а потом она падает, мы обильно потеем. Также мы потеем при тяжелом физическом труде, при перегреве на Солнце. Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется, все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализировать температуру.

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.

• Испарения применятся при создании охладителей для двигателей и ядерных реакторов.
• При сушке различных вещей: от одежды до промышленного сырья.
• При кондиционировании и очищении воздуха.
• При очистке разных веществ на молекулярном уровне.
• Во время готовке на пару в кулинарии.
• При охлаждении воды.

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.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Эта статья доступна на английском языке — Evaporation: Definitions, Causes and Examples.