Випаровування: визначення, умови і особливості процесу

Випаровуванням у фізиці (втім, і не тільки в ній) називають фазовий перехід будь-якої рідини в пароподібний або газоподібний стан. Найпростіший приклад, з яким стикається кожна людина – випаровування води, коли ми її сильно нагріваємо, скажімо, роблячи собі чай, з неї йде пара. Пар це і є та сама вода, яка з рідкого стану перейшла в пароподібний. Особливості процесу випаровування різних рідин добре вивчені фізиками, а саме випаровування широко застосовується в промисловості і в побуті, зустрічається також і в природі.

Визначення

Класичне визначення звучить так: випаровування – це перехід з рідини в газ. При цьому це термодинамічний процес, тобто такий, який відбувається під впливом температурних коливань. Саме внаслідок випаровування кількість будь-якої рідини в будь-якій незакритій ємності буде поступово зменшуватися.

Які ж причини випаровування? Фізика пояснює це явище різницею температур на межі фазового переходу: рідина зазвичай дещо холодніше навколишнього повітря. Якщо немає якихось зовнішніх впливів, випаровування рідин відбувається вкрай повільно. Молекули залишають рідину внаслідок дифузії, вони переходять через напівпроникну для рідин, але непроникну для газових речовин поверхню розділу фаз масового потоку.

Важливо знати, що випаровування завжди відбувається тільки з поверхні рідини, в цьому основна відмінність випаровування від інших форм пароутворення. Атоми і молекули випаровуються не всі відразу, а невеликими шарами, поступово. Але, зрозуміло, з часом вони можуть випаровуватися повністю.

Ще однією цікавою особливістю випаровування є той факт, що воно може мати різну спрямованість теплових потоків. Вони можуть йти:

• з глибини рідини до поверхні, а потім в повітря,
• тільки з рідини до поверхні,
• до поверхні з води і газового середовища одночасно,
• до площі поверхні тільки від повітря.

Спрямованість теплових потоків при випаровуванні залежить від характеру рідини, температури навколишнього повітря і фазового розділу. Ці три величини і їх співвідношення формують формулу випаровування.

Явище на молекулярному рівні

У рідинах молекули, хоча і розташовані близько одна до одної, проте, вони не мають твердого зв’язку між собою, як у твердих тілах. Тому вони знаходяться в безперервному русі, в ході якого часто стикаються одна з одною, змінюють свій напрямок і швидкість свого руху. Частина молекул, які виявилися близько до поверхні можуть і зовсім покинути рідину, якщо проникнуть через зону фазового переходу. І тоді відбудеться випаровування. Як бачите, обов’язковою умовою для цього фізичного процесу є безперервний рух молекул в рідині. Якщо рухома молекула володіє достатньою кінетичною енергією і швидкістю, то вона може подолати тяжіння сусідніх частинок і вилетіти на поверхню.

Чому ж випаровування посилюється при нагріванні рідини? При нагріванні рух молекул у воді, або іншій рідини помітно прискорюється, і все більше молекул починають ганяти як «Шумахери», в результаті вилітаючи на поверхню.

При цьому в якийсь момент може статися таке явище як «випарне охолодження рідини», коли нагріту рідину вже покинули всі самі швидкі молекули і відбувається зниження температури самої рідини. Зокрема це явище пояснює, чому людині, навіть облитій теплою водою поступово буде ставати холодно – всі швидкі молекули цієї теплої води випаровуються, а решта води швидко охолоне без своїх «молекул-гонщиків».

Кипіння гейзерів, відмінний приклад випаровування в природі.

Випаровування та кипіння: в чому відмінність?

На початку статті ми писали, що випаровування особливо помітно при кипінні води, коли ми, наприклад, робимо собі чай. Насправді випаровування може відбуватися і без кипіння, просто тоді воно не буде для нас помітно. Наприклад, вода в річці або озері безперервно випаровується, хоча ми цього і не помічаємо. Що ж стосується кипіння, то воно є, по суті, каталізованим випаровуванням, коли сам процес стає помітним неозброєним оком і у багато разів прискореним.

Але кипіння відбувається тільки при певних температурах, причому в різних рідинах різні температури кипіння (наприклад, у води температура кипіння 100 °C), в той же час випаровування відбувається завжди, незалежно від температури рідини. В цьому і полягає їх відмінність.

Фактори, що впливають на швидкість випаровування

Вченими виділені такі основні фактори, які мають вплив на швидкість випаровування:

• Хімічні та фізичні властивості рідини, характер зв’язків між молекулами, щільність речовини. Чим ближче одна до одної розташовані молекули рідини, тим їм важче набрати потрібну швидкість, щоб вилетіти і тим нижче швидкість випаровування, і тим більше температура кипіння. До слова спирти і алкоголь випаровуються набагато швидше, ніж просто вода.
• Температура. На відміну від явища кипіння, випаровування рідини може відбуватися навіть при мінусових температурах рідини. Але все одно при зниженні температури швидкість руху частинок зменшується, і, як наслідок, зменшується швидкість випаровування.
• Розмір поверхні. Тут все просто, чим більше площа випаровування, тобто площа дотику рідини з повітрям, тим більшою буде швидкість випаровування.
• Швидкість вітру також може впливати на швидкість випаровування в природних умовах, так як швидкий рух повітря «здуває» молекули з поверхні, збільшуючи їх швидкість і кінетичну енергію.
• Атмосферний тиск, чим він нижчий, тим швидше випаровується будь-яка рідина.

Роль у нашому житті

І випаровування, і кипіння поширені фізичні явища в нашому житті. Ми постійно стикаємося з ними в нашому побуті, випаровування активно використовується в промисловості і природних умовах, як саме, читайте далі.

Випаровування в організмі людини, у тварин і рослин

Випаровування відіграє важливу роль процесі саморегуляції температури тіла людини, як втім, і майже всіх ссавців. Так як надмірний перегрів тіла шкідливий, а часом і смертельний (так при температурі тіла понад 42,2 °C у крові людини відбувається згортання білка, що призводить до смерті) організм має захисний механізм для запобігання перегріву – потовиділення. Наприклад, коли ми хворіємо і маємо високу температуру, а потім вона падає, ми рясно потіємо. Також ми потіємо при важкій фізичній праці, при перегріві на Сонці. Піт виділяється через пори шкіри, а потім випаровується, все це дозволяє нашому організму швидко позбутися зайвої енергії, охолодити тіло і нормалізувати температуру.

Аналогічно це працює і у тварин, а деякі часом навіть прагнуть прискорити процес випаровування. Так, наприклад собаки для цієї мети в жарку погоду відкривають рот і висовують язик. Саме гортань і язик собаки найбільш підходять для випаровування вологи і охолодження тіла тварини.

Що ж стосується рослин, то і вони володіють схожим механізмом. Щоб уникнути перегріву на Сонці вони запускають процес випаровування раніше поглиненої води, таким чином, охолоджуючись. Саме тому дуже важливо в жарку погоду посилено поливати культурні рослини, запобігаючи їх вигорянню або засиханню, адже в такі дні особливо потрібна волога рослинами не тільки для живлення, але і для охолодження.

Випаровування в природі і навколишньому середовищі

Роль випаровування в природі просто величезна, так як без цього фізичного явища було б неможливе саме Життя на нашій планеті. Саме випаровування лежить в основі природного кругообігу води, який забезпечує екосистему Землі необхідними живильними елементами і розносить життєво важливу вологу по всьому світу. Випаровування води з поверхні річок, озер, морів і океанів створює дощові хмари, які потім, проливаючись дощем, живлять рослини і дерева.

Саме завдяки випаровуванню на Землі йдуть дощі, а про те, як вони важливі і як важко без них доводиться часом, запитайте про це жителів Північної Африки або Центральної Індії, які часто страждають від посухи.

Випаровування в промисловості і побуті

Ось лише кілька прикладів використання випаровування в промисловості.

• Випаровування застосуються при створенні охолоджувачів для двигунів і ядерних реакторів.
• При сушінні різних речей: від одягу до промислової сировини.
• При кондиціонуванні та очищенні повітря.
• При очищенні різних речовин на молекулярному рівні.
• Під час готування на пару в кулінарії.
• При охолодженні води.

Промислова техніка, що працює на основі процесів випаровування, конструюється за одним і тим же принципом: у ній завжди максимально збільшена площа поверхні рідини, чим забезпечується найбільш оптимальний теплообмін з газовим середовищем.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора

Ця стаття доступна англійською мовою – Evaporation: Definitions, Causes and Examples.