Говоря о паре, мы обычно сразу представляем себе кипящий чайник или кастрюлю, полные бурлящей воды. Это самый быстрый, но не единственный способ. Есть также и испарение, которое, на самом деле, в значительной степени масштабнее в рамках планеты.

В этой статье мы поможет разобраться подробнее в этой теме, что из себя представляет испарение и как различные факторы влияют на его интенсивность, а также процесс замедления парообразования.

Что такое испарение?

Пар, выходящий из носика чайника
Если парообразование - это превращение вещества в газ в целом, то испарение - это его конкретная разновидность.Его механизм заключается в переходе жидкости в газообразную форму, но только при условии, что он еще не достиг точки кипения.

Да, так тоже бывает: молекулы воды движутся с разными скоростями, и некоторые из них достаточно быстры, чтобы «оттолкнуться» от соседних, преодолеть поверхностное натяжение жидкости и силу притяжения из-за разницы температуры с окружающей средой, распределяя остатки энергии среди оставшихся.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Как и у любого процесса, у испарения есть скорость. Она определяет, какое количество газа образуется за отведенный отрезок времени на определенной площади поверхности жидкости. В современной науке обычно ее измеряют в соответствии с международной системой единиц СИ в кг/(м2.с), но также имеется гауссовая система измерения СГС, использующая г/(см2.с).

Что влияет на парообразование?

Конденсат на стекле, образовавшийся в результате испарения
Парообразование в целом и испарение в частности может происходить с разной скоростью.Она зависит от целого ряда условий:

  • температура жидкости;
  • площадь зеркала испарения;
  • состав испаряемой жидкости;

  • атмосферное давление;
  • уровень воздушных колебаний;
  • уровень влажности воздуха.

Рассмотрим каждый пункт отдельно и узнаем, как они могут ускорить или замедлить процесс испарения.

Температура жидкости

Градусник в стакане с испаряющейся водой
Поверхностное натяжение представляет собой серьезный барьер.Для преодоления его нужна немалая скорость.

Так как температура это, на самом деле, скорость движения молекул, чем горячее жидкость, тем быстрее движутся молекулы и тем большее их число покидают поверхность вещества, отправляясь в атмосферу.

Но скорость не берется из ниоткуда. Она увеличивается, если молекулы получают больше энергии за счет внешних источников. В природе таким источником и главной причиной испарения является солнечное излучение. Когда жидкость нагревается, молекулярные силы в ней ослабевают, структура становится более свободной. Это приводит к тому, что у молекул появляется возможность набрать больше скорости.

Испарение воды под лучами солнца

Площадь зеркала испарения

Испарение с большой площади
Следующий фактор – площадь зеркала испарения. Зеркалом испарения называют верхний слой испаряемого вещества.

Чем оно больше, тем больше и интенсивность этого процесса. Все дело в том, что процесс испарения возможен только на его открытой поверхности, и чем больше площадь, тем больше молекул могут одновременно покинуть основной объем жидкости. Особенно важен этот фактор ввиду того, что испарение обычно возникает под действием солнечного света на поверхность жидкости, а потому и нагревается лишь верхний слой.

Также от площади зеркала зависит скорость прогревания всего объема вещества.

Состав испаряемой жидкости

Стакан с водой, вокруг которого указаны элементы, входящие в ее состав
Существует разница в физических и химических свойствах разных элементов.Из-за этого у всех веществ свои собственные, отличающиеся значения удельной теплоты кипения и испарения.

Вода, как известно, закипает при температуре в 100 градусов выше нуля по Цельсию. В то же время есть вещества, кипящие при температурах в сотни и тысячи градусов, в десятки, или даже вовсе – при отрицательных температурах. Соответственно, процесс испарения для каждого из них происходит в совершенно разных условиях. Например, спирт испаряется, когда термометр показывает «всего лишь» 78 градусов, а для парообразования достаточно 837 кдж/кг.

Атмосферное давление

Прибор для измерение атмосферного давления
Молекулы воды, набрав кинетическую энергию, пытаются оторваться от остальной жидкости.При этом они не только пытаются преодолеть поверхностное натяжение, но также и встречное сопротивление.

У молекул окружающего воздуха (или иного вещества, представляющего собой окружающую среду), есть вес, и они, следовательно, оказывают давление на все под ними. И:

  • чем выше это атмосферное давление, тем больше энергии нужно молекулам пара, чтобы его преодолеть, а не потерять разгон и конденсироваться обратно.
  • чем оно ниже, тем меньше энергии требуется.

Если налить в одинаковые сосуды две одинаковых по составу температуры жидкости, но одной из них обеспечить значительно отличающееся давление воздуха, то они испарятся с различной скоростью.

Соответственно, температуры кипения и испарения изменяются в зависимости от погоды, а также местного климата. Широко известное явление – быстрое закипание воды в горах. На самых высоких из них оно произойдет вовсе не при 100°C, а всего лишь при 69-70°C. Да и закипают они быстрее. Например, объем воды в один литр при мощности источника тепла 1 киловатт на уровне моря закипает за 11 минут, а на максимальной горой высоте – за 4.

Уровень воздушных колебаний

Колышущаяся от ветра трава на фоне голубого неба
Еще один фактор, связанный с погодой – колебания окружающей среды.Как правило, это означает скорость ветра у испаряющейся поверхности.

Дело в том, что ветер, представляя собой движущиеся молекулы воздуха, несет с собой кинетическую энергию их движения. С одной стороны, это означает, что он уносит множество частиц испарившейся влаги, зависших над поверхностью, позволяя большему числу молекул испаряться. С другой стороны, это означает, что молекулы воздуха отбирают часть тепловой энергии при контакте, меняют температуру жидкости у поверхности и тем самым замедляют ее.

Уровень влажности воздуха

Стекло при высокой влажности воздуха
Когда жидкость начала испаряться, ее молекулы, разумеется, никуда не исчезают.Обычно они, оторвавшись от поверхности вещества, остаются в воздухе в разрозненном состоянии.

Если внешний фактор (например, ветер) не уносит их прочь, то они продолжают периодически контактировать с поверхностью жидкости и идущими с нее новыми молекулами, отбирая у них кинетический заряд и, соответственно, тепло. Это мешает им успешно испаряться. Если воздух влажный и насыщен паром, испарение происходит с большим трудом.

Как ускорить испарение?

Испаряющаяся из кастрюли вода
Каждый фактор – не статичное значение.Управляя ими, можно контролировать процесс испарения.

И, конечно же, можно ускорить его, пользуясь зависимостью парообразования от этих показателей. Рассмотрим отдельно, что можно сделать с каждым из них.

Увеличение площади поверхности

Испарение воды с больших площадней
Как уже было сказано, чем больше по площади поверхность зеркала испарения, тем больше скорость этого процесса.Изменить ее, как правило, сравнительно просто.

Например, если у вас жидкость в высоком бокале или стакане, то вылив ее на плоское блюдце, можно ожидать, что она испарится значительно быстрее.

Все дело, разумеется, в том, что жидкость может менять форму, но не объем. Это означает, что даже не смотря на прежний объем, жидкость занимает то же пространство. Но увеличенная площадь позволяет молекулам выходить сразу по всей поверхности, а уменьшенная толщина позволяет внешнему источнику тепла быстрее охватить весь объем вещества.

Подведение внешнего источника тепла

Работающий обогреватель как внешний источник тепла

Другой вариант ускорения испарения, один из самых хорошо известных людям – нагрев.Чем больше температура жидкости в сравнении с окружающей средой, тем быстрее она испаряется.

Повышение температуры позволяет увеличить внутренний объем в веществе за счет снижения ее плотности. Это дает молекулам больше возможностей для набора скорости.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
И так как скорость это также набор кинетической энергии, то им легче, не передавая другим частицам в столкновениях свою энергию, разогнаться достаточно для преодоления поверхностного натяжения, молекулярных связей и атмосферного давления.

Ускорение воздухообмена

Вентилятор для ускорение движения воздуха
В закрытых пространствах жидкость испаряется медленнее.Также просто отсутствующее движение воздуха в месте испарения повышает шанс того, что зависшие в воздухе молекулы будут забирать кинетическую энергию у новых поступающих молекул.

Поэтому можно ускорить процесс испарения, если дать им больше возможностей для движения. Обычно для предотвращения преждевременной конденсации достаточно хотя бы снять крышку с емкости с кипящей водой.

Если же еще и заставить воздух в помещении двигаться быстрее, то скорость испарения также вырастает. Поэтому проветривание, вентиляция, обдувание или просто природный ветер над поверхностью воды помогают жидким веществам покинуть атмосферу над ней, снижая влажность воздуха в целом. Увеличивая скорость воздухообмена, вы даете новым молекулам больше места для своего испарения.

Открытое окно для проветривания как способ ускорить испарение жидкости

Понижение атмосферного давления

Пар, исходящий из кружки с водой
Управлять атмосферным давлением, особенно не в закрытой емкости, довольно сложно.В природе такого эффекта проще всего с помощью изменения текущей высоты, ведь чем выше в горы, тем менее плотный воздух.

И у разреженного воздуха меньше масса на кубометр, меньше плотность и меньше давление. Поэтому можно попытаться ради эксперимента подняться в горы.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Есть и другие, более прикладные способы. В домашних условиях вентиляционная вытяжка может помочь уменьшить давление, втягивая в себя весь лишний воздух и кали влаги, создавая подобие ветра. Один из способов использования кухонной вентиляции. Можно включить вытяжку над чайником, и он закипит еще быстрее обычного.

Как замедлить испарение?

Белый пар на синем фоне
Иногда по какой-либо причине нужно замедлить испарение.Для этого можно выбрать один из нескольких факторов.

Те из них, что способны обеспечить значительное уменьшение его скорости, описаны далее в статье.

Состав вещества

Наполнение стакана чистой водой на фоне солнца
Если в жидкости растворено постороннее вещество, то скорость парообразования у таких смесей снизится.Это связано с необходимостью прогрева постороннего элемента.

То же самое происходит и с нерастворенными, твердыми и кристаллическими веществами. Например, с солью. Такие твердые тела требуют больше энергии для изменения агрегатного состояния, и поэтому они могут впитывать тепло в большем объеме без изменений своей структуры. Таким образом, при нагреве вода отдает часть тепловой энергии соли для ее прогревания.

Циркуляция жидкости

Движущаяся вода
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.

Насыщение воздуха паром

Увлажнитель, насыщающий воздух паром
Если закрыть крышку сосуда с кипящей водой, образуется насыщенный пар.Такой пар находится в термодинамическом равновесии с водой.

Это значит, что прямо в пар превращается столько же воды, сколько конденсируется из состояния пара обратно в воду. Конденсация проходит при разнице температур: возвращающаяся вода снизит температуру кипения.

Охлаждение окружающей среды

Кондиционер, охлаждающий воздух

Чем холоднее воздух, тем хуже идет процесс испарения.Скорость парообразования снижается при разности температур нагреваемой воды и окружающей среды.

Так при минусовой температуре, вода нагревается и испаряется медленнее. Величина площади поверхности воды играет обратную роль. Чем она меньше, тем меньше влияние низкой температуры и ниже скорость охлаждения поверхности.

Лучший способ ускорить испарение

Облако пара на темном фоне
Человечество давно выяснило лучший метод заставить воду (или иную жидкость) обратиться в пар побыстрее.Это нагревание.

Увеличение температуры требует немало работы и дополнительных энергетических затрат, но зато позволяет довольно быстро испарять достаточные объемы влаги практически в любой нужный момент. Этот способ можно даже использовать, чтобы получить, в результате, кипение, если нагреть жидкость достаточно сильно.

Но главное преимущество увеличения температуры – практичность, потому что со сравнительно небольшими объемами, с которыми люди постоянно имеют дело, он сработает отлично, да и доступен он повсеместно.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Но если забыть о практичности, есть еще и лабораторный подход. Он заключает в использовании вакуумных насосов, чтобы довести окружающую среду до состояния вакуума. Многие жидкости, в том числе вода, испаряются в нем намного быстрее (29°C), а некоторые и вовсе перестают существовать в жидком качестве.

Заключение

Испарение льда
От скорости парообразования зависят многие технологические процессы.Это касается как промышленности, так и быта.

Зная основные факторы увеличения и снижения скорости выпаривания, можно значительно упростить многие повседневные заботы, связанные с необходимостью испарения.

Интересное видео по теме:

Частые вопросы

Какую роль испарение играет в природе?

Испарение – основной фактор образования облаков и последующих дождей. Оно происходит на поверхности морей и озер, когда их нагревают жаркие солнечные лучи и вода превращается в облака, которые после выпадают осадками. Также оно используется некоторыми животными для охлаждения из-за пота и растениями для передачи влаги через листья.

Какая жидкость испаряется быстрее всего?

Эфир. Он входит в группу ЛОВ – летучих органических веществ. Они испаряются и растворяются в атмосфере даже при нормальных условиях давления и температуры, и делают это очень быстро.

Как предотвратить испарение?

Если нужно не просто замедлить испарение, а прекратить его полностью, обычно достаточно герметично закрыть жидкость в емкости. Без выхода для молекул она рано или поздно дойдет до термодинамического равновесия и перестанет испаряться.

Может ли испарение быть опасно для здоровья?

Да, если испаряется токсичное вещество. Многие ЛОВ относятся именно к таким, а потому требуются особая осторожность и следование технике безопасности при работе с ними.

Испарение это единственный способ получения пара?

Нет. Помимо испарения, которое происходит при сравнительно низких температурах, и кипения, которое происходит интенсивно и при высоких температурах, есть сублимация, которая происходит с твердыми веществами. Обычно для нее нужны очень высокие температуры, но некоторые вещества, вроде сухого льда, сублимируют даже в комнатных условиях.