Какие виды парообразования известны и в чем их особенности?

Обычно считается, что в газообразную форму переходят только жидкости по достижению определенной температуры. Но на самом деле такой физико-химический процесс зависит от целого ряда факторов:

В зависимости от этих параметров, вещество, переходящее в газообразную форму, может быть в фазе испарения, кипения или же сублимации. Тему того, что эти виды парообразования из себя представляют и какие у них параметры, подробнее раскроет наша статья.

Три способа парообразования

Парообразование представляет собой фазовый переход в газообразное состояние. Физики выделяют три разных вида этого процесса, при помощи которых появляется пар:

Чем же различаются эти виды? Частотой проявления в природных и домашних условиях, требованиям к окружающей среде, скоростью молекул и результатами процесса.

Испарение жидкости происходит в природе наиболее часто. Оно может начаться и в обычных условиях, если есть достаточно большая по площади открытая поверхность жидкость и окружающая атмосфера без высокого содержания пара из-за разных в температурах. В них пар выделяется, когда нет равновесия между температурами жидкости и воздуха над ней. При этом удельная теплота отличается от точки кипения. Из-за разницы в скорости движения молекул, некоторые из них быстрее остальных и преодолевают поверхностное натяжение, оказываясь в окружающей среде.

Кипение жидкости происходит наиболее часто в домашних условиях. Для него характерно, что пар выделяется не только на поверхности, но и по всему объему жидкости. Скорость и движение молекул активно передается от одной к другой из-за ограниченного объема и невозможности покинуть общую среду. В зависимости от конкретного вещества и его свойств, для него могут потребоваться специфические показатели температуры и атмосферного давления. Оно возможно лишь по достижении значения удельной теплоты и способствует достижению теплового равновесия.

Наконец, сублимация представляет собой редкий, во многом схожий с испарением. Она также происходит над поверхностью, но только твердой, и превращает его в газ, минуя жидкую фазу. Удельная теплота равна сумме удельной теплоты плавления и парообразования.

Отличия кипения от испарения

Это два главных вида парообразования. Многие люди путают испарение и кипение друг с другом, считая, что это синонимы. Все дело в том, что в обычной, повседневной жизни люди не замечают испарения, зато хорошо знакомы с кипением, а эту тему в курсе физики многие давно позабыли. Но на самом деле у них есть ряд различий:

Последнее отличие является ключевым чтобы разделить два вида парообразования. Ведь при кипении жидкости становятся паром лишь при нагревании. И хотя температура кипения может меняться в зависимости от внешних условий, она всегда выше минимальных температур, при которых происходит испарение жидкости. Ведь последнему достаточно, чтобы вода или другое вещество всего лишь не была жидкой, находилась на открытом пространстве и температура среды (воздуха) над испаряемой поверхностью отличалась от температуры основного вещества.

При этом интенсивность и скорость процесса испарения все равно зависят от температуры, ведь чем она больше, тем быстрее будет происходить испарение – вплоть до перехода к полноценному кипению.

К тому же только кипение создает насыщенный пар. Ведь для этого вида парообразования надо, чтобы пар находился в закрытом сосуде. К тому же насыщенный пар проявляет свойство динамического равновесия. Это означает, что температура внутри сосуда одинаковая во всех точках, будь то в жидкости или в насыщенном паре. Это прямо противоречит условиям для испарения: оно происходит на открытой поверхности при разнице в температурах жидкости и окружающей среды.

Что такое сублимация?

Как мы все хорошо знаем, в обычных условиях – то есть при комнатной температуре и при атмосферном давлении, примерно, на уровне моря – абсолютное большинство материалов сначала переходит из твердого состояния в жидкое, и затем из жидкого в газообразное лишь при последовательном нагревании и достаточно высоких температурах. Это подсказывает даже не курс физики, а здравый смысл. Но некоторые элементы обладают особым свойством переходить из твердого вида в газообразный и обратно, минуя жидкое состояние. Оно связывает два самых дальних друг от друга из агрегатных состояний.

В обычных условиях такие процессы обычно не наблюдаются. Все дело в том, что сублимация происходит при низких температурах, а десублимация – при еще более низких. Но общий список условий к окружающей среде состоит из:

1. Температуры.
2. Давления окружающей среды.
3. Уровня примесей.

Как и в случае с кипением или замерзанием, для десублимации нужно, чтобы вещество достигло точки сублимации – определенной температуры, при которой газ сразу примет форму твердой материи. И, конечно, у всех веществ свой показатель. Например, сухой лед, который на самом деле представляет из себя углекислый газ в твердой форме, начнет превращаться обратно в парообразную форму, если его температура будет выше -78,5°C. При этом из него выделяется небольшое количество тепла и характерная дымка.

Давление окружающей среды (в основном, воздуха) также влияет на ход сублимации.Например, H2O не сублимирует в нормальных условиях, таких, как атмосферное давление, ведь она может напрямую превратиться в газ лишь при давлении таком низком, что в естественных условиях нашей планеты его реализовать и невозможно.

Однако в вакууме космоса или специальных лабораторных условий, можно заставить ее сублимировать, заставить лед превращаться в пар без какого-либо кипячения.

И, соответственно, если давление воздуха слишком высокое, то сублимация происходит труднее, а потому даже те вещества, что сублимируют в комнатных условиях, под сильным давлением неспособны на это. Зато им куда проще десублимироваться.

И последний фактор – количество примесей. Дело в том, что они могут изменить точки сублимации и десублимации, или даже вообще воспрепятствовать процессу. Отчасти это объясняет, почему так редко можно наблюдать их в природе: из-за того, что эти процессы обычно происходят с чистыми веществами. А в природе они почти не встречаются.

Плавление и парообразование

Плавлением называют физико-химический процесс, в ходе которого молекулы твердого вещества ослабляют свои взаимосвязи, нарушают кристаллическую решетку и переходят в жидкую фазу. Нередко при плавлении многих материалов можно заметить дымку и даже пар, исходящие от только что появившейся жидкости. Может возникнуть мысль, что этот пар указывает на то, что и плавление относится к парообразованию.

Простым ответом было бы сказать «нет», ведь плавление – это переход из твердого состояния в жидкое. Но на самом деле есть несколько нюансов, которые необходимо учитывать, рассматривая эту тему.

Дело в том, что для фазового перехода между агрегатными состояниями требуются разные уровни тепловой энергии, в зависимости от плавящегося материала. В некоторых случаях этого мало, или нужной температуры трудно достичь, а потому используются катализаторы – особые реагенты, в ходе химической реакции ускоряющие плавление.

В таких случаях возможна частичная десублимация небольшого количества материи, если оно склонно к подобному процессу. Тогда некоторая доля его массы сразу перейдет в газообразную форму.

Но в большинстве случаев пар над поверхностью, например, расплавленного металла, к самому металлу отношения не имеет. Дело в том, что чистые элементы в природе практически не встречаются, а потому в большинстве случаев промышленники имеют дело лишь со смесями и композитами. Почти в любой руде, например, есть примеси других металлов и даже не-металлические компоненты. Те, в свою очередь, по физико-химическим свойствам отличаются от металла, и температура плавления и кипения могут быть значительно меньше таковых у основной части вещества. Как следствие, они сперва плавятся, а затем закипают намного быстрее, и потому уже превращаются в пар, пока остальной металл лишь начинает плавиться.

Также это могут быть побочные продукты от химических реакций, вызванных выделением тепла, либо перегретая вода в воздухе над плавящимся телом (если окружающая среда была слишком влажной).

Но ключевое различие, о котором следует помнить – это конечный результат и получающиеся вещества. Это явление приводит к появлению жидкости, а потому и не относится к парообразованию.

Самое быстрое парообразование

Возникает закономерный вопрос: какой процесс интенсивнее?Впрочем, если потратить немного времени, чтобы изучить тему характеристик всех трех видов фазового перехода, можно понять, что есть лишь один верный ответ.

Это, разумеется, кипение. А все потому, что интенсивность парообразования напрямую связана с тем, как ведут себя молекулы внутри жидкости. Чем быстрее скорость их движения, тем быстрее они разрывают молекулярные связи, удерживающие их в жидкой форме. Чтобы увеличить их скорость, надо придать молекулам больше энергии на единицу объема. А для этого наиболее эффективным будет внешний источник тепла.

Наконец, последний фактор, отличающий кипение и от сублимации, и от испарения, заключается в том, что из-за нагрева в активное состояние переводится вообще весь объем жидкости. Из-за этого парообразование происходит не только на поверхности, но и внутри основной массы. Это приводит к тому, что намного больше молекул, пытающихся преодолеть связующие силы и поверхностное натяжение, приходится на ту же единицу объема, чем при испарении.

Таким образом, на парообразование в ходе кипения влияют такие факторы:

• Чем выше давление и температура, тем быстрее происходит парообразование.
• Когда температура жидкости достигает точки кипения и превышает ее, интенсивность парообразования многократно увеличивается.

• Если продолжать нагрев, но не давать выход пару, то его давление станет слишком большим и может даже вызвать взрыв!
• Пиковое состояние жидкости достигается именно при интенсивном парообразовании в ходе кипения из-за того, что реакция на этой воздействие быстро затрагивает весь объем кипящей жидкости.

Парообразование при постоянной температуре

Правда, в холодную погоду объем молекул, покидающих материнскую поверхность, значительно уменьшается.

Все дело в том, что и без того сравнительной малый уровень энергии, получаемый от естественных источников тепла, становится еще меньше.

Поэтому ошибочно связывать образование пара исключительно с кипением. Просто без прохождения критического уровня нагрева, отсутствующего в обычных условиях, наблюдать это явление невооруженным взглядом не представляется возможным. За одну и ту же единицу измерения времени испаряется многократно меньшая доля объема. При определенных обстоятельствах частичной сублимации подвергаются и некоторые твёрдые тела. Здесь также, из-за невысокой интенсивности, подобное явление остается малозаметным.

Частые вопросы

Интересное видео по теме:

Заключение

К каким выводам можно прийти, рассмотрев до конца эту тему? Парообразование – постоянное явление из области физики, происходящее с веществами в жидком состоянии, и за счет отбора с материнской поверхности наиболее активных «заряженных» энергией молекул является отличным способом теплообмена.

В закрытых системах, где в качестве рабочей среды для теплообмена используется вода, важно заблаговременно рассчитывать ее потерю при образовании пара, во избежание возникновения аварийных ситуаций.