От чего зависит скорость испарения жидкости?

Оглавление

Что такое скорость испарения?
Как рассчитать скорость испарения?
Факторы парообразования
Итог: от чего скорость увеличится или уменьшится?
Как скорость испарения помогает в быту?
Заключение
Частые вопросы

Для исчезновения жидкости вовсе не обязательно, оказывается, большое количество тепла – молекулы жидкости неизбежно улетучиваются с ее поверхности, преодолевая поверхностное натяжение и притяжение Земли.

Мнение эксперта

Татьяна Любимова

Заведующая кафедрой нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ. Доцент, кандидат геолого-минералогических наук. Татьяна Владимировна закончила Саратовский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского, получив диплом инженера-геолога-гидрогеолога. Прошла переподготовку по специальности «Педагогическая деятельность специалиста в сфере высшего, среднего и начального профессионального образования».

Но то, как быстро происходит этот процесс, зависит от целого ряда внешних условий, а также от характеристик самого вещества. Осознание их в полной мере не только познавательно, но и может пригодится в быту. Именно об этом я расскажу в своей статье.

Что такое скорость испарения?

Испарение - это процесс, когда вещества переходят из жидкого состояния в газообразное.Скорость испарения - это, упрощенно говоря, количество пара, образующегося за отведенный отрезок времени.

Данный параметр не статичен, а варьируется под влиянием множества факторов:

Во-первых, это физические характеристики испаряющейся жидкости.
Во-вторых, это различные внешние показатели, такие, как площадь, с которой жидкость испаряется, температура окружающей среды, и так далее.

В международной системе единиц СИ ее измеряют в кг/(м2.с), а в гауссовой системе СГС – г/(см2.с).

Как рассчитать скорость испарения?

Скорость испарения можно определить в числовых показателях.Это отношение общего количества жидкости, перешедшей в газообразную форму, к произведению времени, которое занял этот процесс, на площадь, на которой он происходил.

Этот показатель рассчитывается по формуле:

u=mSt

где:

u – это и есть скорость перехода жидкого вещества в газообразное состояние;
m – масса испарившегося жидкого вещества;

S – площадь поверхности, на которой происходило испарение;
t – время, которое заняло испарение всей этой жидкости.

Факторы парообразования

Есть несколько ключевых факторов, которые влияют на скорость образования пара.Они включают в себя:

Испаряемое вещество

Чем более тяжелой является жидкость, тем больше нужно энергии для ее перехода в новое агрегатное состояние и тем больше это занимает времени.

Температура вещества

По сути, она представляет собой скорость движения частиц. Чем она выше, тем быстрее они движутся, и чем они быстрее, тем легче они преодолевают поверхностное натяжение. Поэтому чем горячее жидкость, тем сильнее идет испарение, и чем она холоднее, тем оно слабее.

Размер испаряемой поверхности

Площадь поверхности определяет, какое количество жидкости одновременно подвергается воздействию внешних факторов. Чем она больше, тем большая часть вещества может испаряться.

Движение внешней среды

Как правило, это ветер или иные причины для движения воздуха, которые смещают частицы пара над испаряющейся поверхностью.

Для испарения главный фактор – скорость.

В любом веществе у каждой молекулы своя скорость и своя кинетическая энергия, соответственно. Они неоднородны, и потому есть более быстрые частицы. В жидкостях этой энергии достаточно, чтобы преодолеть молекулярные силы и выйти за пределы раствора. Именно из таких молекул образуется пар, и именно их количество определяет, как быстро испаряется жидкость. Но посчитать их точно невозможно, и поэтому наука использует обобщенные значения, такие, как температура – ведь она, по сути, измеряет скорость движения молекул в веществе.

Вид жидкости

Большая часть условий, влияющих на испарение – внешняя среда.Но если все прочие факторы идентичны, то две разных жидкости будут улетучиваться с разной скоростью из-за своих физико-химических характеристик.

Например, органические эфиры, этилы или аналоги подобных смесей испаряются намного быстрее, чем вода.

Ключевым свойством жидкости при определении скорости парообразования из жидкой формы является ее плотность. Чем она меньше, тем больше расстояние между молекулами и тем слабее связи между ними, и поэтому тем меньше нужно энергии, чтобы частицы жидкости вышли за границу растворения. Соответственно, менее плотные, чем вода, испаряются быстрее нее.

Мнение эксперта

Татьяна Любимова

Это можно легко проверить с помощью наглядного эксперимента. Если взять две одинаковые емкости и заполнить их одинаковыми объемами воды и эфира (каждый в свою емкость), то можно наглядно увидеть разницу в их скорости испарения. Объем эфира будет уменьшаться буквально на глазах. А для воды, чтобы изменить свой объем, потребуется немало часов.

Есть особая категория жидкостей, называемых «летучими». У них между молекулами очень слабые связи. Из-за этого вещества такого рода испаряются очень быстро даже в самых обычных условиях окружающей среды. К ним относят:

спирты,
эфиры,

бензин,
различные растворители и так далее.

Есть и противоположный случай: жидкости с большим удельным весом (в сравнении с водой). Они могут быть самыми разными: от молока, меда и масла, до щелочей и даже кислот. Их объединяет то, что у них более высокая плотность. Молекулы в них сжаты и придавлены друг к другу, и потому между ними более мощная молекулярная связь. Из-за этой связи, чтобы оторваться, им нужно намного больше кинетической энергии. И поэтому такие жидкости испаряются медленнее.

Чемпионом в этом «классе тяжеловесов» является ртуть. Это единственный металл, который при комнатной температуре сохраняет жидкую форму. Скорость ее испарения настолько ничтожно мала, что крошечный шарик этого вещества весом 1 грамм испаряться будет целых три года.

Температура

Температура во много отвечает за переход между агрегатным состояниями веществ.Чем больше у молекул кинетической энергии, тем ближе они к тому, чтобы разорвать связи друг с другом и стать газом (закипание).

Чем меньше у них этой энергии, тем ближе они друг к другу и тем крепче их связи (замерзание).

Соответственно, процесс испарения быстрее всего идет прямо перед достижение точки кипения, и медленнее всего – перед точкой замерзания. Наглядно увидеть это можно, поставив рядом две идентичные емкости:

одну с водой комнатной температуры,

а другую – с очень горячей.

На второй будет виден пар, хотя на самом деле испаряются обе. Просто во втором случае интенсивность испарения так высока, что можно различить, как молекулы жидкости улетучиваются в воздух.

Мнение эксперта

Татьяна Любимова

Чем больше быстро движущихся частиц, тем выше температура, и потому выше ежесекундное количество переходов с поверхности жидкости в окружающую воздушную среду. Если же температура вещества опускается, это значит, что упала и скорость веществ, а с ней и число переходов.

Если опускать температуру и дальше, жидкость замерзает. Ее молекулы принимают форму кристаллической решетки. В ней молекулярные связи очень прочные, а потом отдельные частицы не могут сами покинуть ее.

Размер испаряемой поверхности

Площадь поверхности испарения принято называть зеркалом.Его размер является одним из факторов, определяющий скорость испарения жидкости.

Чем оно больше, тем меньше времени нужно на испарение и улетучивание одного и того же объема вещества.

Сравнить это можно, взяв два сосуда:

один широкий,

другой узкий.

В оба сосуда налиты одинаковые жидкости в одинаковом объеме. В широком сосуде уровень жидкости будет снижаться значительно быстрее.

Именно поэтому супы и прочие горячие жидкие блюда предпочитают есть из сравнительно широких тарелок, а не из узких чашек или стаканов. Ведь чем больше площадь тарелки, тем большая часть молекул в супе открыта окружающей среде и может свободно покидать жидкость. Молекулы, скрытые под другими молекулами на дне, или упирающиеся в стенки, испаряться не могут.

Движение внешней среды

Когда молекула отрывается от поверхности жидкости, то она оказывается в окружающей среде.Обычно ее роль выполняет воздух.

Мнение эксперта

Татьяна Любимова

Но далеко не всегда он неподвижен. Его движение над поверхностью жидкого вещества оказывает двойной эффект, ускоряя его переход в газообразное состояние. Частицы получают дополнительную кинетическую энергию, а также смещаются в определенном направлении. Это не дает им пройти конденсацию и попасть назад в жидкость из-за хаотичных движений. Этот процесс позволяет не только покинуть жидкость, но и дает следующим слоям быстрых молекул доступ к поверхности и контакту с окружающей средой.

Усиливающим и важным фактором является температура окружающей среды и ветра. Ветер, более горячий, чем сама жидкость, которую он обдувает, при контакте:

не только смещает уже покинувшие ее частицы,
но и передает ей кинетическую энергию от частиц воздуха, которые его составляют.

Это ускоряет процесс парообразования.

Именно на этом принципе строится работа некоторых хорошо знакомых нам бытовых механизмов. Например, фена для волос. Он не просто дует, как вентилятор, а создает поток именно нагретого воздуха. Это позволяет высушить голову очень быстро, за несколько минут. Если же использовать холодный воздух, это займет изрядно больше времени, не говоря уже о риске простудиться. А если сушить вовсе без обдува, то сушка может занять от одного до нескольких часов.

Давление внешней среды

Прибор для измерения атмосферного давления

Окружающая среда обладает не только температурой, но и давлением – если это, конечно, не вакуум.Все-таки у вещества, составляющего среду (например, у воздуха) есть свой вес, своя плотность.

Все это создает давление на зеркало испарения жидкости.

Это давление также влияет на скорость испарения. Чем оно меньше, тем меньше сопротивления встречают быстро движущиеся молекулы на своем пути прочь от жидкости, тем быстрее та будет испаряться. И, соответственно, чем больше давление, тем труднее преодолеть его сопротивление и оторваться от жидкости. Его повышение приводит к тому, что частицы влаги теряют скорость и возвращаются вниз, к поверхности жидкости.

Мнение эксперта

Татьяна Любимова

Наиболее наглядным примером влияния этого фактора является кипячение воды в высокогорной местности. Там воздух очень разрежен, а потому давление – намного меньше, чем на уровне моря. Соответственно, воде достаточно более низкой температуры, чтобы начаться испаряться и превратиться в пар. На уровне моря вода кипит при 100 градусах по Цельсию, а на Эвересте, на самой высокой точке планеты, всего лишь при 69 градусах по Цельсию.

В природных условиях из-за постоянно присутствующего фактора добиться настоящего минимума добиться невозможно, но в условиях лабораторий удалось создать вакуум. В результате эксперимента было выявлено, что в достигнутой среде практически нулевого давления происходит превращение воды в пар даже при минусовых температурах.

Итог: от чего скорость увеличится или уменьшится?

Рассмотренные факторы могут быть разделены на две группы.Расскажу о них ниже.

Жидкость будет испаряться быстрее:

с увеличением зеркала;
с повышением температуры воды;
с ростом температуры окружающего воздуха;
при наличии ветра;
от обдувания горячим воздухом.

Факторы, снижающие скорость испарения:

уменьшение площади;
охлаждение раствора (уменьшение температуры);
понижение температуры окружающей среды;
отсутствие ветра над водой;
высокая влажность воздуха (он уже насыщенный паром).

При равных условиях статическое испарение всегда меньше динамического.

Как скорость испарения помогает в быту?

Все рассказанное выше кажется просто теорией.Испарение кажется делом или для ученых, или для школьного курса физики.

Но на самом деле, человек постоянно сталкивается с жидкостями в повседневной жизни. Знания о том, как управлять скоростью испарения и его побочными эффектами, могут очень пригодиться в самых разных сферах.

Сушка после стирки

Каждая хорошая хозяйка знает, что стирать одежду и белье лучше всего в жаркие и при этом ветреные дни.Так, если повесить его на улицу, оно высохнет очень быстро.

И дело вовсе не в том, что в такую погоду не будет дождя, и оно не намокнет.

Дело в том, что такой подход использует два важных фактора:

температуру;

движение воздуха.

Благодаря горячим солнечным лучам, нагревающим атмосферу и самое белье, и ветру, который, будучи горячим, активно уносит частички испаряющейся влаги, сушка пройдет намного быстрее.

К тому же сам способ сушки, используемый почти повсеместно, также полагается на один из факторов скорости испарения жидкости. Белье стараются повесить, расправив его пошире. Так площадь его зеркала увеличивается. Это тоже ускоряет сушку. Любой, кто оставлял мокрую ткань свернутой или скомканной, подтвердит, что она почти не высыхает и очень долго остается влажной. Для сухой ткани важно позволить влаге растворяться в воздухе и улетучиваться прочь.

Сбивание жара

Высокая температура – частый симптом многих заболеваний.Сейчас с ним принято бороться, в основном, медикаментозно.

Мнение эксперта

Наталья Рыбина

Практикующий эксперт по оздоравливающему питанию, лектор проекта "Московское Долголетие", создатель и куратор курсов стройности.

Но пить лекарства слишком часто – нежелательно, вредно для здоровья. К счастью, «бабушкин метод» борьбы с жаром все еще очень эффективен.

Для этого нужен холодный компресс. Тканую салфетку, платок или даже полотенце мочат в холодной воде, складывают в несколько раз и кладут на лоб. Постепенно он будет нагреваться, впитывая в себя тепловую энергию из кожи и уменьшая жар. Когда одна сторона нагревается, компресс переворачивают и прикладывают снова холодной стороной.

Именно тот факт, что процесс испарения влаги из тканого компресса требует энергии, помогает сбить температуру, ведь энергия в данном случае и есть тепло. Воду, кстати, можно заменить на другие жидкости, которые испаряются еще быстрее. Например, на уксус или водку, если не жалко. Так охлаждающий эффект будет еще сильнее.

Кулинария

Горячий суп или напиток есть порой не только невыносимо, но и вредно.Слишком горячая пища может обжечь ткани:

рта,

пищевода,

желудка и т.д.

Поэтому ее надо остужать. К счастью, с этим поможет обычная тарелка. Чем она шире, тем быстрее будет испаряться ее содержимое и тем быстрее оно будет остывать, ведь пар отбирает некоторое количество тепла от основного объема жидкости.

Другой способ связан с приготовлением пищи. Густые соусы порой сложно приготовить правильно с первого раза, ведь можно добавить лишней воды ненароком. К счастью, от нее можно избавиться выпариванием. Надо всего лишь подогревать блюдо на медленном огне. Точно также делают при приготовлении грибов, овощей, варенья – из них выпаривают воду, чтобы получить более густое вещество.

Заключение

На скорость испарения жидких соединений влияют природа вещества и воздействия внешних факторов.Это важно не только для того, чтобы освоить школьные предметы вроде физики, химии, или даже географии.

Эти знания нужны и в повседневной жизни. Есть множество способов использования закономерностей испарения и охлаждения жидкостей, которые можно использовать для решения бытовых задач и работы с техникой.

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 нагревает солнце и вода превращается в облака, которые затем выпадают осадками. Также оно используется некоторыми животными для охлаждения из-за пота и растениями для передачи влаги через листья.

Туман это пар?

Не совсем. Туман внешне похож на парообразное явление. Но на самом деле он представляет собой взвесь отдельных капелек влаги – но все еще не отдельных молекул. И образуется он не в результате испарения, а, наоборот, конденсации.

Какая жидкость испаряется быстрее всего?

Эфир. Он относится к «летучим».

Как предотвратить испарение?

В большинстве случаев достаточно плотно закрыть емкость крышкой. Также можно добавить тонким слоем маслянистое вещество более легкой фракции, которое будет мешать молекулам преодолеть поверхностное натяжение.

Может ли испарение быть опасно для здоровья?

Да, если это испарение токсичной жидкости. Например, испарение ртути, хотя и медленное, очень опасное и может годами постепенно отравлять человека.

Какие главные источники вредных испарений в повседневной жизни?

Вредные испарения могут исходить от искусственных материалов вроде старого линолеума, от ЛДСП в виде формальдегида, от т.н. «вейпов», ведь в них находится испаритель никотиносодержащих веществ, и т.д. Большую часть их вреда можно предотвратить, не допуская их нагрева и высокой концентрации.

Испарение это единственный способ получения пара?

Нет. Помимо испарения, когда жидкое вещество становится газообразными, есть процесс, которые называется «десублимация». Это когда вещества переходят в газовую форму из твердого состояния, минуя фазу жидкости.