Почему жидкости охлаждаются при испарении?

Наверное, все хотя бы раз, да замечали, как прохладен и свеж воздух возле какого-нибудь водоема. Даже в самый жаркий день посидеть возле фонтана или поплавать в реке очень приятно. Вода словно и не греется, отлично охлаждая тело. С другой стороны, горячие жидкости – например, суп в тарелке или чай в кружке – испускают пар. Они очень горячи, и чтобы их есть, приходится дуть на них перед каждым глотком.

Давайте же рассмотрим, что оно из себя представляет, какие у него особенности и с какой целью его могут применять.

Причины охлаждения при испарении

Вода может казаться недвижимой, пока ее не взболтать, не поставить в холодильник или не нагреть на огне.Но это не так.

Если провести достаточно долгое наблюдение за жидкостью в каком-нибудь открытом сосуде, то можно спустя некоторое время заметить, как ее уровень постепенно уменьшается. Причина тому – неоднородная скорость у молекул, составляющих жидкость. Некоторые из них быстрее, а потому набирают достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть поверхностное натяжение и смешаться с окружающей средой. Как правило, это окружающая атмосфера.

Почувствовать, как это происходит, можно и на опыте собственного тела. После купания или хотя бы принятия душа, если дать телу высохнуть самостоятельно, можно почувствовать, как тело остывает одновременно с высыханием. Все дело в испарении влаги. Для того, чтобы прервать контакт с кожей и раствориться в атмосфере, молекулы воды забирают кинетическую энергию у кожи и других частиц влаги. В результате механизм охлаждается.

Этот эффект, конечно, временный. Как только вода полностью испаряется, тепловой баланс приходит в норму, и потерянная кинетическая энергия приходит из окружающей среды и благодаря работе организма. Но этот процесс занимает некоторое время, а потому после мытья рекомендуется поскорее насухо вытереться полотенцем. Если этого не сделать, охлажденное испарением тело замерзнет и может начать страдать от переохлаждения.

Термодинамическая система

Это словосочетание звучит сложно и непонятно.Но в случае охлаждения через испарение, особенно в указанных примерах, важно понимать, в основном, что такое термодинамическая система.

Термодинамической системой называют совокупность взаимодействующих материальных тел, которые обмениваются с окружающей средой и между собой энергией и материей.

У нее есть четыре фактора, определяющие ее состояние:

Этот процесс включает в себя три этапа:

1. Отдача тепла от жидкости через пар приводит к охлаждению вещества;
2. Чтобы восстановить термодинамическое равновесие, вода начинает поглощать тепло из окружающей среды;
3. Окружающая среда отдает энергию, из-за чего охлаждается уже составляющее ее вещество.

Охлаждение воздуха испарением воды

Именно так объясняет охлаждение воздуха около воды.Она, превращаясь в пар:

Но энергия, нужная воде для продолжения процесса, берется не из ниоткуда, а буквально из воздуха. Отдавая свою кинетическую энергию, молекулы атмосферы замедляются и, значит, становятся холоднее. Именно поэтому морские бризы даже в самый жаркий день отличаются приятной прохладой. Хотя воздух очень горяч, а песок на пляже буквально раскален, воздух, приносимый ветром с моря, освежают и охлаждают, потому что массивное водное тело впитывает из движущегося воздуха тепло.

Удельная температура испарения

Но такое может показаться контр-интуитивным.Одно дело, когда вода испаряется из чайника или кастрюли: там она:

Совсем другое, когда вода испаряется в простой жаркий день – откуда там взяться пару?

Как правило, для отсчета выбирают точку кипения, потому что она удобнее для расчетов. Измеряют этот показатель в джоулях на килограмм (дж/кг), хотя иногда применяют и калории на грамм (кал/г).

Удельную теплоту обозначают английской буквой L. Чтобы рассчитать ее для каждого отдельного вещества, используют формулу

L=Qm,

в которой:

Скорость испарения и факторы, которые на нее влияют

Зная все это, возникает закономерный вопрос.Если вода испаряется и при нулевой температуре, то какой смысл в кипении?

А вся разница – в скорости испарения.

Скоростью испарения принято называть обозначение для массой жидкости, испаряющейся за условленное время с условленной площади поверхности вещества.

Как правило, ее измеряют в килограммах за секунду на метр квадратный (кг/сек-м2). Скорость испарения зависит от нескольких факторов.

Строение вещества

В первую очередь, это природа жидкости.Несмотря на одинаковое агрегатное состояние, физико-химические свойства будут разными у:

Так, эфир испаряется гораздо быстрее по сравнению с обычной H2O. Это связно с тем, что сила взаимодействия между его молекулами намного меньше.

Текущая температура вещества

Чем она выше, тем выше и показатели кинетической энергии у молекул.Тем легче им преодолеть поверхностное натяжение и молекулярные связи, которые обычно предотвращают частицы жидкости от разъединения.

Так, нагревая жидкость, можно увеличить скорость ее испарения, и наоборот, ее охлаждение приведет к замедлению этого процесса. Это обусловлено тем, что повышение температуры увеличивает скорость движения частиц. В результате большее их количество может покинуть жидкость, перейдя в газообразное состояние.

Степень насыщения пара

Чем больше становится пара над жидкостью, тем меньше становится скорость испарения.Именно поэтому наличие ветра над озером ускоряет испарение и делает воздух еще холоднее.

Поток ветра уносит молекулы, которые перешли в пар, не давая им вернуться в жидкое состояние.

Площадь свободной поверхности

Этот фактор играет важную роль.При достаточно большой площади поверхности количество частиц, покидающих жидкость, будет большим.

При этом испарение ускоряется.

К примеру, налитая в блюдце жидкость будет испаряться быстрее по сравнению с той, что налита в стакан.

Количество теплоты, образующееся при остывании пара

В тот момент, когда пар передает окружающей среде тепло, происходит сразу несколько процессов.Среди них:

Все это происходит самопроизвольно без каких-либо дополнительных условий.

При остывании пар отдает тепло. Количество выделенной из-за охлаждения теплоты представляет собой часть собственной внутренней энергии пара, которая впоследствии теряется при теплоотдаче.

Определить количество теплоты, выделяемой при охлаждении. можно по формуле:

Q = c*m*(T2-T1)

где:

Где применяют охлаждение при испарении

Есть так называемые летучие жидкости, которые испаряются очень быстро.К ним относят:

• аммиак,
• этиловый эфир и многие другие.

Их особенность в том, что они начинают испаряться даже при минусовых температурах по Цельсию. Это делает их очень удобными для использования в необычных целях. Например, при малых хирургических вмешательствах в качестве локального обезболивающего средства применяют хлористый этил. Для этого охлажденную ампулу со сжиженным C2H2Cl струей выпускают на часть тела, которую планируется оперировать. При контакте с телом жидкость испаряется почти мгновенно, что быстро охлаждает его. Получается легкое замораживание поверхностных тканей организма, что предотвращает болевой эффект.

А еще эффект охлаждения через испарение летучих веществ используется в холодильниках циркуляционного типа. Они позволяют получать умеренно низкие температуры и широко используются: от кухонных холодильников до медицинских холодильных камерах. Стабильно низкие, но не замораживающие температуры позволяют хранить:

С их помощью можно также получать лед и так далее.

По сути такие холодильные камеры представляют из себя замкнутую систему из трубок, соединяющие испаритель А, компрессор Б и конденсатор В между собой.

Испаритель А

Это металлическая коробка, в стенках которой встроена трубочная система. В них рабочая жидкость (наиболее часто использует фреон, но есть и другие вещества) испаряется. В трубки ее подает капиллярный клапан. Когда работает компрессор, воздушная среда в трубках становится разреженной, давление уменьшается, а при меньшем давлении испарение происходит быстрее. Как следствие, у испарителя в целом уменьшается температура.

Компрессор Б

Втягивает пар в свой цилиндр, а затем сжимает его под давлением в несколько атмосфер. При этом частицы вещества оказываются очень близко друг к другу, не могут покинуть сжатое расстояние и начинают активно обмениваться кинетической энергией друг с другом, чтобы сбалансировать показатели давления. Как следствие, поднимается температура.

Конденсатор В

Когда пар нагревается до 30-40 градусов по Цельсию, он в сжатом виде по трубкам отправляется в Конденсатор В. Его составляет зигзагообразная длинная трубка, которую можно увидеть снаружи большинства холодильников, на задней стенки. Сжатый горячий пар под давлением проходит по этой трубке, постепенно отдает ей тепло, охлаждается до комнатной температуры, и в итоге возвращается в Испаритель А, чтобы повторить рабочий цикл холодильника.

Заключение

Охлаждение при испарении жидкости – широко распространенное природное явление.Оно происходит, когда пар исходит из жидкости и охлаждает окружающую среду.

Современные технологии позволяют не только лучше понять мир, но и начать использовать физические процессы на благо общества. Ученые нашли способы не только объяснить, почему пар может охлаждать помещения вместо нагревания, но также придумали, как создать установки испарительного типа для удобного и доступного охлаждения. Сейчас их широкого используют от домашнего быта и магазинов до медицины и промышленности.

Частые вопросы и ответы на них