Когда говорят «вещество испаряется», то обычно подразумевают, что испаряется жидкость. Но твердые тела тоже могут испаряться. Иногда испарение твердых тел называют возгонкой.
Испаряющимся твердым телом является, например, нафталин. Нафталин плавится при 80 °C, а испаряется при комнатной температуре. Именно это свойство нафталина и позволяет применять его для истребления моли. Меховая шуба, засыпанная нафталином, пропитывается парами нафталина и создает атмосферу, которой моль не выносит. Всякое пахнущее твердое вещество возгоняется в значительной степени. Ведь запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Однако более часты случаи, когда вещество возгоняется в незначительной степени, иногда в такой, которая не может быть обнаружена даже очень тщательными исследованиями. В принципе любое твердое вещество (именно любое, даже железо или медь) испаряется. Если мы не обнаруживаем возгонки, то это значит лишь, что плотность насыщающего пара очень незначительна.
Плотность насыщенного пара, находящегося в равновесии с твердым телом, быстро растет с увеличением температуры (рис. 102). Можно убедиться в том, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при низкой.
Существенно увеличить плотность насыщенного пара твердого тела в большинстве случаев нельзя по простой причине – вещество раньше расплавится.
Испаряется и лед. Это хорошо знают домашние хозяйки, которые в морозы вывешивают сушить мокрое белье. Вода сначала замерзает, а затем лед испаряется, и белье оказывается сухим.
Макеты страниц
Многие твердые вещества обладают запахом. Примером таких веществ являются камфара и нафталин. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Действительно, запах создается молекулами твердых веществ, которые попадают к нам в нос. Следовательно, в воздухе имеются пары этих веществ.
Процесс испарения твердых тел аналогичен испарению жидкостей (§ 7.2). Все твердые вещества испаряются, но чаще всего паров этих веществ бывает так мало, что их невозможно обнаружить.
Испарение твердых тел называется возгонкой или сублимацией (от латинского «сублимаре» — возносить). На опыте легко обнаружить возгонку льда и снега. Например, зимой можно заметить уменьшение инея на ветвях деревьев с течением времени.
В пищевой промышленности для понижения температуры часто пользуются «сухим льдом» (твердая двуокись углерода, 
, который переходит непосредственно в газообразное состояние. Сушка продуктов и других материалов с помощью сублимации широко используется в различных отраслях производства.
Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние (десублимация). На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде красивых и разнообразных узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.
Очевидно, что испарение твердого тела, как и испарение жидкости, происходит с поглощением теплоты. Количество теплоты, необходимое для превращения твердого тела в пар при неизменной температуре, называется теплотой сублимации.
Для одного и того же вещества теплота сублимации больше, чем теплота парообразования из жидкости, поскольку при испарении твердого тела происходит еще и разрушение его кристаллической решетки, что также требует затраты энергии (как и при
плавлении). Ясно, что при десублимации выделяется такая же теплота, какая поглощается при сублимации (если внешние условия одинаковы).
Испарение: что это за процесс
Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.
- Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости при температуре ниже температуры кипения. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.
- Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха — из-за разницы температур происходит испарение. Как будто бы это фазовый переход, о котором мы говорим в статье об агрегатных состояниях .
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
- из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;
- только из жидкости к поверхности;
- к поверхности из воды и газовой среды одновременно;
- к площади поверхности только от воздуха.
Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:
| Испарение | Кипение |
| При любой температуре, с поверхности жидкости | При определенной температуре, во всем объеме жидкости |
Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту
Полезные подарки для родителей
В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.
В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.
Почему если облить человека теплой водой — ему становится холоднее?
Как раз из-за того, что нагретую жидкость быстро покидают быстрые молекулы, и температура жидкости снижается.
Интенсивность испарения
Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.
Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:
- Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы долгое время остаются влажными, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все высыхает быстро — из-за высокой температуры. Но это только если в сезон дождей дождь умудрился прекратиться
- Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. Фен для волос работает на этом принципе — по сути, он создает портативный ветер, который помогает высушить ваши волосы.
- Дефицит влажности. Интенсивность испарения будет выше там, где больше дефицит влажности. Вряд ли многие из нас были Сахаре, но что это такое представляют все. В любой пустыне колоссально низкая влажность — из-за этого испарение идет интенсивнее.
- Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже выяснили, что не смотря на разницу между кипением и испарением, эти два процесса между собой связаны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста равна 69 градусам Цельсия. В то время, как в нашей повседневной жизни она равна 100. Это возвращает нас к первому фактору — температуре.
Кажется, правильнее говорить «скорость испарения» вместо интенсивности? Или нет? 🤔
Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.
Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.
По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.
Насыщенный пар
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.
Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.
На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, происходит конденсация — это когда образуется роса.
Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь.
Но если мы тот же воздух поместим в коробку объемом 1 м3 с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Испарение в жизни
И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.
Испарение в организме человека и животных
Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.
Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.
Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.
При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶
Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Испарение у растений
Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.
Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.
Испарение в природе и окружающей среде
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.
Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.
В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.
Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
ИСПАРЕНИЕ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВ
Обоняние является самым тонким инструментом, с помощью которого можно обнаружить присутствие в воздухе неизмеримо малых количеств пахучих веществ. Но обонянием невозможно определить количество вещества, а если вещество не обладает запахом, то и его присутствие.
Запахом обладают не только газы, но жидкости и твёрдые тела, например бензин, нафталин и т. п. Несомненно, что ощущение запаха связано с попаданием молекул пахучего вещества в нос, а из этого следует, что не только жидкие, но и твёрдые тела способны испаряться.
Испарение твёрдых тел идёт весьма медленно, и в воздух попадает ничтожное количество молекул твёрдого вещества. Способность твёрдых тел к испарению оценивается по давлению образуемых ими паров.
В связи с широким применением радиоактивных элементов в различных областях науки и техники вопрос об испарении
Твёрдых веществ приобрёл большое значение. Это связано с тем, что радиоактивные вещества, попадая при вдыхании в организм даже в самых незначительных количествах, могут привести к тяжёлым заболеваниям вследствие вредного действия их излучения на живые ткани.
Для измерения давления воздуха пользуются барометрами, для определения давления газа в закрытых сосудах — манометрами. С помощью этих приборов давление пара твёрдых тел измерять нельзя — оно очень мало. Как же можно определить малые давления пара?
На помощь приходят радиоактивные атомы. Если взять какую-нибудь соль радиоактивного элемента плутония и поместить её в сосуд с маленьким отверстием (диаметр его равен долям миллиметра), то через отверстие непрерывно будут проходить молекулы испаряющейся соли. Количество соли, испаряющейся за единицу времени через это отверстие, тем больше, чем больше давление пара. Эти молекулы можно собрать на пластинке, охлаждаемой жидким воздухом. Пары соли плутония оседают на охлаждённой жидким воздухом до минус 190° металлической пластинке, так же как горячий водяной пар оседает на холодной ложке. Достаточно оседания на пластинке 10“*5 грамма соли плутония, чтобы можно было определить это количество с помощью разновидности счётчика Гейге — ра-Мюллера — счётчика альфа-частиц, а затем вычислить давление пара.
Таким образом можно определить давление паров солей радиоактивных элементов, а также и нерадиоактивных элементов, если к последним подмешать некоторое количество радиоактивного изотопа.
- СТРОЕНИЕ СПЛАВА
- КАК ВЕДУТ СЕБЯ АТОМЫ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ?
- Рекомендации по выбору бизнеса
- Строительное оборудование МСД
- Тепловые насосы
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
П Рочитав эту книжку, читатель познакомился с явлением радиоактивности и с небольшим количеством примеров использования радиоактивных элементов в научных изысканиях. Меченые атомы дают возможность биологам и врачам глубоко исследовать процессы, …
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Многие производства перед спуском отработанных жидкостей в канализационную сеть производят их обезвреживание фильтрованием. Специальные фильтры поглощают ядовитые вещества. Фильтры с течением времени насыщаются и перестают поглощать отравляющие вещества. В таком …
ПОВЕРХНОСТЬ ПОРИСТЫХ ВЕЩЕСТВ
Противогаз защищает человека от вдыхания отравляющих веществ. В коробке противогаза лежит уголь, который поглощает отравляющие газы. Уголь может поглощать и загрязнения из растворов. Углём можно очистить, например, сахарный сироп. Не …
Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. При том они поглощают энергию. Вы уже познакомились с первым переходом — процессом плавления. Теперь мы будем рассматривать следующий переход вещества из одного состояния в другое. Это явление превращения жидкости в газ.
Повседневные наблюдения позволяют сказать, что количество жидкости, находящейся в открытом сосуде, со временем уменьшается. Но жидкость не может просто так исчезнуть. Что же с ней происходит? Она превращается в пар.
Парообразование — это явление превращения жидкости в пар.
Есть два способа превращения жидкости в газ:
- Испарение
- Кипение
На данном уроке мы рассмотрим первый способ — испарение.
Испарение
Испарение — это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.
Молекулы жидкости находятся в беспрерывном движении. Движутся они с разными скоростями.
Иногда достаточно “быстрые молекулы” могут оказаться у поверхности жидкости. Тогда они преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают из жидкости. Такие молекулы образуют над жидкостью пар (рисунок 1).
Другие молекулы при движении соударяются друг с другом и со стенками сосуда. При этом меняются их скорости. Так образуются новые “быстрые” молекулы, способные вылететь из жидкости.
Этот процесс все время продолжается, поэтому жидкость испаряется постепенно.
Скорость испарения и род жидкости
Очевидно, что жидкости испаряются не всегда одинаково. Когда-то быстрее, когда-то медленнее. Скорость испарения зависит от определенных причин.
Наполним два одинаковых открытых сосуда водой и эфиром одинаковой массы (рисунок 2).
Мы заметим, что эфир будет испаряться намного быстрее, чем вода. Мы можем фиксировать эти изменения, взвешивания воду или отмечая ее объем.
Скорость испарения зависит от рода жидкости.
Быстрее будет испаряться та жидкость, в которой молекулы притягиваются друг к другу с меньшей силой. В таких жидкостях большему количеству молекул проще преодолеть сопротивление и вылететь.
Скорость испарения и температура
В жидкостях всегда имеется некоторое число быстро движущихся молекул. Значит,
Испарение происходит при любой температуре.
Наполним два одинаковых сосуда водой одинаковой массы. Но в один сосуд нальем воду комнатной температуры, а в другой — подогретую до высокой температуры (рисунок 3).
Наблюдения покажут, что количество подогретой жидкости в сосуде уменьшилось быстрее, чем жидкости комнатной температуры.
Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.
При увеличении температуры жидкости, увеличивается ее внутренняя энергия. При этом увеличивается средняя кинетическая энергия молекул и средняя скорость их движения. Значит, чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул, которыe способны вылететь с поверхности.
Например, после дождя на улице остаются лужи. Дождь может пройти и холодной осенью, и жарким летом. Когда лужи высыхают быстрее? Конечно же летом, когда на улице более высокая температура.
Скорость испарения и площадь поверхности жидкости
Возьмем два сосуда одинакового объема, но разной формы. Один широкий, а второй — узкий (рисунок 4). Заполним их водой одной и той же массы.
Наблюдения покажут, что вода из широкого сосуда будет испаряться быстрее, чем из узкого.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности.
Испарение происходит с поверхности жидкости. Значит, чем больше поверхность, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
Зачем мы развешиваем белье после стирки? Чтобы оно быстрее высохло. Ведь в скомканном состоянии его площадь намного меньше, чем в расправленном виде.
Скорость испарения и ветер
Быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости, образуя пар. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Некоторые молекулы пара, беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, снова возвращаются в нее.
Очевидно, что если уменьшить количество возвращающихся в жидкость молекул, скорость испарения увеличится. Количество жидкости будет уменьшаться быстрее. Это возможно при наличии ветра (рисунок 5).
При наличии ветра испарение жидкости происходит быстрее.
Ветер уносит молекулы пара, не давая их части вернуться обратно в жидкость.
Примером может послужить использование фена для волос. Создавая такой «искусственный ветер», мы увеличиваем скорость испарения, что позволяет достаточно быстро высушить волосы.
Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью
Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 6).
Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.
С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным — наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.
В таком случае пар называют насыщенным.
Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.
При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.
Ненасыщенный пар
Если в пространстве, которое окружает рассматриваемую жидкость и содержит ее пары, может происходить дальнейшее испарение, то пар, находящийся в этом пространстве называют ненасыщенным.
Ненасыщенный пар — это пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью.
Так, в открытом сосуде масса жидкости будет постепенно уменьшаться. Большинство молекул пара будет оставаться в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.
Испарение твердых тел
Некоторые твёрдые тела тоже могут испаряться. Испарение твердых тел называют возгонкой (или сублимацией).
Например, таким свойством обладает лёд. Это объясняет то, что белье после стирки высыхает и на зимнем морозе. Нафталин испаряется при комнатной температуре, поэтому мы чувствуем его запах.
Запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Поэтому говорят, что всякое пахнущее твёрдое вещество возгоняется в значительной степени.
На самом деле испаряются все твердые тела (даже железо). Но плотность насыщенного пара оказывается настолько мала, что обнаружить его очень сложно, иногда практически невозможно.