Почему испаряется вода

Физическое явление - испарение

В природе, технике и быту мы часто наблюдаем превращение жидких и твердых тел в газообразное состояние. В ясный летний день быстро высыхают лужи, оставшиеся после дождя, мокрое белье. Уменьшаясь со временем, исчезают куски сухого льда, «тают» кусочки нафталина, которым мы пересыпаем шерстяные вещи и т.п. Во всех этих случаях наблюдается парообразование – переход веществ в газообразное состояние – пар.

Существует два способа перехода жидкости в газообразное состояние: испарение и кипение. Испарение происходит с открытой свободной поверхности, отделяющей жидкость от газа, например с поверхности открытого сосуда, с поверхности водоема и т.д. Испарение происходит при любой температуре, но для всякой жидкости с повышением температуры скорость его увеличивается. Объем, занимаемый данной массой вещества, при испарении возрастает скачком.

Следует различать два основных случая. Первый, когда испарение происходит в замкнутом сосуде и температура во всех точках сосуда одинакова. Например, испаряется вода внутри парового котла или в чайнике, закрытом крышкой, если температура воды и пара ниже температуры кипения. В этом случае объем образующегося пара ограничен пространством сосуда. Давление пара достигает некоторого предельного значения, при котором он находится в тепловой равновесии с жидкостью; такой пар называется насыщенным, а его давление упругостью пара.

Второй случай, когда пространство над жидкостью незамкнутое; так испаряется вода с поверхности пруда. Здесь равновесие не достигается практически никогда и пар является ненасыщенным, а скорость испарения зависит от многих факторов.

Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Джон Дальтон , английский физик и химик, в начале XIX века нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который имеется над жидкостью. Если и же жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точное, оно происходит, но той же скоростью идет и обратный процесс – конденсация . Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха, или откачивается насосом.

Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления пространственных газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение. .

При испарении вылетающие из жидкости молекулы должны преодолеть притяжение соседних молекул и совершить работу против удерживающих их в поверхностном слое сил поверхностного натяжения. Поэтому, чтобы испарение происходило, испаряющемуся веществу надо сообщить тепло, черпая его из запаса внутренней энергии самой жидкости, или, отбирая у окружающих тел. Количество тепла, которое нужно сообщить жидкости, находящейся приданной температуре и фиксированном давлении, чтобы перевести ее в пар при этих температуре и давлении, называется теплотой испарения. Упругость пара растет с ростом температуры, тем сильнее, чем больше теплота испарения.

Если испаряющейся жидкости не подводит тепла извне или подводить его недостаточно, то жидкость охлаждается. Заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно добиться значительного его охлаждения. Согласно кинетической теории, при испарении с поверхности жидкости вырываются более быстрые молекулы, средняя энергия, остающихся в жидкости молекул убывает.

Испарение сопровождается уменьшением количества вещества и понижением его температуры. При испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылететь с поверхностного слоя наружи. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершения расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.

Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, то есть переход твердого вещества в газообразное состояние, минуя жидкую стадию. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.

При температурах ниже температуры плавления давление насыщенных паров большинства твердых тел очень мало и их испарение практически отсутствует. Бывают, однако, исключения. Так, вода при 0°С имеет давление насыщенных паров 4,58 мм рт.ст., а лёд при - 1°С – 4,22 мм рт.ст. и даже при – 10°С – 1,98 мм рт.ст.

Этим сравнительно большими упругостями водяного пара объясняется легко наблюдаемое испарение твердого льда, в частности, известный всем факт высыхания мокрого белья на морозе. Испарение твердого тела можно наблюдать также на испарении искусственного льда, нафталина, снега.

Явление испарения лежит в основе перегонки – одного из распространенных методов химической технологии. Перегонка – это процесс разделения многокомпонентных жидких смесей путем частичного испарения и последующей конденсации паров. В результате этого процесса жидкие смеси разделяются на отдельные фракции, различающиеся по составу и температурам кипения.

Физическое явление – кипение

Второй способ парообразования – это кипение, характеризующееся, в отличие от испарения, тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и по всей массе жидкости. Кипение становится возможным, если давление насыщенных паров жидкости делается равным внешнему давлению. Поэтому данная жидкость, находясь под данным внешним давлением, кипит при вполне определенной температуре. Обычно температуру кипения приводят для атмосферного давления. Например, вода при атмосферном давлении кипит при 373 К или 100°С.

Различие температур кипения различных веществ находит применение в технике для так называемой разгонки смесей, компоненты, которых сильно отличаются по температуре кипения, например, для перегонки нефтепродуктов.

Зависимость температуры кипения от давления объясняется тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости, Поэтому при повышенном давлении жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.

Кипение – это особый вид парообразования, отличный от испарения. Внешние признаки кипения: на стенках сосуда появляются большое количество мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются Процесс всплывания, разрушения пузырьков, заполненных воздухом с паром, на поверхности жидкости характеризует кипение. Жидкости имеют свои температуры кипения.

Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха или других газов, обычно присутствующих в жидкости. Такие пузырьки – центры кипения – часто прилипают к стенкам сосуда, потому кипение раньше начинается у стенок.

В пузырьках воздуха содержатся водяные пары. Благодаря многочисленным пузырькам резко возрастает поверхность испарения жидкости. Образование пара идет по всему объему сосуда. Отсюда и характерные признаки кипения: бурление, резкое увеличение количества пара, прекращение роста температуры до полного выкипания.

Но если жидкость свободно от газов, то образование в ней пузырьков пара затруднено. Такую жидкость можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она закипела. Если в такую перегретую жидкость ввести ничтожное количество газа или твердых частичек, к поверхности которых прилип воздух, то она мгновенно взрывообразно закипит . Температура жидкости при этом падает до температуры кипения. Подобные явления могут служить причиной взрывов паровых котлов, поэтому их нужно предупреждать. Еще в 1924 году Ф. Кендрику с сотрудниками удалось при нормальном атмосферном давлении нагреть жидкую воду до 270ºC. При этой температуре равновесное давление водяного пара составляет 54 атм. Из сказанного следует, процессы кипения можно управлять, увеличение или уменьшение давления, а также уменьшая число «затравок». Современные исследования показали, что в идеальном случае воду нагреть примерно до 300ºC, после чего она мгновенно мутнеет и взрывается с образованием быстро расширяющейся паро-водяной смеси.

Таким образом, кипение, как и испарение, - это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение – это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.

Чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определенные количества теплоты. Физическая величина, показывающая количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость с массой 1 кг в пар без изменения температуры называют удельной теплотой парообразования. Обозначается эта величина буквой L, измеряется Дж/кг. = Дж/кг

Для того, чтобы подсчитать количество теплоты, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы m, взятой при температуре кипения, можно удельную теплоту парообразования умножить на массу:

Конденсация пара – противоположный процесс парообразования Явление парообразования и конденсации объясняют круговорот воды в природе, образование тумана, выпадения росы.

Количество теплоты, которое выделяет пар, конденсируясь, определяется по той же формуле. = Дж

Опытным путем установлено, что, например, удельная теплота парообразования воды при 100°С равна 2,3 106Дж/кг, то есть для превращения воды с массой 1 кг в пар при температуре кипения 100°С требуется 2,3 106Дж энергии.

Влажность воздуха

В атмосфере нашей планеты вследствие всевозможных испарений содержится огромное количество водных паров, особенно в ближайших к земле слоях. Наличие водяных паров в воздухе является необходимым условием существования жизни на земном шаре. Впрочем, для животного и растительного мира неблагоприятен как сухой так слишком влажный воздух. Умеренная влажность воздуха создает необходимое условие для нормальной жизни и деятельности человека. Избыточная влажность вредно ряда производственных процессов, при хранении продуктов и материалов. Как же оценить степень влажности воздуха, т.е. количество содержащихся в нем водяных паров? Такая оценка особенно важна для составления прогноза погоды, поскольку содержание водяных паров в атмосфере является одним из важнейших факторов, определяющих погоду. Без знания влажности воздуха, невозможно сделать прогноз погодных условий, столь необходимый для сельского хозяйства, транспорта, ряда других отраслей народного хозяйства. Чтобы узнать, сколько содержится в воздухе пара, в принципе пропустить определенный объем воздуха сквозь вещество, поглощающее водяной пар, и так найти массу пара, находившегося в 1 м3 воздуха.

Величину, измеряемую количеством водяного пара , содержащегося в 1 см3 воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха. Иными словами, абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара, находящегося в воздухе.

Практически измерить количество пара, содержащегося в 1 м3 воздуха очень трудно. Но оказалось, что численное значение абсолютной влажности мало отличается от парциального давления водяного пара в этих же условиях, измеренного в миллиметрах ртутного столба. Парциальное давление газа измеряется гораздо проще, поэтому в метеорологии абсолютной влажности воздуха принято называть парциальное давление водяного пара, содержащегося в нем при данной температуре, измеренное в миллиметрах ртутного столба.

Но, зная абсолютную влажность воздуха, еще нельзя определить, насколько он сух или влажен, поскольку последний зависит и от температуры. Если температура низкая, то данное количество водяного пара в воздухе может оказаться очень близким к насыщению, т.е. воздух будет сырым. При более высокой температуре, то же количество водяного пара далеко от насыщения, и воздух сух.

Для суждения о степени влажности воздуха важно знать, близок или далек водяной пар, находящийся в нем от состояния насыщения. С этой целью вводят понятие относительной влажности.

Относительной влажностью воздуха называют величину, измеряемую отношением абсолютной влажности к количеству пара, необходимого для насыщения в 1 м 3 воздуха при той температуре. Обычно ее выражают в процентах. Иначе говоря, относительная влажность воздуха показывает, какой процент составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара насыщающего воздух при данной температуре:

В метеорологии относительной влажностью называют величину, измеряемую отношением парциального давления водяного пара. Содержащегося в воздухе, давление водяного пара, насыщающего воздух при той же температуре.

Относительная влажность воздуха зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры. Если количество водяных паров в воздухе не меняется, то с понижением температуры относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура, тем ближе водяной пар к насыщению. Для вычисления относительной влажности пользуются значениями , приводимыми в соответствующих таблицах

Вода – растворитель

Вода является хорошим растворителем. Растворами называют однородные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Например: механическое перемешивание – это физическое явление, нагревание при растворении серной кислоты в воде – химическое явление.

Суспензии - это взвеси, в которых мелкие частицы твердого вещества равномерно распределены между молекулами воды. Например: смесь глины с водой.

Эмульсии - это взвеси, в которых мелкие капельки какой-либо жидкости равномерно распределены между молекулами другой жидкости. Например: взбалтывание керосина, бензина и растительного масла с водой.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называется насыщенным, а раствор, в котором вещество еще может растворяться, - ненасыщенным.

Растворимость определяется массой вещества, массой вещества, способной растворяться в 1000мл растворителя при данной температуре.

Массовая доля растворенного вещества – это отношение массы растворенного вещества к массе раствора.