Испарение - определение, условия и особенности процесса

Суть понятия

Основное определение испарения — переход из жидкости в газ. Это термодинамический процесс, обусловленный хаотичным движением молекул тел в определённых агрегатных состояниях. Благодаря его существованию количество воды, масла, эфира, бензина или любого другого жидкого вещества в незакрытой ёмкости будет непрерывно уменьшаться с течением времени.

С точки зрения физики, испарение можно объяснить разницей температур на грани фазового перехода — жидкость обычно холоднее окружающего воздуха. Если других внешних влияний нет, испарение происходит медленно. Молекулы покидают воду в результате диффузии, переходя через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газообразных веществ поверхность раздела фаз массового потока.

Основное отличие испарения от других форм парообразования заключается в том, что оно происходит только с поверхности. Атомы и молекулы меняют агрегатное состояние постепенно, испаряясь небольшими слоями. Впрочем, несмотря на это, с течением времени вся жидкость может постепенно испариться.

Другая отличительная черта процесса — возможность разной направленности тепловых потоков. Они могут идти:

• из толщи 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.

Направленность потоков зависит от температуры воздуха, фазового раздела и самой жидкости. Соотношения этих трёх величин по-разному учитываются в формуле испарения. От них зависит его скорость, направленность теплообмена и другие факторы. Для вычисления величины используются также экспериментальные коэффициенты, полученные путём опытов. Они уникальны для каждого вещества или смеси и обусловлены их химическим составом.

Испарение на молекулярном уровне

В жидких веществах молекулы расположены почти вплотную друг к другу, но не связаны, как в твёрдых субстанциях. Из-за этого они находятся в непрерывном движении, случайным образом сталкиваются друг с другом, меняют направление и скорость движения. Частицы, оказавшиеся близко к поверхности, со временем могут покинуть её, проникнув через зону фазового перехода.

Таким образом, испарение обусловлено непрерывным движением молекул. Если они обладают достаточной кинетической энергией и скоростью, то часть из них может сорваться с поверхности воды, преодолевая притяжение соседних частиц. Некоторые отражаются и возвращаются, другие вырываются в газовую среду и навсегда покидают вещество. Процесс повторяется с новыми (теперь тоже поверхностными) частицами, пока вся жидкость не станет газообразной.

В процессе жидкость теряет часть своей энергии, из-за чего снижается также её температура — это обусловлено тем, что первыми её покидают самые быстрые (а значит, и обладающие наибольшей кинетической силой) молекулы. В результате наблюдается явление, называемое испарительным охлаждением жидкости. Этим объясняется то, что человеку быстро становится холодно в мокрой одежде, даже если ту облить тёплой водой. При комнатной температуре явление проявляется слабо, поскольку жидкость компенсирует теряемое тепло теплообменом с окружающим воздухом.

Отличия от кипения и сублимации

Испарение нередко путают с кипением. Оба процесса являются разновидностями парообразования, то есть превращения жидкого вещества в газообразное. Разница состоит в том, что закипание — гораздо более активный и быстрый процесс, смена агрегатного состояния при котором наблюдается невооружённым глазом.

Не менее важное различие состоит в том, что испарение происходит всегда, а кипение — только при достижении жидкостью определённой температуры. Точная цифра меняется и зависит от характера вещества — для воды она составляет 100 °C, для рафинированного масла — 227 °C, для гелия — -269°C, вольфрама — 5680 °C.

Кипение — постоянный процесс, обусловленный определёнными закономерностями в движении молекул. Их отрыв от поверхности при этом явлении происходит постоянно и не зависит от случайностей при движении. Кроме того, смена агрегатного состояния при кипении происходит с жидкостью по всей толще, а не только на поверхности. Это можно заметить на практике — при закипании воды в её толще образуются пузырьки, поднимающиеся на поверхность из-за разницы масс.

Кипение всегда сопровождается испарением, потому во многом они взаимосвязаны. Особняком стоит явление сублимации — перехода вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую стадию. Это явление сопровождается разрывом молекулярных связей в результате внешнего подвода энергии (обычно через нагревание).

В природе сублимация наблюдается редко. Иногда её можно наблюдать при быстром таянии льда — например, замёрзшая мокрая одежда при потеплении мгновенно высыхает.

Факторы, влияющие на скорость процесса

Учёные заметили, что процесс происходит по-разному при изменяющихся свойствах жидкости и условиях внешней среды. Они выделили основные факторы, влияющие на испарение:

• Химические и физические свойства вещества, его тип и класс. Большое значение имеет его плотность — чем ближе расположены молекулы, тем труднее им преодолеть общее притяжение и оторваться, вырвавшись в газовую среду. Из-за этого свойства спирты и алкоголь улетучиваются гораздо быстрее, чем обычная вода.
• Температура. В отличие от кипения, испарение происходит при минусовых показателях термометра, но она всё ещё влияет на его скорость. При повышении температуры частицы двигаются быстрее, при понижении — медленнее. Соответственно, увеличивается или уменьшается их шанс покинуть жидкую среду и перейти в газообразную. Из-за испарительного охлаждения естественная скорость процесса со временем снижается, если нет дополнительного нагревания.
• Размеры поверхности. Зависимость объясняется тем, что чем обширнее площадь соприкосновения у жидкой и газовой среды, тем больше молекул перелетят из одной в другую. Роль играет также обратная конденсация молекул — если налить их в ёмкость с узким горлышком, пар будет оседать на её стенках и стекать обратно в толщу воды. Эту особенность явления часто эксплуатируют при охлаждении различных веществ в промышленности и бытовых целях.
• Скорость ветра. Движение воздуха «сдувает» молекулы с поверхности, увеличивая их кинетическую энергию, а также передвигает саму воду, увеличивая площадь поверхности за счёт ряби, волн, слетевших капелек и струй. Потому наличие ветра делает испарение более интенсивным. Это можно легко заметить, подув на ложку с горячей водой или чаем — так он остынет гораздо быстрее.
• Атмосферное давление. Чем оно ниже, тем быстрее жидкости испаряются. Показатель влияет и на температуру кипения — например, при показателе барометра в 0,5 АТМ вместо стандартного 1 вода закипает при 82 °C. В природе это явление можно наблюдать, если отправиться в горы.

Факторы, способные повлиять на скорость испарения, известны большинству из повседневных примеров. Далёкие предки современных людей применяли их для сушки одежды, охлаждения жидкостей и других задач.

Роль явления

Испарение и кипение — очень распространённые физические явления, без которых стала бы невозможной нормальная жизнь на земле. Люди ежедневно сталкиваются с ним в быту, а также используют в промышленности, технике, энергетике и других сферах жизнедеятельности. Кроме того, фазовый переход жидкости и газа играет важную роль в существовании живых организмов и экосистеме планеты в целом.

В организме человека, животных и растений

Испарение играет важную роль в процессе саморегуляции температуры тела человека и большинства млекопитающих. Поскольку чрезмерное тепло для них вредно или даже смертельно (при 42,2 °C в крови происходит свёртывание белка, что приводит к быстрой смерти), в процессе эволюции организм разработал систему самоохлаждения — потоотделение. Она задействуется при пребывании в жарких или душных помещениях, тяжёлом физическом труде, болезнях.

Через поры на коже выделяется жидкость, которая затем быстро испаряется. Это позволяет быстро избавиться от лишней энергии и охладить тело, нормализовав температуру. Некоторые животные инстинктивно пытаются усилить этот процесс — например, собаки в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык.

Представители флоры обладают похожим защитным механизмом. Чтобы не перегреться на солнце, они запускают процесс испарения ранее поглощённой воды, тем самым охлаждаясь. Поэтому в летнюю пору садоводы усиленно поливают культурные растения, предотвращая их засыхание или выгорание в самые жаркие дни.

В природе и окружающей среде

Роль испарения и конденсации (превращение газа обратно в жидкость) в природе трудно переоценить. Они лежат в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему необходимыми питательными веществами, спасает водоёмы от пересыхания, а животных и растений — от вымирания. Только благодаря этому явлению жизнь на земле может существовать в нынешнем виде.

Испарение большого количества воды с поверхности морей, океанов, рек и озёр приводит к появлению дождевых туч, которые разносят влагу по всему миру и питают окружающую среду. Это же явление препятствует затоплению и заболачиванию участков (особенно зимой, когда тают снега и льды), возвращая лишнюю воду обратно в мировой океан.

Благодаря испарению возможно такое явление, как запахи. Животные используют его во множестве сфер своей жизни — от охоты и поиска пищи до размножения и общения. Оно также помогает представителям фауны распознавать опасность в виде хищников или огня и дыма, обнаруживать токсичные вещества в атмосфере.

В быту и промышленности

Испарение широко применяется в бытовой жизни людей, а также в создании сложных механизмов и промышленных машин. Некоторые примеры использования этого процесса:

• создание охладителей для двигателей, ядерных реакторов, спускаемых аппаратов в космической технике;
• сушка различных вещей — от одежды до производственного сырья;
• запчасти бытовых и промышленных холодильников;
• кондиционирование и очищение воздуха;
• энергетическая промышленность;
• очистка различных веществ на молекулярном уровне;
• охлаждение воды;
• дегидрация продуктов для увеличения срока хранения, создание диетической еды путём вывода лишних веществ;
• готовка на пару в кулинарии;
• стимуляция процессов при химических опытах;
• декор и дизайн одежды — например, сублимационная фотопечать;
• оздоровительные процедуры — бани, криотерапия, косметические техники;
• медицинские ингаляции — приготовление насыщенных полезными веществами газов основано на процессе испарения.

Промышленная техника, использующая испарение для работы, строится по одной и той же схеме. В ней максимально увеличивается площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наилучший теплообмен с газовой средой. Это достигается за счёт разделения воды на отдельные струи и капли, а также образования тонких плёнок вещества на внутренней поверхности и насадках. Газ в приборах разгоняется, что также улучшает эффективность охлаждения.