Парообразование, испарение и кипение - свойства, условия и примеры

Виды изменений жидкости при нагревании

Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое. Понятие это более общее, чем положение о твёрдой, жидкой и газообразной формах. Различные фазы могут находиться в пределах одного физического положения воды и называются сообразно физике процесса. Определения переходов жидкости под влиянием температуры:

1. Парообразование — явление превращения состояния жидкого вещества в газообразное. Сопровождается поглощением энергии: происходит переток внешнего нагревания во внутренний энергетический потенциал предмета.
2. Испарение — парообразование с водной поверхности, которое происходит при любой температуре. Это постоянный процесс, его скорость может зависеть от величины градуса, присутствия ветра, площади зеркальной глади.
3. Кипение — образование пара по всему объёму воды или иной жидкости. Для инициирования процесса нужно нагреть вещество до какой-то определённой температуры, называемой точкой кипения: в случае Н2О — 100ºС. Величина градуса остаётся неизменной на всё время протекания процесса.

Переход вещества из газообразной формы в жидкость — обратное превращению воды в пар действие, называется конденсацией. При этом всегда выделяется энергия, почему и требуется отводить теплоту от вещества для поддержания процесса. Температура перехода совпадает с точкой кипения.

Процессы парообразования и испарения

Причиной распада жидкости с выветриванием из вещества лёгких фракций считается разница температур на границе фазного перехода: воздух обычно теплее жидкости, что и вызывает испарение. Процесс протекает медленно, когда ему не способствуют внешние факторы, отличается от кипения тем, что отделение пара происходит только с водной поверхности.

Если естественное парообразование с зеркальной глади озера может быть незаметным, то процесс перехода в пар кипением всегда является интенсивным. Наглядный пример бурного природного парообразования — гейзер, выбрасывающий из недр под давлением горячую воду с паром. На способность жидкости испаряться быстрее или медленнее влияют несколько факторов:

1. Свойства текучего вещества, его физико-химические характеристики: прочность молекулярных связей, плотность жидкого тела. Сближенные молекулы труднее оторвать от поверхности, а с нагреванием подвижность их возрастает. Испарение спирта происходит быстрее, чем воды такого же градуса.
2. Температура — её понижение приводит к замедлению процесса парообразования.
3. Простирание поверхности — чем больше площадь соприкосновения воздуха с водной гладью, тем выше скорость испарения.
4. Величина атмосферного давления — с его понижением интенсивность парообразования возрастает.
5. Скорость ветра — способствует отрыву молекул жидкости на контакте её с воздушной средой.

Для определения количества теплоты, необходимого для превращения 1 кг жидкости в пар, используется физическая величина, обозначаемая в физике буквой L. У воды при температуре 0ºС этот показатель равен 2500 кДж/кг, а в стадии кипения удельная теплота парообразования меньше — 2260. Для сравнения: у этилового спирта L =906, у эфира — 356 кДж на кг. Величина L =0 у воды при 374,15ºС.

Рассчитать кипящую жидкость на нужное для перехода в пар количество теплоты можно по формуле Q = L *m.

Образование конденсата как завершение цикла

Одновременно с испарением при температуре кипения вещества происходит его превращение в жидкость. Хаотичное движение молекул над поверхностью воды или другого текучего субстрата приводит к их столкновению, а при совпадении векторов скорости в направлении к жидкости происходит возврат капель в кипящую среду. Конденсация длится на протяжении всего времени кипения, то есть пока температура остаётся равной 100ºС, если это вода. Другая часть испарившихся молекул улетучивается в атмосферу. В разных обстоятельствах взаимодействие парообразования и конденсации отличается:

1. Сосуд с жидкостью открытый. Процесс испарения в этом случае превалирует — масса жидкости становится меньше, а пар над поверхностью называется ненасыщенным.
2. Закрытая ёмкость. В начале перехода количество вылетающих из воды молекул преобладает над возвратом, но со временем под давлением пара в сосуде наступает динамическое равновесие. Число отделившихся капель сравнивается с количеством вернувшихся в воду молекул. В состоянии, когда влага в воздухе находится в устойчивом балансе с базовой жидкостью, пар называется насыщенным.
3. Посуда с содержимым в равновесном динамическом состоянии. Если её нагреть, то вылетающих молекул станет больше, чем возвращающихся, но после баланс восстановится. При этом плотность пара и его давление над поверхностью жидкости увеличатся.

Парообразование, составляющими которого являются испарение и кипение, всегда завершается конденсацией. В природе благодаря этим процессам непрерывно осуществляется водообмен между морями, реками, сушей, атмосферой.

Круговорот воды обеспечивает окружающий человека мир и его самого полезными веществами, способствует сохранению естественной среды обитания живых организмов.