При испарении воды что выделяется
Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Молекулярная физика. Испарение и конденсация.
Испарение.
Испарение — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), происходящее со свободной поверхности жидкости.
Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, также называют испарением.
Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования. Другой вид — это кипение.
Механизм испарения.
Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.
Поглощение энергии при испарении.
Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).
Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и температура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.
Скорость испарения жидкости.
В отличие от кипения, испарение происходит при любой температуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жидкости, и тем быстрее идет испарение.
Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это связано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.
Применение испарения в технике.
Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.
Конденсация.
Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.
Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что одновременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.
Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.
При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начинает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.
При испарении воды…
Вопросы испарения воды волнуют ученых очень давно. Первые исследования проводились еще в Древности, когда даже знаний было еще немного. Но уже тогда люди хотели знать все секреты, которые таит в себе вода. Разумеется, наибольшее количество исследований и полезных для жизни открытий было сделано за последние 200 лет. Несмотря на бурное развитие физики с семнадцатого века, водой мало кто занимался и единственное, что было сделано в те годы – очистка воды.
И даже тот факт, что горячая пища существовала тысячи лет, не волновал ученых. Ее воздействие на организм не сразу заинтересовало физиков. И все же первые шаги были сделаны в XVI веке. Изучали в то время, прежде всего, воздействие влаги и пара на человека. Ведь он был единственным в своем роде объектом, который можно было подвергать изучению. Прежде всего, сравнивали температуры, сравнивали особенности воздействия и сошлись на том, что пар может оказывать как благотворное, так и негативное влияние. Достаточно слишком сильно нагреть пар, слишком долго поддерживать испарение – иными словами, все, что было бы «слишком» для кожи человека, приносило вред.
Пар для личных нужд
Поэтому в поиске новых открытий старались уточнить допустимые параметры пара. Более точные исследования стартовали намного позже, когда пар стал применяться в промышленности, когда развитие паровых машин преобразило мир. Стало необходимо точно рассчитать ту силу, которую пар несет в себе, которой может передвигать поршни и вращать колеса. Классическая физика Ньютона в тот момент перестала быть полезной – она была создана для твердых тел, а влага не представляла собой такое. Даже если на поверхности тела находится немного жидкости, то уже в этом случае невозможно было бы рассчитать потенциальные взаимодействия тел.
Из-за испарения воды также происходили изменения во взаимодействиях тел. Охлаждение, деформация – все это было следствием выброса молекул жидкости из основного объема влаги. Интересно, насколько же сильно могло быть воздействие? Давайте представим обычный чайник. В него налито три литра воды. Чтобы полностью превратить три литра воды в пар на газовой плите, требуется не меньше полутора часов времени (здесь все зависит от формы чайника и мощности плиты). В трех литрах воды содержится 10 26 молекул. Воздействие молекул, которые отрываются от жидкости, на саму жидкость, то это лишь тысячные доли. Именно по этой причине никто не может заметить воздействия. Кроме того, с идеально ровной поверхности любая молекула может оторваться под углом от 0 до 180 градусов, что в среднем (по теории вероятности) дает обратную силу, направленную строго вниз.
Смотреть видео фильм «Что происходит при испарении воды с открытых поверхностей»
МКТ и немного жидкости
Конечно, все это несколько сложно для восприятия, ведь молекулярно-кинетическая теория была разработана уже в 19-м веке, когда физика дошла до составных частей элементарных веществ. Но все же, без этого никак нельзя понять, почему величина расстояния между молекулами, которые испаряются с поверхности воды, увеличивается. Причем увеличивается оно сразу же по нескольким причинам.
Первая причина очень простая и понятная всем и каждому: при переходе из одного агрегатного состояния в другое, молекулы раздвигаются вширь, промежутки между ними увеличиваются, а взаимодействие уменьшается. Вторая причина также не сложная: при нагревании молекулы двигаются быстрее, а потому они обретают большую энергию и получают за ее счет возможность оторваться от воздействия других молекул, расположенных поблизости. Если подумать, то ведь и переход в иное агрегатное состояние также возможен лишь при нагреве воды или иного вещества. Поэтому все сводится лишь к увеличению кинетической энергии.
При испарении воды с поверхности тела расстояние между ее молекулами увеличивается… всегда ли?
Разрушения, вызванные паровым котлом
Поскольку на поверхности тела и на поверхности воды влага есть почти всегда (даже при минимальной влажности и низкой температуре), то давление водяного пара наблюдается при любых земных условиях. Они очень разнообразны: Антарктида и Африка кажутся очень далекими друг от друга частями Земли, но на самом деле одинаковая влажность может наблюдаться в обеих точках.
Что касается влияния влажности и пара на тела, то здесь нужно учитывать десятки факторов: скорость движения, влажность воздуха, температуру внешней среды, вид среды, а также несколько прочих. От них зависит, к примеру, траектория полета пули, степень деформации тела и многое-многое другое.
Молекулярная связь
Но даже когда между молекулами расстояние велико, существует сила связи. Из-за ее воздействия кинетическая энергия может вырастать или уменьшаться. Согласно закону всемирного тяготения, две молекулы притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратнопропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, сила уменьшается с увеличением расстояния, но полностью никогда не пропадает. Поэтому даже сильно разогретый пар никогда не распадается на отдельные молекулы, насколько высокой ни была бы температура.
Путь до частицы можно уменьшить, но здесь уже работает другая теория, теория идеального газа. Рассматривая ее приближенно, можно понять, что повышение температуры не всегда ведет к изменению плотности газа. Существует три основных параметра: температура, объем и давление. Чем выше температура, тем выше давление при неизменном объеме. Если давление увеличить, то при неизменном объеме температура вырастет – а вот изменения расстояния не будет. Удивительного ничего нет, потому что только что были рассмотрены классические изобарные процессы.
Физика и чайник
При работе с водой физика будет встречаться постоянно. Избавиться от ее законов нельзя ни при каком раскладе. Когда изучается движение волны или полет молекулы с поверхности какого-либо объекта, когда рассматривается движение жидкости в сосуде, везде используется МКТ – молекулярно-кинетическая теория. И если в школе физика была скучной, то даже для изучения обыденных вещей стоит применять некоторые интересные теории. Кстати, поведение жидкости в сосуде очень подробно можно рассмотреть и на примере чайника. Когда происходит испарение или нагрев жидкости, отдельные области перемещаются. Некоторые молекулы во время испарения вырываются наружу, некоторые возвращаются обратно. Если происходит стопроцентное возвращение, система называется насыщенной. При нулевой влажности количество вернувшихся молекул стремится к нулю.
Вот так, когда происходит любой физический процесс, можно использовать математические и физические законы, чтобы точно рассчитать все до сотых. Но если хочется просто знать закономерности, которым подчиняется вода, то достаточно всего лишь прочитать наши статьи, раскрывающие не только природу жидкости, но и тайны, которые она хранит.
Испарение
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 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.
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:
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 |
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
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.
Интенсивность испарения
Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.
Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:
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, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.
Но если мы тот же воздух поместим в помещение 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%.
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.