Випаровування. Процес фазового переходу речовини з рідкого стану в пароподібне

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 90

У навколишньому нас світі постійно і безперервно відбувається величезна безліч різних фізичних явищ і процесів. Одним з важливих можна вважати процес випаровування. Існує кілька обов’язкових умов для цього явища. У цій статті ми розглянемо кожну з них докладніше.

Що таке випаровування?

Це процес перетворення речовин на газоподібний або пароподібний стан. Воно характерне тільки для речовин рідкої консистенції. Однак щось схоже спостерігається і у твердих тіл, тільки називається дане явище сублімацією. Це можна помітити при ретельному спостереженні за тілами. Наприклад, шматок мила з плином часу підсихає і починає тріскатися, це пояснюється тим, що крапельки води в його складі випаровуються і переходять в газоподібний стан H₂O.

Визначення у фізиці

Випаровування — це ендотермічний процес, при якому джерелом поглинуваної енергії служить теплота фазового переходу. Вона включає в себе дві складові:

• певна кількість теплоти, необхідна для подолання молекулярних сил тяжіння, коли відбувається розрив між сполученими молекулами;
• теплота, необхідна при роботі розширення молекул у процесі перетворення рідких речовин на пар або газ.

Як це відбувається?

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібне може відбуватися двома способами:

1. Випаровування — це процес, при якому з поверхні рідкої речовини відлетучуються молекули.
2. Кипіння — процес пароутворення з рідини шляхом доведення температури до питомої теплоти кипіння речовини.

Незважаючи на те що обидва ці явища перетворюють рідку речовину на газ, між ними є суттєві відмінності. Кипіння — це активний процес, який здійснюється тільки при певній температурі, тоді як випаровування відбувається за будь-яких умов. Ще одна відмінність полягає в тому, що кипіння характерне для всієї товщі рідини, а друге явище виникає тільки на поверхні рідких речовин.

Молекулярно-кінетична теорія випаровування

Якщо розглядати цей процес на молекулярному рівні, то він відбувається наступним чином:

1. Молекули в рідких речовинах знаходяться в постійному хаотичному русі, всі вони мають абсолютно різні швидкості. Між тим частинки притягуються один до одного завдяки силам тяжіння. Кожен раз коли вони стикаються один з одним, їх швидкості змінюються. У якийсь момент у деяких розвивається дуже велика швидкість, що дозволяє подолати сили тяжіння.
2. Ці елементи, які опинилися на поверхні рідини, мають таку кінетичну енергію, що здатні долати міжмолекулярні зв’язки і залишати рідину.
3. Саме ці найшвидші молекули вилітають з поверхні рідкої речовини, причому відбувається цей процес постійно і безперервно.
4. Опинившись у повітрі, вони перетворюються на пар — називається це пароутворенням.
5. Як наслідок цього, середня кінетична енергія решти частинок стає все менше. Цим і пояснюється остигання рідини. Згадайте, як у дитинстві нас вчили дути на гарячу рідину, щоб вона швидше охолола. Виходить, що ми прискорювали процес випаровування води, і спад температури відбувався набагато швидше.

Від яких факторів залежить?

Існує безліч умов, необхідних для виникнення даного процесу. Воно відбувається звідусіль, де присутні частинки води: це і озера, моря, річки, всі вологі предмети, покриви тіл тварин і людей, а також листя рослин. Можна зробити висновок, що випаровування — це досить значущий і незамінний процес для навколишнього світу і всіх живих істот.

Ось які фактори впливають на дане явище:

1. Швидкість випаровування безпосередньо залежить від складу самої рідини. Відомо, що у кожної з них існують свої особливості. Наприклад, ті речовини, у яких теплота пароутворення нижче, будуть перетворюватися швидше. Порівняємо два процеси: випаровування спирту і звичайної води. У першому випадку перетворення в газоподібний стан відбувається швидше, тому що питома теплота пароутворення і конденсації у спирту дорівнює 837 кДж/кг, а у води майже в три рази більше — 2260 кДж/кг.
2. Швидкість також залежить від початкової температури рідини: чим вона більша, тим швидше утворюється пар. Як приклад візьмемо склянку води, коли всередині судини знаходиться окріп, то пароутворення відбувається з набагато більшою швидкістю, ніж коли температура води нижче.
3. Ще один фактор, що визначає швидкість протікання даного процесу, — це площа поверхні рідини. Згадайте, що в тарілці великого діаметру гарячий суп остигає швидше, ніж у маленькій страві.
4. Швидкість розповсюдження речовин у повітряному середовищі багато в чому визначає і швидкість випаровування, тобто чим швидше відбувається дифузія, тим швидше відбувається пароутворення. Наприклад, при сильних вітрах крапельки води швидше випаровуються з поверхні озер, річок і водосховищ.
5. Температура повітря в приміщенні також відіграє важливу роль. Детальніше про це ми поговоримо трохи нижче.

Яка роль вологості повітря?

Внаслідок того що процес випаровування відбувається звідусіль безперервно і постійно, то в повітрі завжди присутні частинки води. У молекулярному вигляді вони виглядають як група елементів H₂O. Рідини можуть випаровуватися залежно від показника обсягу водяних парів в атмосфері, цей коефіцієнт і називається вологістю повітря. Вона буває двох видів:

1. Відносна вологість — це відношення кількості водяних парів у повітрі до щільності насиченого пари при тій же температурі в процентному співвідношенні. Наприклад, показник 100% говорить про те, що атмосфера повністю насичена молекулами H₂
2. Абсолютна ж характеризує щільність водяних парів у повітряному середовищі, позначається буквою f і показує, яка маса молекул води міститься в 1м³ повітря.

Зв’язок процесу випаровування та вологості повітря можна визначити наступним чином: Чим менше показник відносної вологості повітря, тим швидше буде відбуватися випаровування з поверхні землі та інших предметів.

Випаровування різних речовин

У різних речовин цей процес протікає по-різному. Наприклад, випаровування спирту відбувається швидше, ніж у багатьох рідин завдяки його маленькій питомій теплоті пароосвіти. Найчастіше подібні рідкі речовини називаються летючими, тому що водяні пари буквально відлетучуються з них практично при будь-яких температурах.

Спирт також може випаровуватися навіть при кімнатній температурі. У процесі готування вина або горілки спирт проганяється через самогонний апарат, тільки досягнувши температури кипіння, вона приблизно дорівнює 78 градусам. Однак реальна температура випаровування спирту буде трохи більшою, тому що у вихідному продукті (наприклад, бразі) він являє собою сполуки з різними ароматичними маслами і водою.

Конденсація і сублімація

Наступне явище можна спостерігати щоразу, коли закипає вода в чайнику. Зверніть увагу, що при кипінні вода переходить з рідкого стану в газоподібний. Відбувається це таким чином: гарячий струмінь водяного пари з великою швидкістю вилітає з чайника через його носик. При цьому пар видно не просто біля виходу з носика, а на невеликій відстані від нього. Цей процес називається конденсацією, тобто водяні пари згущуються до такої міри, що стають видні для наших очей.

Випаровування твердого тіла називається сублімацією. При цьому вони переходять з агрегатного стану в газоподібне, минаючи стадію рідини. Найвідоміший випадок сублімації пов’язаний з кристалами льоду. У первісному вигляді лід є твердою речовиною, при температурі вище 0 ° він починає танути, приймаючи рідкий стан. Однак у деяких випадках при негативних температурах лід переходить у пароподібну форму, минаючи рідку фазу.

Вплив випаровування на людський організм

Завдяки випаровуванню в нашому тілі відбувається терморегуляція. Відбувається цей процес через систему самоохолодження. У спекотний спекотний день людині, яка займається певною фізичною працею, стає дуже спекотно. Це означає, що в ньому збільшується внутрішня енергія. А як відомо, при температурі вище 42 ° білок в крові людини починає згортатися, якщо вчасно не зупинити цей процес, він призведе до смерті.

Система самоохолодження влаштована якраз таким чином, щоб регулювати температуру для нормальної життєдіяльності. Коли температура стає гранично допустимою, через пори на шкірі починається активне потовиділення. А потім вже з поверхні шкіри відбувається випаровування, яке поглинає зайву енергію тіла. Іншими словами, випаровування — це процес, що сприяє охолодженню організму до нормального стану.