Как происходит испарение

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.

Испарение

Испаре́ние — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Читать еще: Как заработать фотографу

Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.

Испаре́ние — это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом E_k > E_п.

Содержание

Общая характеристика

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.

Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с.м 2 ) или кг/(с.м 2 )]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Молекулярный уровень

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения.

Термодинамическое равновесие

Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а — от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б — от жидкой фазы только к поверхности испарения; в — к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г — к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.

Баро-, термодиффузии

Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости.

При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота Испарение может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при испарении от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основной массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг. При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объёмом или омывающим её поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж — Qи, где Qи -теплота испарения, Qжг — количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемое испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на Испарение (Qж = Qи).

Читать еще: Какой нужен размер клетки для крысы

В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами.

Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена.

Скорость испарения

Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 •с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: , где D — коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; — газовая постоянная пара, [Дж/(кг•К)] или [м 2 /(с 2 •K)]; T — температура смеси, [К]; р — давление парогазовой смеси, [Па]; — парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па].

В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях — приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз.

Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр — рп, осн) = bpр(уп, гр — уп, осн) или jп = bc(cп, гр — сп, осн), где bp, bc — коэффициент массоотдачи, p — давление смеси, рп — парциальное давление пара, yп = pп/p — молярная концентрация паров, cп = rп/r — массовая концентрация паров, rп, r — локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» — у границы раздела фаз, «осн» — в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2•с)]: q = aж(tж — tгр) = rjп + aг (tгр — tг), где aж, aг — коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 •К)]; r — теплота Испарение, [Дж/кг].

При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр

tж, то при расчете испарения могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = aг l/lг — число Нуссельта, l — характерный размер поверхности испарения, lг — коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpyг, грl/Dp = bccг, грl/D — число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и bс вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп : 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг, гр) или массовую (сг, гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b.

Читать еще: Чем опасен хламидиоз

Уравнения

Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя.

При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость.

Конструкции аппаратов

Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата.

Применение

Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.

Как происходит испарение

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и кипение.

Испарение

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар.

Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.

Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Например, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.

Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.

Конденсация

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.

Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным.

Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.