В чем заключается процесс испарения. Исследовательская работа «Испарение

Испарение жидкости происходит при любой температуре и тем быстрее, чем выше температура, больше площадь свободной поверхности испаряющейся жидкости и быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. В объеме образуются пузыри, заполненные насыщенным паром. Они поднимаются вверх под действием выталкивающей силы и разрываются на поверхности. Центрами их образования являются мельчайшие пузырьки посторонних газов или частиц различных примесей.

Если пузырек имеет размеры порядка нескольких миллиметров и более, то вторым слагаемым можно пренебречь и, следовательно, для больших пузырьков при неизменном внешнем давлении жидкость закипает, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным внешнему давлению.

В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Испарение и кипение

Испарение и кипение – это два способа перехода жидкости в газ (пар). Сам процесс такого перехода называется парообразованием. То есть испарение и кипение – это способы парообразования. Между этими двумя способами есть существенные отличия.

Испарение происходит только с поверхности жидкости. Оно является результатом того, что молекулы любой жидкости постоянно перемещаются. Причем скорость у молекул разная. Молекулы с достаточно большой скоростью, оказавшись на поверхности, могут преодолеть силу притяжения других молекул и оказаться в воздухе. Молекулы воды, находящиеся по отдельности в воздухе, как раз и образуют пар. Увидеть глазами пар невозможно. То, что мы видим, как водяной туман, это уже результат конденсации (обратный парообразованию процесс), когда при охлаждении пар собирается в виде мельчайших капелек.

В результате испарения сама жидкость охлаждается, так как ее покидают наиболее быстрые молекулы. Как известно, температура как раз определяется скоростью движения молекул вещества, то есть их кинетической энергией.

Скорость испарения зависит от многих причин. Во-первых, она зависит от температуры жидкости. Чем температура выше, тем испарение быстрее. Это и понятно, так как молекулы двигаются быстрее, а значит, им легче вырваться с поверхности. Скорость испарения зависит от вещества. У одних веществ молекулы притягиваются сильнее, и следовательно, труднее вылетают, а у других – слабее, и следовательно, легче покидают жидкость. Испарение также зависит от площади поверхности, насыщенности воздуха паром, ветра.

Самое главное, что отличает испарение от кипения, это то, что испарение протекает при любой температуре, и оно протекает только с поверхности жидкости.

В отличие от испарения, кипение протекает только при определенной температуре. Для каждого вещества, находящегося в жидком состоянии, характерна своя температура кипения. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C, а спирт при 78 °C. Однако с понижением атмосферного давления температура кипения всех веществ немного понижается.

При кипении из воды выделяется растворенный в ней воздух. Поскольку сосуд обычно нагревают снизу, то в нижних слоях воды температура оказывается выше, и пузыри сначала образуются именно там. В эти пузыри испаряется вода, и они насыщаются водяным паром.

Так как пузыри легче самой воды, то они поднимаются вверх. Из-за того, что верхние слои воды не прогрелись до температуры кипения, пузыри остывают и пар в них обратно конденсируется в воду, пузыри становятся тяжелее и снова опускаются.

Когда все слои жидкости прогреваются до температуры кипения, то пузыри уже не опускаются, а поднимаются на поверхность и лопаются. Пар из них оказывается в воздухе. Таким образом, при кипении процесс парообразования происходит не на поверхности жидкости, а по всей ее толще в образующихся пузырьках воздуха. В отличие от испарения, кипение возможно лишь при определенной температуре.

Следует понимать, что когда жидкость кипит, то происходит и обычное испарение с ее поверхности.

От чего зависит скорость испарения жидкости?

Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Английский физик и химик Д. Дальтон в начале XIX в. нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который над жидкостью имеется. Если жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точнее, оно происходит, но с той же скоростью происходит и обратный процесс – конденсация (переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое). Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха или откачивается насосом.

Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления посторонних газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний, инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение.

Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, т. е. переход твердого вещества в газообразное состояние. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.

Итак, скорость испарения зависит от:

1. Рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой. Ведь в этом случае преодолеть притяжение и вылететь из жидкости может большее число молекул.
2. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней число быстро движущихся молекул, способных преодолеть силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости.
3. Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности. Эта причина объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетает с неё в воздух.
4. Испарение жидкости происходит быстрее при ветре. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова в неё возвращается. Поэтому масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.

Выводы

Мы говорим, что вода испаряется. Но что это значит? Испарение – это процесс, при котором жидкость на воздухе быстро становится газом или паром. Многие жидкости испаряются очень быстро, гораздо быстрее, чем вода. Это относится к алкоголю, бензину, нашатырному спирту. Некоторые жидкости, например ртуть, испаряются очень медленно.

Из-за чего происходит испарение? Чтобы понять это, надо кое-что представлять о природе материи. Насколько мы знаем, каждое вещество состоит из молекул. Две силы оказывают воздействие на эти молекулы. Одна из них – сцепление, которое притягивает их друг к другу. Другая – это тепловое движение отдельных молекул, которое заставляет их разлетаться.

Если сила сцепления выше, вещество остается в твердом состоянии. Если же тепловое движение настолько сильно, что оно превосходит сцепление, то вещество становится или является газом. Если две силы примерло уравновешены, то тогда мы имеем жидкость.

Вода, конечно, является жидкостью. Но на поверхности жидкости есть молекулы, которые движутся настолько быстро, что преодолевают силу сцепления и улетают в пространство. Процесс вылета молекул и называется испарением.

Почему вода испаряется быстрее, когда она находится на солнце или нагревается? Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение в жидкости. Это значит, что все большее количество молекул набирает достаточную скорость, чтобы улететь. Когда улетают самые быстрые молекулы, скорость оставшихся молекул в среднем замедляется. Почему остающаяся жидкость охлаждается за счет испарения.

Так что, когда вода высыхает, это означает, что она превратилась в газ или пар и стала частью воздуха.

Испарение

Испарение над кружкой чая

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.

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.

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).

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.

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.

См. также

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957;
• Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958;
• Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974;
• Берман Л. Д., «Теоретические основы хим. технологии», 1974, т.8, № 6, с. 811-22;
• Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Испарение" в других словарях:

Переход в ва из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией. Зависимость давления… … Физическая энциклопедия

Парообразование, происходящее на свободной поверхности жидкости. Испарение с поверхности твердого тела называется сублимацией … Большой Энциклопедический словарь

ученица 9 Б класса Чернышова Кристина МБОУ СОШ №27 г.Ставрополя.

Тема данной исследовательской работы - исследование зависимости скорости испарения от различных внешних условий. Эта проблема остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, в свою очередь, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 27

Исследовательская работа:

«Испарение и факторы, влияющие на этот процесс»

Выполнила: ученица 9 Б класса

Чернышова Кристина.

Учитель: Ветрова Л. И.

Ставрополь

2013

I.Введение…………………………………………………………………....…….3

II Теоретическая часть………………………………...………………………….4

1.Основные положения молекулярно-кинетической теории…………………4

2. Температура…………………………………………………………..………...6

3. Характеристика жидкого состояния вещества…………………………….....7

4. Внутренняя энергия …………………………………………………….……..8

5. Испарение……………………………………………………………………..10

III .Исследовательская часть………………………………..…………………..14

IV.Заключение……………………………………………………………….…..21

V.Литература…………………………………………………………………….22

Введение

Тема данной исследовательской работы - исследование зависимости скорости испарения от различных внешних условий. Эта проблема остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, в свою очередь, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом.

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.

В карбюраторных и дизельных двигателях распределение по размерам частиц топлива определяет скорость их горения, а значит и процесс работы двигателя. Конденсационные туманы не только паров воды образуются при сгорании различных топлив, при этом образуется множество ядер конденсации, которые могут служить центрами конденсации для других паров. Эти сложные процессы определяют коэффициент полезного действия двигателей и потери топлива. Достижение наилучших результатов в исследовании этих явлений могло бы служить информацией для движения технического прогресса в нашей стране.

Итак , цель данной работы - исследовать зависимость скорости испарения от различных факторов среды и с помощью построения графиков и тщательных наблюдений заметить закономерности.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

При проведении исследования мы пользовались различными несложными приборами, такими как, термометр, а также интернет-ресурсами и другой литературой.

II Теоретическая часть.

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Многообразны и различны свойства встречающихся в природе и технике, веществ: стекло прозрачно и _хрупко, а сталь упруга и непрозрачна, медь и серебро - хорошие проводники тепла и электричества, а фарфор и шелк - плохие и т. д.

Каково внутреннее строение любого вещества? Является сплошным(непрерывным) или имеет зернистое (дискретное) строение, подобное строению кучи песка?

Вопрос о строении вещества был поставлен еще в Древней Греции, однако отсутствие экспериментальных данных делало его решение невозможным, и долгое время (свыше двух тысячелетий) не удавалось проверить гениальные догадки о строении вещества, высказанные древнегреческими мыслителями Левкиппом и Демокритом (460- 370 гг. до н. э.), которые учили, что все в природе состоит из атомов, находящихся в непрерывном движении. Их учение впоследствии было забыто, и в средние века вещество считали уже непрерывным, а изменение, состояния тел объясняли с помощью невесомых жидкостей, каждая из которых олицетворяла определенное свойство материи и могла как входить в тело, так и выходить из него. Например, считали, что добавление теплорода к телу вызывает его нагревание, наоборот - охлаждение тела происходит вследствие вытекания теплорода и т. п.

В середине XVII в. французский ученый П. Гассенди (1592-1655 гг.) вернулся к взглядам Демокрита. Он считал, что в природе имеются вещества, которые нельзя разложить на более простые составные части. Такие вещества теперь называют химическими элементами, например водород, кислород, медь и т. д. По Гассенди каждый элемент состоит из атомов определенного вида.

Различных элементов в природе сравнительно немного, но их атомы, соединяясь в группы (среди них могут быть и одинаковые атомы), дают мельчайшую частичку нового вида вещества - молекулу. В зависимости от числа и вида атомов в молекуле получаются вещества с разнообразными свойствами.

В XVIII в. появились работы М. В. Ломоносова, заложившие основы молекулярно-кинетической теории строения вещества. Ломоносов решительно боролся за изгнание из физики невесомых жидкостей, подобных теплороду, а также атомов холода, запаха и т. п., которыми широко пользовались в то время для объяснения соответствующих явлений. Ломоносов доказал, что все явления» естественно объясняются движением и взаимодействием молекул вещества. - |В начале XIX столетия английский ученый Д. Дальтон (1766-1844 гг.) показал, что, пользуясь лишь представлениями об атомах и молекулах, можно вывести и объяснить известные из опытов химические закономерности. Тем самым он научно обосновал молекулярное строение вещества. После работ Дальтона существование атомов и молекул было признано огромным большинством ученых.

К началу XX в. были измерены размеры, массы и скорости движения молекул вещества, выяснено расположение отдельных атомов в молекулах, словом, окончательно завершено построение молекулярно-кинетической теории строения вещества, выводы которой были подтверждены множеством опытов.

Основные положения этой теории следующие:

1) всякое вещество состоит из молекул, между которыми имеются межмолекулярные промежутки;

2) молекулы всегда находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении;

3) между молекулами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Эти силы зависят от расстояния между молекулами. Они имеют значительную величину лишь при очень малых расстояниях и быстро уменьшаются при удалении молекул друг от друга. Природа этих сил электрическая.

2. Температура.

Если все тела состоят из непрерывно и беспорядочно движущихся молекул, то в чем будет проявляться изменение скорости движения молекул, т. е. их кинетической энергии, и какие ощущения у человека вызовут эти изменения? Оказывается, что изменение средней кинетической энергии поступательного движения молекул связано с нагреванием или охлаждением тел.

Нередко человек определяет нагретость тела на ощупь, например, прикасаясь рукой к радиатору отопления, мы говорим: радиатор холодный, теплый или горячий. Однако определение нагретости тела на ощупь часто оказывается обманчивым. Когда зимой человек прикасается рукой к деревянному и металлическому телам, то ему кажется, что металлический предмет холоднее деревянного, хотя в действительности их нагретость одинакова. Следовательно, нужно установить такую величину, которая оценивала бы нагретость тела объективно, и создать прибор для ее измерения.

Величина, характеризующая степень нагретости тела, называется температурой. Прибор для измерения температуры называется термометром. Действие наиболее распространенных термометров основано на расширении тел при нагревании и сжатии при охлаждении. При соприкосновении двух тел с разной температурой между телами происходит обмен энергией. При этом более нагретое тело (с высокой температурой) теряет энергию, а менее нагретое (с низкой температурой) приобретает ее. Такой обмен энергией между телами ведет к выравниванию их температур и заканчивается, когда температуры тел становятся равными.

Ощущение тепла у человека возникает в том случае, когда он получает энергию от окружающих тел, т. е. когда их температура выше, чем температура человека. Ощущение холода связано с отдачей человеком энергии окружающим телам. В приведенном выше примере металлическое тело кажется человеку более холодным, чем деревянное, потому, что металлическим телам энергия от руки передается быстрее, чем деревянным, и в первом случае температура руки понижается быстрее.

3. Характеристика жидкого состояния вещества.

Молекулы жидкости в течение некоторого времени t колеблются около случайно возникшего положения равновесия, а затем перескакивают в новое положение. Время, в течение которого молекула колеблется около положения равновесия, называется временем «оседлой жизни» молекулы. Оно зависит от рода жидкости и ее температуры. При нагревании жидкости время «оседлой жизни» уменьшается.

Если в жидкости выделить достаточно малый объем, то в течение времени «оседлой жизни» в нем сохраняется упорядоченное расположение молекул жидкости, т. е. имеется подобие кристаллической решетки твердых тел. Однако если рассматривать расположение молекул жидкости относительно друг друга в большом объеме жидкости, то оно оказывается хаотическим.

Следовательно, можно сказать, что в жидкости существует «ближний порядок» в расположении молекул. Упорядоченное расположение молекул жидкости в малых объемах называется квазикристаллическим (кристаллоподобным). При кратковременных воздействиях на жидкость, меньших времени «оседлой жизни», обнаруживается большое сходство свойств жидкости со свойствами твердого вещества. Например, при резком ударе небольшого камня с плоской поверхностью о воду камень отскакивает от нее, т. е. жидкость проявляет упругие свойства. Если прыгающий с вышки пловец ударится о поверхность воды всем телом, то он сильно ушибется, так как при этих условиях жидкость ведет себя подобно твёрдому телу.

Если же время воздействия на жидкость оказывается больше времени «оседлой жизни» молекул, то обнаруживается текучесть жидкости. Например, человек свободно входит в воду с берега реки и т. п. Основными признаками жидкого состояния являются текучесть жидкости и сохранение объема. Текучесть жидкости тесно связана со временем «оседлой жизни» ее молекул. Чем меньше это время, тем большей подвижностью обладают молекулы жидкости, т. е. тем больше текучесть жидкости, а ее свойства ближе к свойствам газа.

Чем выше температура жидкости, тем больше ее свойства отличаются от свойств твердого вещества и становятся ближе к свойствам плотных газов. Таким образом, жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым и газообразным состоянием того же вещества.

4. Внутренняя энергия

Всякое тело представляет собой совокупность огромного множества частиц. В зависимости от структуры вещества этими частицами являются молекулы, атомы или ионы. Каждая из этих частиц, в свою очередь, имеет достаточно сложную структуру. Так, молекула состоит из двух или нескольких атомов, атомы состоят из ядра и электронной оболочки; ядро состоит из протонов и нейтронов и т. д.

Частицы, из которых состоит тело, находятся в непрерывном движении; кроме того, они определенным образом взаимодействуют друг с другом.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетических энергий частиц, из которых оно состоит, и энергий их взаимодействия друг с другом (потенциальных энергий).

Выясним, при каких процессах может меняться внутренняя энергия тела.

1. Прежде всего очевидно, что внутренняя энергия тела меняется при его деформации. В самом деле, при деформации меняется расстояние между частицами; следовательно, меняется и энергия взаимодействия между ними. Лишь в идеальном газе, где силами взаимодействия между частицами пренебрегают, внутренняя энергия от давления не зависит.

2. Внутренняя энергия меняется при тепловых процессах. Тепловыми называют процессы, связанные с изменением как температуры тела, так и его агрегатного состояния - плавлением или затвердеванием, испарением или конденсацией. При изменении температуры меняется кинетическая энергия движения его частиц. Однако следует подчеркнуть, что одновременно ме-

няется и потенциальная энергия их взаимодействия (за исключением случая разреженного газа). Действительно, повышение или понижение температуры сопровождается изменением расстояния между положениями равновесия в узлах кристаллической решетки тела, что мы регистрируем как тепловое расширение тел. Естественно, что при этом меняется энергия взаимодействия частиц. Переход же из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения молекулярной структуры тела, что вызывает изменение как энергии взаимодействия частиц, так и характера их движения.

3. Внутренняя энергия тела меняется при химических реакциях. В самом деле, химические реакции представляют собой процессы перестройки молекул, их распада на более простые части или, наоборот, возникновения более сложных молекул из более простых или из отдельных атомов (реакции анализа и синтеза). При этом существенно изменяются силы взаимодействия между атомами и соответственно энергии их взаимодействия. Кроме того, меняется характер как движения молекул, так и взаимодействия между ними, ибо молекулы вновь возникшего вещества взаимодействуют между собой иначе, чем молекулы исходных веществ.

4. При некоторых условиях ядра атомов испытывают превращения, которые называют ядерными реакциями. Независимо от механизма процессов, происходящих при этом (а они могут быть весьма различными), все они связаны со значительным изменением энергии взаимодействующих частиц. Следовательно, ядерные реакции сопровождаются изменением внутренней энергии тела, в состав которого входят эти ядра

5. Испарение

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое - конденсацией.

Одним из типов парообразования является испарение. Испарением называется парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой. Выясним, как объясняется испарение на основе молекулярно-кинетической теории.

Поскольку молекулы жидкости совершают хаотическое движение, среди молекул ее поверхностного слоя всегда найдутся такие молекулы, которые движутся по направлению от жидкости к газообразной среде. Однако далеко не все такие молекулы смогут вылететь из жидкости, так как на них действуют молекулярные силы, втягивающие их обратно в жидкость. Поэтому вырваться за пределы поверхностного слоя жидкости смогут только те из ее молекул, которые обладают достаточно большой кинетической энергией.

Действительно, когда молекула проходит через поверхностный слой, она должна выполнить работу против молекулярных сил за счет своей кинетической энергии. Те молекулы, кинетическая энергия которых меньше этой работы, втягиваются обратно в жидкость, а вырываются из жидкости только те молекулы, кинетическая энергия которых больше указанной работы. Вылетевшие из жидкости молекулы образуют пар над ее поверхностью. Поскольку вылетающие из жидкости молекулы приобретают кинетическую энергию в результате столкновений с другими молекулами жидкости, средняя скорость хаотического движения молекул внутри жидкости в процессе ее испарения должна уменьшаться. Таким образом, на превращение жидкой фазы вещества в газообразную должна затрачиваться определенная энергия. Находящиеся над поверхностью жидкости молекулы пара при своем хаотическом движении могут залететь обратно в жидкость и вернуть ей ту энергию, которую они унесли при испарении. Следовательно, при испарении всегда одновременно происходит и конденсация паров, сопровождающаяся увеличением внутренней энергии жидкости.

Какие причины влияют на скорость испарения, жидкости?

1. Если налить в одинаковые блюдца равные объемы воды, спирта и эфира и пронаблюдать за их испарением,то окажется,что первым испарится.эфир, затем спирт и последней испарится вода. Следовательно, быстрота

испарения зависит от рода жидкости.

2. Одна и та же жидкость испаряется тем быстрее, чем больше ее свободная поверхность. Например, если одинаковые объемы воды налить в блюдце и в стакан, то из блюдца вода испарится быстрее, чем из стакана.

3. Нетрудно заметить, что горячая вода испаряется быстрее холодной.

Причина этого ясна. Чем выше температура жидкости, тем больше средняя кинетическая энергия ее молекул и, следовательно, тем большее число их покидает жидкость за то же время.

4. Кроме того, скорость испарения жидкости тем больше, чем меньше внешнее давление на жидкость и чем меньше плотность пара этой жидкости над ее поверхностью.

Например, при ветре белье сохнет быстрее, чем в безветренную погоду, так как ветер уносит пары воды и этим способствует уменьшению конденсации пара на белье.

Поскольку на испарение жидкости затрачивается энергия за счет энергии ее молекул, температура жидкости в процессе испарения понижается. Именно поэтому заметно охлаждается рука, смоченная эфиром или спиртом. Этим же объясняется ощущение холода у человека, когда он после купанья в жаркий ветреный день выходит из воды.

Если жидкость испаряется медленно, то вследствие теплообмена с окружающими телами потери ее энергии компенсируются притоком энергии от окружающей среды, и ее температура фактически остается равной температуре среды. Однако при большой скорости испарения жидкости ее температура может оказаться значительно ниже температуры окружающей среды. С помощью «летучих» жидкостей, например эфира, можно получить значительное понижение температуры.

Отметим еще, что многие твердые вещества, минуя жидкую фазу, могут непосредственно переходить в газообразную фазу. Такое явление называется сублимацией, или возгонкой. Пахучесть твердых тел (например камфары, нафталина) объясняется их сублимацией (и диффузией). Сублимация характерна для льда, например, белье высыхает при температуре ниже 0° G.

6. Гидросфера и атмосфера Земли

1. Процессы испарения и конденсации воды играют определяющую роль в формировании погодно-климатических условий на нашей планете. В глобальном масштабе эти процессы сводятся к взаимодействию гидросферы и атмосферы Земли.

Гидросферу составляет вся имеющаяся на нашей планете вода во всех ее агрегатных состояниях; 94 % гидросферы приходится на Мировой океан, объем которого оценивается в 1,4 млрд. м3. Он занимает 71 % всей площади земной поверхности, и если бы твердая поверхность Земли была гладкой сферой, то вода покрывала бы ее сплошным слоем глубиной 2,4 км; 5,4 % гидросферы занимают подземные воды, а также ледники, атмосферная и почвенная влага. И только 0,6 % приходится на пресную воду рек, озер и искусственных водоемов. Отсюда ясно, какое значение имеет охрана пресной воды от загрязнений отходами промышленности и транспорта.

2. Атмосферу Земли принято делить на несколько слоев, каждый из которых обладает своими особенностями. Нижний, приземный, слой воздуха называют тропосферой. Ее верхняя граница в экваториальных широтах проходит на высоте 16-18 км, а в полярных - на высоте 10 км. В тропосфере содержится 90 % массы всей атмосферы, что составляет 4,8 1018 кг. Температура в тропосфере с высотой понижается. Сначала на 1 °С на каждые 100 м, а затем начиная с высоты 5 км температура опускается до -70 °С.

Давление и плотность воздуха непрерывно убывают. Самый внешний слой атмосферы на высоте около 1000 км постепенно переходит в межпланетное пространство.

3. Исследования показали, что каждые сутки с поверхности Мирового океана и других водоемов нашей планеты испаряется около 7·10 3 км 3 воды и примерно столько же выпадает в виде осадков.

Увлекаемый восходящими потоками воздуха водяной пар поднимается вверх, попадая в холодные слои тропосферы. По мере подъема пар становится насыщенным, а затем конденсируется, образуя дождевые капли и облака.

В процессе конденсации пара в атмосфере в среднем за сутки выделяется количество теплоты 1,6 ·10 22 Дж, что в десятки тысяч раз превосходит энергию, вырабатываемую на планете Земля за то же время. Эта энергия поглощается водой при ее испарении. Таким образом, между гидросферой и атмосферой Земли происходит непрерывный обмен не только веществом (круговорот воды), но и энергией.

III. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.

Для исследования процессов испарения и определения зависимости скорости испарения от различных условий был проведен ряд экспериментов.

Эксперимент 1. Исследование зависимости скорости испарения от температуры воздуха.

Материалы: Пластины стекла, 3% р-р перекиси водорода, растительное масло, спирт, вода, секундомер, термометр, холодильник.

Ход эксперимента: При помощи шприца мы наносим вещества на пластинки стекла и наблюдаем за испарением веществ.

Спирт Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 3 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 5 часов;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 40 часов;

Меняем температуру воздуха. Помещаем стекла в холодильник.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 10 часов;

Р-р перекиси водорода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 15 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 72 часа;

Вывод: По результатам исследования видно, что при различной температуре количество времени, необходимое для испарения одних и тех же веществ различно. Для одной и той же жидкости процесс испарения протекает значительно быстрее при более высокой температуре. Это доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. При уменьшении температуры увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 2 . Исследование зависимости скорости процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Материалы: Вода, спирт, часы, медицинский шприц, пластины стекла, линейка.

Ход эксперимента: Мы измеряем площадь поверхности по формуле: S=П·D 2 :4.

С помощью шприца наносим разные жидкости на пластину, придаем форму круга и наблюдаем за жидкостью до ее полного испарения. Температура воздуха в помещении остается неизменной (+24)

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности:0, 00422м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 1 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 2 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 30 часов;

Меняем условия. Наблюдаем за испарением этих же жидкостей при другой площади поверхности.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 3 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 6 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 54 часов;

Вывод: Из результатов исследования следует, что из сосудов с различной площадью поверхности, испарение осуществляется в течении разного времени. Как видно из проведенных измерений, из сосуда с большей площадью поверхности данная жидкость испаряется быстрее, что доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. С уменьшением площади поверхности увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 3. Исследование зависимости процесса испарения от рода вещества.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от рода жидкости.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, раствор перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла.

Ход эксперимента. С помощью шприца мы наносим различные виды жидкости на пластины и наблюдаем за процессом до полного испарения. Температура воздуха остается неизменной. Температуры жидкостей одинаковы.

Результаты исследований разницы между испарением спирта, воды, 3% р-ра перекиси водорода, растительного масла мы получаем из данных предыдущих исследований.

Вывод: Для полного испарения различных жидкостей требуется разное количество времени. Из результатов видно, что процесс испарения протекает быстрее у спирта и воды, а медленнее у растительного масла, то есть служит доказательством зависимости процесса испарения от физического параметра- рода вещества.

Эксперимент 4. Исследование зависимости скорости испарения жидкости от скорости воздушных масс.

Цель: исследовать зависимость скорости процесса испарения от скорости ветра.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, р-р перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла, фен.

Ход работы. Создаем искусственное перемещение воздушных масс с помощью фена, наблюдаем за процессом, ждем до полного испарения жидкости. Фен имеет два режима: простой режим, турбо режим.

В случае простого режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался около 2 минут;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 4 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 7 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 10 минут;

В случае турбо режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 1минуты;

Вода. Объем:0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 3 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 5 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 8 минут;

Вывод: Процесс испарения зависит от скорости перемещения воздушных масс над поверхностью жидкости. Чем больше скорость, тем данный процесс протекает быстрее и наоборот.

Итак, исследования показали,что интенсивность испарения жидкости различна у разных жидкостей и увеличивается при увеличении температуры жидкости, увеличении её площади свободной поверхности,наличия ветра над её поверхностью.

Заключение.

В результате выполнения работы были изучены различные источники информации по вопросу процесса испарения и условий его протекания. Определены физические параметры, оказывающие влияние на скорость протекания процесса испарения. Была исследована зависимость протекания процесса испарения от физических параметров, проведен анализ полученных результатов. Высказанная гипотеза оказалась справедливой. Теоретические предположения были подтверждены в процессе исследований - зависимость скорости протекания процесса испарения от физических параметров заключается в следующем:

С увеличением температуры жидкости увеличивается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

С уменьшением площади свободной поверхности жидкости уменьшается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

Скорость протекания процесса испарения зависит от рода жидкости.

Таким образом, процесс испарения жидкостей зависит от таких физических параметров как температура, площадь свободной поверхности и род вещества.

Данная работа имеет практическое значение, так как в ней исследована зависимость интенсивности испарения - явления, с которым мы встречаемся в повседневной жизни, от физических параметров. Используя эти знания, можно контролировать протекание процесса.

Литература

Пинский А. А., Граковский Г.Ю.Физика:Учебник для студентов учреждений

Среднего прфессионального образования/Под общ. Ред. Ю.И.Дика, Н.С.Пурышевой.-М.:ФОРУМ:ИНФРА_М,2002.-560 с.

Милковская Л.Б.Повторим физику.Учеб.пособие для поступающих в вузы.М.,»Высшая школа»,1985.608 с.

Интернет-ресурсы: http://ru.wikipedia.org/wiki/ ;

http://class-fizika.narod.ru/8_l 3.htm ;

http://e-him.ru/?page=dynamic§ion=33&article=208 ;

Учебник по физике Г.Я. Мякишев « Термодинамика»

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования . (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

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.

Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С . То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С , то выпадет роса.

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.