Испарение

Демонстрация испарительного охлаждения. Когда датчик погружают в этанол , а затем вынимают для испарения, прибор показывает постепенно более низкую температуру по мере испарения этанола.

Испарение — это тип парообразования происходящий на поверхности жидкости , при ее переходе в газовую фазу. ^[1] Высокая концентрация испаряющегося вещества в окружающем газе значительно замедляет испарение, например, когда влажность влияет на скорость испарения воды. ^[2] Когда молекулы жидкости сталкиваются, они передают друг другу энергию в зависимости от того, как они сталкиваются. Когда молекула вблизи поверхности поглощает достаточно энергии, чтобы преодолеть давление пара , она улетучивается и попадает в окружающий воздух в виде газа. ^[3] Когда происходит испарение, энергия, отводимая от испаряющейся жидкости, снижает температуру жидкости, что приводит к испарительному охлаждению. ^[4]

В среднем только часть молекул жидкости обладает достаточной тепловой энергией, чтобы покинуть жидкость. Испарение будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, когда испарение жидкости сравняется с ее конденсацией. В закрытом помещении жидкость будет испаряться до тех пор, пока окружающий воздух не станет насыщенным.

Испарение является важной частью круговорота воды . Солнце (солнечная энергия) способствует испарению воды из океанов , озер, влаги в почве и других источников воды. В гидрологии испарение и транспирация (включающая испарение внутри устьиц растений ) вместе называются эвапотранспирацией . Испарение воды происходит, когда поверхность жидкости подвергается воздействию, позволяя молекулам улетучиваться и образовывать водяной пар; затем этот пар может подняться вверх и образовать облака. При достаточной энергии жидкость превратится в пар.

Теория

Чтобы молекулы жидкости испарились, они должны располагаться вблизи поверхности, двигаться в правильном направлении и обладать достаточной кинетической энергией жидкой фазы для преодоления межмолекулярных сил . ^[5] Когда только небольшая часть молекул соответствует этим критериям, скорость испарения низкая. Поскольку кинетическая энергия молекулы пропорциональна ее температуре, испарение происходит быстрее при более высоких температурах. По мере того, как более быстро движущиеся молекулы убегают, оставшиеся молекулы имеют более низкую среднюю кинетическую энергию, и температура жидкости снижается. Это явление еще называют испарительным охлаждением . Вот почему испаряющийся пот охлаждает тело человека.Испарение также имеет тенденцию протекать быстрее при более высоких скоростях потока между газообразной и жидкой фазами и в жидкостях с более высоким давлением пара . Например, белье на бельевой веревке высохнет (за счет испарения) быстрее в ветреный день, чем в тихий день. Тремя ключевыми составляющими испарения являются тепло, атмосферное давление (определяющее процент влажности) и движение воздуха.

На молекулярном уровне не существует строгой границы между жидким состоянием и паровым состоянием. Вместо этого существует слой Кнудсена , где фаза не определена. Поскольку этот слой имеет толщину всего несколько молекул, в макроскопическом масштабе четкую границу фазового перехода увидеть невозможно. ^[6]

Жидкости, которые не испаряются видимым образом при заданной температуре в данном газе (например, кулинарное масло при комнатной температуре ), имеют молекулы, которые не склонны передавать энергию друг другу по схеме, достаточной для того, чтобы часто давать молекуле тепловую энергию, необходимую для превращения в пар. Однако эти жидкости испаряются . Просто этот процесс гораздо медленнее и, следовательно, значительно менее заметен.

Испарительное равновесие

Если испарение происходит в закрытом помещении, выходящие молекулы накапливаются в виде пара над жидкостью. Многие молекулы возвращаются в жидкость, причем возвращающиеся молекулы становятся все более частыми по мере увеличения плотности и давления пара. Когда процесс бегства и возвращения достигает равновесия , ^[5] пар считается «насыщенным», и никаких дальнейших изменений ни в давлении и плотности пара, ни в температуре жидкости не произойдет. Для системы, состоящей из пара и жидкости чистого вещества, это состояние равновесия напрямую связано с давлением паров вещества, что определяется соотношением Клаузиуса-Клапейрона :

\ln \left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)=-{\frac {\Delta H_{\rm {vap}}}{R}}\left({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}}\right)

где P ₁ , P ₂ - давления пара при температурах Т ₁ , Т ₂ соответственно, Δ H _пар - энтальпия испарения , а R - универсальная газовая постоянная . Скорость испарения в открытой системе связана с давлением пара, обнаруженным в закрытой системе. Если жидкость нагревается, то когда давление паров достигает давления окружающей среды, жидкость закипает .

Способность молекулы жидкости испаряться во многом зависит от количества кинетической энергии, которой может обладать отдельная частица. Даже при более низких температурах отдельные молекулы жидкости могут испаряться, если они имеют больше минимального количества кинетической энергии, необходимой для испарения.

Факторы, влияющие на скорость испарения

Примечание. В качестве обычного примера окружающего газа здесь используется воздух; однако эту роль могут выполнять и другие газы.

Концентрация испаряющегося вещества в воздухе: Если в воздухе уже имеется высокая концентрация испаряющегося вещества, то данное вещество будет испаряться медленнее.
Расход воздуха: Частично это связано с указанными выше точками концентрации. Если «свежий» воздух (т. е. воздух, который еще не насыщен ни этим веществом, ни другими веществами) все время движется над веществом, то концентрация вещества в воздухе с меньшей вероятностью будет повышаться со временем, таким образом способствуя более быстрому испарению. Это результат уменьшения пограничного слоя на поверхности испарения со скоростью потока, что приводит к уменьшению диффузионного расстояния в застойном слое.

Количество минеральных веществ, растворенных в жидкости

Межмолекулярные силы: Чем сильнее силы, удерживающие молекулы вместе в жидком состоянии, тем больше энергии нужно получить, чтобы уйти. Это характеризуется энтальпией парообразования .

Давление: Испарение происходит быстрее, если на поверхность оказывается меньше усилий, удерживающих молекулы от запуска.

Площадь поверхности: Вещество с большей площадью поверхности будет испаряться быстрее, так как на единицу объема приходится больше поверхностных молекул, которые потенциально способны улетучиться.

Температура вещества: чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия молекул на его поверхности и, следовательно, тем быстрее скорость их испарения.

Фотомолекулярный эффект: Количество света будет влиять на испарение. Когда фотоны попадают на поверхность жидкости, они могут заставить отдельные молекулы вырваться на свободу и исчезнуть в воздухе без необходимости дополнительного тепла. ^[7]

В США Национальная метеорологическая служба измеряет в различных местах на открытом воздухе по всей стране фактическую скорость испарения со стандартной открытой поверхности воды. Другие делают то же самое по всему миру. Данные США собираются и компилируются в ежегодную карту испарения. Измерения варьируются от менее 30 до более 120 дюймов (3000 мм) в год.

Поскольку это обычно происходит в сложной среде, где «испарение является чрезвычайно редким событием», механизм испарения воды до конца не изучен. Теоретические расчеты требуют непомерно длительного и объемного компьютерного моделирования. «Скорость испарения жидкой воды является одной из основных неопределенностей в современном моделировании климата». ^[8]^[9]

Термодинамика

Испарение — эндотермический процесс , поскольку при испарении поглощается тепло.

Приложения

Промышленное применение включает множество печати и нанесения покрытий процессов ; извлечение солей из растворов; и сушка различных материалов, таких как пиломатериалы, бумага, ткань и химикаты.
Использование выпаривания для сушки или концентрирования проб является обычным подготовительным этапом для многих лабораторных анализов, таких как спектроскопия и хроматография . Системы, используемые для этой цели, включают ротационные испарители и центробежные испарители .
Когда одежда висит на веревке для стирки, даже если температура окружающей среды ниже точки кипения воды, вода испаряется. Это ускоряется такими факторами, как низкая влажность , тепло (от солнца) и ветер. В сушилке для одежды через одежду продувается горячий воздух, что позволяет воде очень быстро испаряться.
Матки /матка — традиционный индийский сосуд из пористой глины, используемый для хранения и охлаждения воды и других жидкостей.
Ботихо . , традиционный испанский контейнер из пористой глины, предназначенный для охлаждения содержащейся в ней воды путем испарения
Испарительные охладители , которые могут значительно охладить здание, просто продувая сухой воздух через фильтр, насыщенный водой.

Испарение при горении

топлива Капли испаряются, получая тепло, смешиваясь с горячими газами в камере сгорания. Тепло (энергию) можно получить также излучением от любой горячей огнеупорной стенки камеры сгорания.

Испарение перед сжиганием

Двигатели внутреннего сгорания полагаются на испарение топлива в цилиндрах с образованием топливно-воздушной смеси, обеспечивающей хорошее сгорание.Химически правильная топливовоздушная смесь для полного сгорания бензина составляет 15 частей воздуха на одну часть бензина или 15/1 по весу. Изменение этого соотношения на объем дает 8000 частей воздуха на одну часть бензина или 8000/1 по объему.

Нанесение пленки

Тонкие пленки можно наносить путем испарения вещества и конденсации его на подложку или путем растворения вещества в растворителе, тонкого распределения полученного раствора по подложке и выпаривания растворителя. уравнение Герца-Кнудсена В этих случаях для оценки скорости испарения часто используется .

См. также

Атмометр (испариметр)
Точка кипения
Криофор
Кристаллизация
Опреснение
Дистилляция
Сушка
Поток вихревой ковариации (также известный как вихревая корреляция, вихревой поток)
Испаритель
Эвапотранспирация
Мгновенное испарение
Теплота испарения
Уравнение Герца – Кнудсена
Гидрология (сельское хозяйство)
Скрытое тепло
Скрытый тепловой поток
Пан-испарение
Сублимация (фазовый переход) (фазовый переход из твердого тела непосредственно в газ)
Транспирация

Фазовые переходы вещества (
v
т
и
)
К От	Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Твердый		плавление	Сублимация
Жидкость	Замораживание		Испарение
Газ	Депонирование	Конденсат		Ионизация
Плазма			Рекомбинация

Ссылки

^ «определение испарения» . Словарь.com . Проверено 23 января 2018 г.
^ «Почему влажность и скорость ветра влияют на испарение?» . Наука . Проверено 20 августа 2022 г.
^ «Испарение». «Справочник нового студента» (1914) . 1914. с. 636.
^ Лонер, Друзья по науке, Свенья. «Охлаждающая наука: испарительное охлаждение с помощью жидкостей» . Научный американец . Проверено 23 января 2018 г. {{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б Зильберберг, Мартин А. (2006). Химия (4-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 431–434 . ISBN 0-07-296439-1 .
^ Гусаров А.В.; Смуров И. (2002). «Газодинамические граничные условия испарения и конденсации: Численный анализ слоя Кнудсена». Физика жидкостей . 14 (12): 4242. Бибкод : 2002PhFl...14.4242G . дои : 10.1063/1.1516211 .
^ Как свет может испарять воду без необходимости нагревания
^ Ричард Сайкалли (11 июня 2015 г.). «Пять вещей, которые мы до сих пор не знаем о воде» . Наутилус . Проверено 20 октября 2021 г.
^ Котаро Охаси (18 мая 2020 г.). «Коэффициент испарения и коэффициент конденсации пара в условиях высокого давления газа» . Научные отчеты . 10 (8143). Природа: 8143. Бибкод : 2020NatSR..10.8143O . дои : 10.1038/s41598-020-64905-5 . ПМЦ 7235219 . ПМИД 32424295 .

Дальнейшее чтение

Сзе, Саймон Мин (25 сентября 2001 г.). Полупроводниковые приборы: физика и технология . Уайли. ISBN 0-471-33372-7 . Особенно подробно обсуждается осаждение пленки путем испарения.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с испарением, на Викискладе?

[1] «определение испарения» . Словарь.com . Проверено 23 января 2018 г.

[2] «Почему влажность и скорость ветра влияют на испарение?» . Наука . Проверено 20 августа 2022 г.

[3] «Испарение». «Справочник нового студента» (1914) . 1914. с. 636.

[4] Лонер, Друзья по науке, Свенья. «Охлаждающая наука: испарительное охлаждение с помощью жидкостей» . Научный американец . Проверено 23 января 2018 г. {{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Silberberg-5] Перейти обратно: ^а ^б Зильберберг, Мартин А. (2006). Химия (4-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 431–434 . ISBN 0-07-296439-1 .

[6] Гусаров А.В.; Смуров И. (2002). «Газодинамические граничные условия испарения и конденсации: Численный анализ слоя Кнудсена». Физика жидкостей . 14 (12): 4242. Бибкод : 2002PhFl...14.4242G . дои : 10.1063/1.1516211 .

[7] Как свет может испарять воду без необходимости нагревания

[naut-sayk-8] Ричард Сайкалли (11 июня 2015 г.). «Пять вещей, которые мы до сих пор не знаем о воде» . Наутилус . Проверено 20 октября 2021 г.

[9] Котаро Охаси (18 мая 2020 г.). «Коэффициент испарения и коэффициент конденсации пара в условиях высокого давления газа» . Научные отчеты . 10 (8143). Природа: 8143. Бибкод : 2020NatSR..10.8143O . дои : 10.1038/s41598-020-64905-5 . ПМЦ 7235219 . ПМИД 32424295 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]