Испарение и конденсация: особенности процесса

Факторы, влияющие на скорость испарения

Рассмотрим факторы, которые влияют на испарение (в частности, его скорость).

1. Строение вещества

В первую очередь испарение связано со строением самого вещества. Можно привести следующий пример: возьмём две бумажные салфетки, смочим одну салфетку водой, а другую – эфиром. Можно заметить, что та салфетка, которая смочена эфиром, высохнет гораздо быстрее. Это объясняется тем, что сила взаимодействия между молекулами эфира гораздо меньше, чем сила взаимодействия между молекулами воды. И поэтому испарение происходит у эфира быстрее.

2. Площадь поверхности

Площадь свободной поверхности жидкости играет очень важную роль: если площадь поверхности достаточно большая, то количество частиц, покидающих жидкость, будет, конечно же, больше, и в этом случае испарение будет происходить быстрее. Можно привести такой пример: если в блюдце налить воду и такое же количество воды налить в стакан, то из блюдца испарение будет происходить гораздо быстрее (Рис. 2). Другой пример: все знают, что бельё, перед тем как его повесить сушиться, встряхивают и расправляют. В этом случае площадь белья увеличивается, соответственно, площадь испарения также увеличивается, и сам процесс испарения происходит быстрее.

Рис. 2. Блюдце и стакан с водой (Источник) (Источник)

3. Температура

Ещё одно явление, которое влияет на испарение, – это изменение температуры. Чем температура выше, тем быстрее происходит испарение. То есть, нагревая тело, мы можем увеличивать скорость процесса испарения, ускорять его, или, наоборот, если мы будем понижать температуру, то процесс испарения будет замедляться. Объясняется это тем, что с увеличением температуры возрастает скорость движения частиц. А раз скорость движения возрастает, то большее количество частиц может покинуть жидкость и перейти в газообразное состояние.

Поскольку движение частиц происходит непрерывно, то процесс испарения также непрерывен. Поскольку при любой температуре движение частиц не прекращается, то и испарение может происходить практически при любой температуре. Поэтому испарение происходит даже при низкой температуре. Например, лужи на улице высыхают не только летом, когда жарко, но и осенью, когда холодно (Рис. 3). Отличается лишь скорость высыхания луж.

Возникает вопрос: что можно сказать об энергии жидкости при испарении? Так как жидкость покидают наиболее быстрые частицы, то они обладают большей кинетической энергией. Следовательно, в целом энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Пояснить это можно на следующем примере: возьмём несколько человек, построим их в ряд и измерим их средний рост. Затем из этого строя уберём самых высоких и снова измерим средний рост. В результате, вполне логично, получится меньшее значение. То же самое происходит и с энергией. Каждый раз частицы с наибольшей энергией уходят из жидкости, и внутренняя энергия жидкости уменьшается.

Однако в жизни это охлаждение мы замечаем крайне редко. С чем же это связано? Это происходит из-за того, что жидкость сообщается с окружающими телами, в первую очередь, конечно, с воздухом, и поэтому, охлаждаясь, одновременно получает энергию из окружающих тел, то есть из воздуха. В результате этого «теплообмена» температура поддерживается на одном уровне. А испарение происходит с приблизительно одинаковой интенсивностью.

4. Ветер

Следующий фактор, который влияет на испарение, – это наличие ветра. Представьте себе, что над поверхностью жидкости образуется газ. Процесс испарения, как мы выяснили, продолжается непрерывно. Но точно так же будет происходить процесс возвращения молекул обратно в жидкость. Если же дует ветер, то он уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и не даёт им вернуться обратно в жидкость. В этом случае процесс испарения ускоряется, то есть скорость испарения возрастает.

Очень важно заметить и то, что в быту часто встречается так называемое испарение в закрытых сосудах. К примеру, если взять кастрюлю, в которой находится вода, то на поверхности крышки с внутренней стороны образуются капельки воды

То есть, поскольку внутри кастрюли ветра нет, то процесс испарения и возвращения молекул обратно в жидкость в данном случае выравнивается. Вот такое состояние называют динамическим равновесием.

Физические условия конденсации пара: от осадков до облачности

Прежде всего, для конденсации пара необходимо достичь точки росы — температуры, при которой насыщенный пар начинает конденсироваться. Для разных веществ эта температура может быть различной. Например, для воды точка росы составляет 100 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении.

Однако, помимо понижения температуры, конденсация пара может происходить под влиянием других физических факторов. Например, при повышении давления пара происходит сокращение межмолекулярных расстояний, что способствует образованию жидкости.

Конденсация пара является процессом, который происходит в природе повсеместно. От осадков до облачности — это несколько стадий конденсации пара, которые происходят в атмосфере. Когда насыщенный воздух охлаждается, то в нем начинают конденсироваться мельчайшие капли воды, образуя туман или облака. При дальнейшем охлаждении и коагуляции капли растут, пока не становятся достаточно тяжелыми, чтобы падать на землю в виде дождя, снега или града.

Конденсация пара не только играет важную роль в формировании погодных явлений, но и является фундаментальным процессом в многих технических и промышленных процессах. Например, конденсация пара используется в паровых турбинах для преобразования энергии пара в механическую энергию.

Сколько теплоты выделяется при конденсации

Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Во время конденсации происходит выделение теплоты, которая сохраняется в веществе в виде скрытого или латентного тепла.

Количество теплоты, выделяемое при конденсации, зависит от различных факторов, таких как вещество, его начальное состояние и условия окружающей среды.

Для каждого вещества существует определенное количество теплоты, называемое теплотой конденсации, которое требуется для перехода единицы массы вещества из газообразной фазы в жидкую при постоянной температуре и давлении.

Теплота конденсации может быть выражена в различных единицах измерения, таких как калории, джоули или британские тепловые единицы. Например, для воды теплота конденсации составляет около 540 кал/г или 2260 кДж/кг.

Теплота конденсации также может быть определена как разность между энтальпией парообразного и жидкого состояний вещества при постоянной температуре и давлении.

При конденсации газа в жидкость выделяется количество теплоты, равное теплоте конденсации, которая является отрицательной величиной. Это означает, что во время конденсации происходит выделение тепла, что приводит к повышению температуры окружающей среды.

Таким образом, сколько теплоты будет выделяться при конденсации зависит от вида вещества и его условий, и может быть выражено в калориях или других единицах измерения. Это является важным физическим явлением, которое имеет множество практических применений в различных отраслях науки и техники.

Изменение системы образования

Современный мир становится все более сложным и быстро меняющимся, что требует от системы образования постоянного обновления и адаптации. Ключевые факторы, влияющие на изменение системы образования, включают в себя развитие технологий, изменения в требованиях к рынку труда и научные открытия.

Одной из основных причин изменения системы образования является развитие технологий. С развитием компьютеров и Интернета, доступ к информации стал гораздо более простым и быстрым. Это требует изменения подходов к обучению, чтобы студенты могли развивать навыки поиска, анализа и применения информации.

Изменение требований к рынку труда также влияет на систему образования. Сегодняшний рынок труда требует не только знаний, но и навыков, таких как коммуникация, решение проблем, творческое мышление. Это требует от системы образования изменить приоритеты и обучать студентов не только фактам, но и навыкам, которые могут быть легко применены на рынке труда.

Научные открытия также влияют на изменение системы образования. Новые открытия и технологии создают новые области знания, требующие от образовательной системы адаптации и развития новых программ обучения. Например, развитие генетики и биотехнологий требует развития новых курсов по биологии и химии.

Изменение системы образования необходимо для подготовки студентов к быстро меняющемуся миру. Образовательные учреждения должны быть гибкими и адаптироваться к новым требованиям и вызовам, чтобы обеспечить студентам знания и навыки, необходимые для успеха в будущем.

Практическое применение конденсации для получения энергии

Одним из практических применений конденсации для получения энергии является использование пара в турбинах. Пар, полученный путем кипячения воды, проходит через турбины и приводит их в движение. Это движение преобразуется в механическую энергию, которая в дальнейшем может быть использована для привода различных устройств, таких как генераторы, насосы, компрессоры и другие.

Еще одним примером практического применения конденсации для получения энергии являются конденсационные энергоустановки для отопления. В таких установках используется процесс конденсации водяного пара для обогрева зданий. При конденсации выделяется большое количество тепла, которое передается воздуху и помещению. Это позволяет значительно сэкономить энергию, потребляемую для отопления.

Также конденсация используется для получения энергии при производстве пищевых продуктов. Например, в процессе выпаривания и последующей конденсации соков из фруктов и овощей получается концентрат, который используется в производстве соков, компотов и джемов. В процессе конденсации выделяется тепло, которое может быть использовано для нагрева сырья и обеспечения технологических процессов.

• Использование конденсации для получения энергии является эффективным и экологически чистым способом. Возобновляемое вещество, такое как вода, используется в процессе конденсации и не требуется дополнительная энергия для его восстановления.
• Практическое применение конденсации находит широкое применение в различных отраслях промышленности и бытовой сфере.
• Энергия, полученная в результате конденсации, может быть использована для нагрева, генерации электроэнергии, привода различных механизмов и других нужд.

Динамическое равновесие, насыщенный и ненасыщенный пар

Определение

Динамическое равновесие – это состояние системы «пар – жидкость», при которой количество молекул, вышедших из жидкости (перешедших в пар), равно количеству молекул, которое вернулось из пара обратно в жидкость.

Если же преобладает испарение над возвращением частиц обратно в жидкость, то такой пар, который находится над жидкостью, называется ненасыщенным.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

При динамическом равновесии общая масса системы «пар – жидкость» не меняется: количество молекул, которые «вылетели» с поверхности жидкости, равно количеству молекул, которые «вернулись». Поэтому в целом масса всей системы «пар – жидкость» не изменяется.

Испарение и конденсация

Переход вещества в газообразное состояние называется парообразованием.

Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется паром это го вещества.

При парообразовании увеличиваются средние расстояния между молекулами. В результате потенциальная энергия взаимодействия частиц увеличивается (численное значение ее уменьшается, но она отрицательна). Таким образом, процесс парообразования связан с увеличением внутренней энергии вещества.

Парообразование может происходить непосредственно из твердого состояния — это возгонка (или сублимация).

Переход из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.

Испарение — это парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или с вакуумом.

Экспериментально установлены следующие закономерности:

1. При одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с поверхности вещества за 1 с).
2. Скорость испарения тем больше:
   1. чем больше площадь свободной поверхности жидкости;
   2. чем меньше плотность паров над поверхностью жидкости. Скорость увеличивается при движении окружающего воздуха (ветер);
   3. чем больше температура жидкости.
3. При испарении температура тела понижается.

Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT: молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда ее кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работа выхода). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, а температура жидкости понижается.

Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить некоторое количество теплоты.

Количество теплоты Q, необходимое для превращения жидкости в пар при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.

Экспериментально установлено, что Q = Lm, где m — масса испарившейся жидкости, L — удельная теплота парообразования.

Удельная тепло га парообразования — величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения в пар жидкости единичной массы при неизменной температуре.

Рис. 1

Удельная теплота парообразования L зависит от рода жидкости и внешних условий. При увеличении температуры она уменьшается (рис. 1). Это объясняется тем, что все жидкости при нагревании расширяются. Расстояния между молекулами при этом увеличиваются и силы молекулярного взаимодействия уменьшаются. Кроме того, чем больше температура, тем больше средняя кинетическая энергия движения молекул и тем меньше энергии им нужно добавить, чтобы они могли вылететь за пределы поверхности жидкости.

Молекулы пара хаотически движутся. Поэтому скорости некоторых из них будут направлены в сторону жидкости. Достигнув поверхности, они втягиваются в нее силами притяжения со стороны молекул, находящихся на поверхности жидкости, и снова становятся молекулами жидкости. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Число возвратившихся в жидкость за определенный промежуток времени молекул тем больше, чем больше концентрация молекул пара, а следовательно, чем больше давление пара над жидкостью. Конденсация пара сопровождается нагреванием жидкости. При конденсации выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено при испарении.

Что влияет на скорость испарения

Скорость испарения зависит от большого количества факторов. Вот только некоторые из них:

Строение вещества, его молекулярный состав играют определяющую роль для параметров испарения. Например, если намочить один кусок ткани водой, а другой эфиром, то окажется, что ткань смоченная эфиром высохнет намного быстрее. Силы притяжения между молекулами эфира существенно меньше сил притяжения водяных молекул. Поэтому эфир испарится быстрее. Запахи духов и туалетной воды мы чувствуем почти мгновенно также благодаря “летучести” молекул парфюма;

Рис. 2. Распространение запаха туалетной воды — это испарение жидкости.

Площадь поверхности, с которой идет испарение также играет значительную роль. Чем больше площадь свободной поверхности, тем больше частиц будет покидать жидкость, и скорость испарения будет увеличиваться. Простой пример демонстрирует это утверждение. Вода, налитая в большое блюдце испарится намного быстрее такого же количества воды, наполнившего стакан с меньшей площадью открытой поверхности;

Рис. 3. Блюдце и стакан с испаряющейся водой.

• Температура — это еще один фактор, который значительно влияет на скорость испарения. Увеличение температуры жидкости приводит к росту скоростей молекул, вследствие чего возрастает количество молекул, покидающих жидкость. При понижении температуры все происходит ровно наоборот. С повышением температуры скорость испарения увеличивается. Понижение температуры будет работать на уменьшение скорости.
• Влияние воздушных потоков над поверхностью жидкости тоже оказывает значительное влияние на скорость испарения. Дело в том, что часть испарившихся молекул, теряя энергию, возвращается обратно (конденсируется). Поэтому воздушный поток, например, ветер или поток воздуха от вентилятора принудительно уберет эти молекулы от поверхности, тем самым увеличит скорость испарения.

На первый взгляд довольно простой процесс испарения описывается достаточно сложными математическими моделями. Для понимания формулы поглощенной энергии при испарении жидкости необходимо знать основы высшей математики. В общем виде можно записать, что поглощенная энергия E является функцией F нескольких переменных:

$$ ΔE = F(N, T, S, t, v) $$

где:

E — поглощенная энергия. Греческая буква Δ используется перед основным обозначением переменной, указывая на уменьшение или увеличение (изменение) этой величины;

N — величина, связанная с молекулярным составом вещества;

T — температура;

S — площадь поверхности;

t — время испарения;

v — скорость внешнего воздушного потока.

Хорошим примером охлаждения в процессе испарения является наше собственное ощущение после купания и выхода из воды. Вода испаряется и отбирает тепло нашего тела. Однако, если поставить стакан с водой у окна, освещенного солнцем, то жидкость будет испаряться, но не охладится, а скорее всего нагреется. Никакого парадокса здесь нет. Дело в том, что испарение происходит не моментально, а постепенно. Одновременно будет идти процесс нагрева воды от потока солнечного тепла, и либо температура воды останется прежней, либо повысится.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что испарение — это физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Процесс испарения происходит при любой температуре, без дополнительного сообщения тепла, когда поверхность жидкости открыта. В процессе испарения происходит поглощение энергии. Скорость испарения зависит от строения вещества, площади свободной поверхности жидкости, температуры и наличия внешних воздушных потоков (ветра).

1. /5

   Вопрос 1 из 5

Применение конденсации в технических процессах

Процесс конденсации пара широко используется в различных технических процессах в различных отраслях промышленности. Вот несколько примеров его применения:

1. Охлаждение и кондиционирование воздуха: конденсация используется в холодильных установках и кондиционерах для охлаждения воздуха. Пар охлаждаются и конденсируются, отдавая свою теплоту окружающей среде. Это позволяет создать комфортные условия для работы и жизни внутри помещений.
2. Производство пара: в парогенераторах происходит конденсация водяного пара для получения пара нужной температуры и давления. Пар используется в производстве электроэнергии, промышленных процессах и в других технических целях.
3. Дистилляция: конденсация используется в процессе дистилляции для разделения смесей на компоненты. Пары смеси конденсируются и собираются отдельно, часто выделяя различные жидкие фракции. Этот процесс широко применяется в химической промышленности и производстве алкогольных напитков.
4. Охлаждение оборудования: конденсация используется для охлаждения различных оборудований, включая двигатели, трансформаторы и электронные устройства. Пар конденсируется на поверхности оборудования, отводя тепло и предотвращая его перегрев.
5. Производство лекарств: в фармацевтической промышленности конденсация применяется для получения и очистки различных лекарственных субстанций. Она позволяет получить чистые и высококачественные продукты.

Это лишь некоторые примеры применения конденсации пара в технических процессах

Этот физический процесс является важной частью многих индустриальных процессов и играет ключевую роль в обеспечении эффективного функционирования различных систем

ФИЗИКА

§ 17. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение её при конденсации пара

При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя скорость остальных молекул жидкости становится меньше. Следовательно, и средняя кинетическая энергия остающихся в жидкости молекул уменьшается. Это означает, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.

Охлаждение жидкости при испарении можно наблюдать на опыте. Для этого нужно обмотать шарик термометра ватой (или кусочком материи) и полить её эфиром. Быстро испаряющийся эфир отнимает часть внутренней энергии от шарика термометра, вследствие чего температура последнего понижается. Если эфиром смочить руку, то мы будем ощущать охлаждение.

Конденсация пара на окне

Выходя из воды даже в жаркий день, мы чувствуем, что нам прохладно. Вода, испаряясь с поверхности нашего тела, отнимает от него некоторое количество теплоты.

Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения её температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно и температура воды поддерживается постоянной за счёт количества теплоты, поступающего из окружающего воздуха. Значит, чтобы испарение жидкости происходило без изменения её температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Испарение жидкости сопровождается поглощением энергии.

Испарение имеет большое значение в жизни животных. Затруднение испарения нарушает теплоотдачу и может вызвать перегревание тела.

Известно, что одновременно с испарением происходит переход молекул из пара в жидкость.

Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

Термин «конденсация» происходит от латинского слова конденсаре — «сгущать».

Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся в воздухе, при охлаждении конденсируется, и маленькие капельки воды оседают на траве и листьях.

Выпадение росы

Конденсацией пара объясняется образование облаков. Пары воды, поднимающиеся над землёй, образуют в верхних, более холодных слоях воздуха облака, состоящие из мельчайших капелек воды.

Вопросы

1. Против каких сил совершают работу молекулы, выходящие из жидкости при испарении?
2. Как объяснить понижение температуры жидкости при её испарении?
3. Как можно на опыте показать охлаждение жидкости при испарении?
4. Как можно объяснить, что при одних и тех же условиях одни жидкости испаряются быстрее, другие — медленнее?
5. При каких условиях происходит конденсация пара?
6. Какие явления природы объясняются конденсацией пара? Приведите примеры и объясните их.

Упражнение 13

1. В какую погоду скорее просыхают лужи от дождя: в тихую или ветреную; в тёплую или холодную? Как это можно объяснить?
2. Почему горячий чай остывает быстрее, если на него дуют?
3. Выступающий в жару на теле пот охлаждает тело. Почему?
4. Почему в сухом воздухе переносить жару легче, чем во влажном?
5. Чтобы остудить воду в летнюю жару, её наливают в сосуды, изготовленные из слабообожжённой глины, сквозь которую вода медленно просачивается. Вода в таких сосудах холоднее окружающего воздуха. Почему?
6. В блюдце и в стакан налита вода одинаковой массы. Где вода быстрее испарится? Почему?
7. Для чего летом после дождей или полива приствольные круги плодовых деревьев покрывают слоем перегноя, навоза или торфа?

Задание

В два одинаковых блюдца налейте по одинаковому количеству воды (например, по три столовых ложки). Одно блюдце поставьте в тёплое место, а другое — в холодное. Запишите, за какое время испарится вода в том и другом блюдце. Объясните разницу в скорости испарения.