Кипение жидкости школьный курс физики

Понимание испарения

Испарение твердых тел

Испаряются
не только жидкости, но и твердые тела.
Молекулы, которые расположены у
поверхности твердого тела и имеют
достаточную кинетическую энергию,
способны покинуть тело. Процесс перехода
вещества из твердого состояния
непосредственно в газообразное называется
сублимацией
или возгонкой.

Например, нафталин
или камфара испаряются при комнатной
температуре и нормальном давлении,
минуя жидкое состояние. Точно так же
испаряются кристаллы брома или иода,
особенно если их подогреть. Испаряется
также лед. Если влажное белье развесить
на морозе, то вода замерзает, а затем
лед испаряется, и белье высыхает.

При испарении
жидкостей они охлаждаются, так как
жидкость покидают наиболее быстрые
молекулы.

Влажность воздуха

Воздух при любых условиях содержит водяной пар, который образован в результате испарения воды. Влажность характеризует концентрацию водяного пара в воздухе.

Определение

Абсолютная влажность воздуха \((\rho)\) представляет собой массу водяного пара, который содержится в 1 м³ воздуха, или является плотностью водяного пара, содержащегося в воздухе.

В том случае, когда относительная влажность воздуха составляет \(9,41*10^{-3} kg/m^{3}\), в 1 м³ содержится \(9,41*10^{-3} kg\) водяного пара. Относительная влажность – это величина, которая характеризует степень влажности воздуха.

Определение

Относительная влажность воздуха \((\varphi)\) является величиной, равной отношению плотности \((\rho)\), которой обладает водяной пар, содержащийся в воздухе, к плотности насыщенного водяного пара \(\rho _{0}\) при этой температуре.

Формула расчета относительной влажности имеет вид:

\(\varphi =\frac{\rho}{\rho _{0}}100%\)

Температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, является точкой росы. Влажность измеряют с помощью психрометра, который состоит из влажного и сухого термометров. По показаниям этим приборов можно определить по таблице относительную влажность воздуха.

Интенсивность испарения

Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:

• Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы долгое время остаются влажными, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все высыхает быстро — из-за высокой температуры. Но это только если в сезон дождей дождь умудрился прекратиться
• Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. Фен для волос работает на этом принципе — по сути, он создает портативный ветер, который помогает высушить ваши волосы.
• Дефицит влажности. Интенсивность испарения будет выше там, где больше дефицит влажности. Вряд ли многие из нас были Сахаре, но что это такое представляют все. В любой пустыне колоссально низкая влажность — из-за этого испарение идет интенсивнее.
• Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже выяснили, что не смотря на разницу между кипением и испарением, эти два процесса между собой связаны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста равна 69 градусам Цельсия. В то время, как в нашей повседневной жизни она равна 100. Это возвращает нас к первому фактору — температуре.

Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.

Почему вода в жидком состоянии испаряется быстрее льда?

Ответ прост – температура и состояние молекул. В жидком состоянии, молекулы воды средне активны (в виде пара их активность достигает пика). Находясь в состоянии льда, элементарные частицы замирают, их движение замедляется вдвое, что значительно воспрепятствует преодолению межмолекулярного притяжения. По точным данным ученых в области физики, за один час, с поверхности воды, расположенной на плоском предмете выходит порядка 1249 молекул воды. Со льдом, ситуация крайне противоположна. За те же 60 минут, с емкости аналогичной площади выходит лишь 317 молекул. Можно сделать вывод, что вода, находясь в состоянии льда, испаряется в четыре раза медленнее.

Еще один фактор – температура жидкости.Разберем на примере воды и метилового спирта. Метил выступает горючей жидкостью, но находясь в жидком состоянии, он испаряется в стандартных пропорциях (1249 молекул/час). Но стоит его поджечь, как процесс ускоряется вдвое. Дело в том, что над точкой возгорания образуется воздушная воронка с высоким давлением, которая создает беспрестанные циркулирующие потоки воздуха. Попадая в них, преобразовавшиеся в пар молекулы спирта, быстрее покидают первоначальное место. Чем сильнее воздушный поток, тем меньше молекул жидкости вернется к первобытному источнику Относительно, первичный объем емкости быстрее уменьшится.

Проведем эксперимент.

Возьмем пластмассовую бутылку с водой и поставим ее на открытую местность под влияние ультрафиолета. Как выяснилось ранее, под воздействием высокой температуры, вода испаряется быстрее. Но почему жидкость в бутылке будет преобразовываться в пар медленнее? Выходящие молекулы не смогут «протиснуться» в узкое горлышко разом, поэтому они осядут на стенки бутылки и скатятся вниз, в общую массу. Из этого следует еще один вывод – воздействие температуры не имеет силы, если жидкость содержится в крупной емкости, но с небольшим выходом (горлышком).

При испарении
жидкость покидают молекулы, кинетическая
энергия которых больше их средней
кинетической энергии. Поэтому среднее
значение кинетической энергии остающихся
молекул жидкости уменьшается. А это
означает понижение температуры
испаряющейся жидкости. Вот почему вы
чувствуете, что в жаркий летний день
становится прохладно сразу после
купания. Испарение воды с поверхности
тела приводит к охлаждению его. Известно
также, что в мокрой одежде холоднее, чем
в сухой, особенно при ветре. Очень сильное
охлаждение получается, если испарение
происходит быстро. При быстром испарении
эфира при атмосферном давлении может
произойти охлаждение ниже О °С. Это
можно обнаружить так. В вогнутое очковое
стекло надо налить немного эфира и
поставить его на стол, смоченный водой.
При быстром испарении эфира (испарение
ускоряют продуванием воздуха над эфиром)
стеклышко примерзает к поверхности
стола. Охлаждением при испарении летучих
жидкостей пользуются врачи, когда нужно
заморозить кожу больного, чтобы сделать
ее нечувствительной к боли.

В жарких странах
для охлаждения воды ее обычно содержат
в пористых глиняных сосудах. Вода,
просачивающаяся через поры сосуда,
испаряется, охлаждая воду в сосуде.

Если лишить жидкость
возможности испаряться, то охлаждение
ее будет происходить гораздо медленнее.
Вспомните, как долго остывает жирный
суп. Слой жира на его поверхности мешает
выходу быстрых молекул воды. Жидкость
почти не испаряется, и ее температура
падает медленно (сам жир испаряется
крайне медленно, так как его большие
молекулы более прочно сцеплены друг с
другом, чем молекулы воды).

Испарение на молекулярном уровне

В жидких веществах молекулы расположены почти вплотную друг к другу, но не связаны, как в твёрдых субстанциях. Из-за этого они находятся в непрерывном движении, случайным образом сталкиваются друг с другом, меняют направление и скорость движения. Частицы, оказавшиеся близко к поверхности, со временем могут покинуть её, проникнув через зону фазового перехода.

Таким образом, испарение обусловлено непрерывным движением молекул. Если они обладают достаточной кинетической энергией и скоростью, то часть из них может сорваться с поверхности воды, преодолевая притяжение соседних частиц. Некоторые отражаются и возвращаются, другие вырываются в газовую среду и навсегда покидают вещество. Процесс повторяется с новыми (теперь тоже поверхностными) частицами, пока вся жидкость не станет газообразной.

В процессе жидкость теряет часть своей энергии, из-за чего снижается также её температура — это обусловлено тем, что первыми её покидают самые быстрые (а значит, и обладающие наибольшей кинетической силой) молекулы. В результате наблюдается явление, называемое испарительным охлаждением жидкости. Этим объясняется то, что человеку быстро становится холодно в мокрой одежде, даже если ту облить тёплой водой. При комнатной температуре явление проявляется слабо, поскольку жидкость компенсирует теряемое тепло теплообменом с окружающим воздухом.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ (По Кабардину). (Кратко 10-й класс)

Удельная теплоемкость. Если процесс теплопередачи не сопровождается работой (А=0), то на основании первого закона термодинамики, количество теплоты Q равно изменению внутренней энергии тела ΔU:

Q=ΔU. (1)

Средняя энергия беспорядочного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре (В градусах Кельвина). Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул.  Число атомов или молекул пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии ΔU тела и , следовательно, количество теплоты  Q пропорционально его массе m и изменению температуры  ΔТ:

Q=ΔU=cmΔT.    (2)

Q=cm(t2-t1)

Коэффициент пропорциональности (с)  в уравнении (2), называется удельной теплоёмкостью вещества.

Единица удельной теплоемкости  —

Удельная теплоёмкость показывает, какое количество теплоты необходимо необходимо дл нагревания 1 кг вещества на 1 °К.

(Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время – калория (1 кал). 1 калория – это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия).

Удельная теплоемкость вещества не является его однозначной характеристикой.  В зависимости от условий при которых осуществляется теплопередача, а именно, от значения работы А, сопровождающей этот процесс, одинаковое количество теплоты, переданное телу, может вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры.  В таблицах обычно приводятся данные σ удельной теплоёмкости при условии постоянного объёма тела, т.е. при условии равенства нулю работы внешних сил.

Уравнения теплового баланса.

Если изменения внутренней энергии тел происходят только в результате теплообмена, то на основании первого закона термодинамики можно записать:

И  .

Отсюда:

или

.  (3)

Уравнение 3 называется уравнением теплового баланса.

Итак, кроме механической энергии существует еще один вид энергии. Это внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества, и других факторов.  (Более подробно будет изучено в 10-м классе).

Вопросы:

1.Какие превращения энергии происходят при подъёме шара и его падении?

2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения?

3.Какую энергию называют внутренней энергией тела?

4.Зависит ли внутренняя энергия тела от его движения?

Конденсация.

Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообраз­ного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.

Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од­новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща­ется в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднима­ющиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начи­нает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.

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

Испарение

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

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

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

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

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

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

Конденсация

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

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

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

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

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

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

О чем эта статья:

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.

Механизм испарения

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояние при температуре ниже точки кипения. Оно осуществляется на поверхности жидкости путем образования паровых молекул и их выхода в атмосферу.

Механизм испарения определяется молекулярной кинетикой и законами физики. При испарении часть молекул вещества приобретает достаточно большую кинетическую энергию для перехода в газообразное состояние. Эти молекулы образуют паровую фазу и образуют паровое давление над поверхностью жидкости.

Процесс испарения зависит от нескольких факторов, включая температуру, давление и площадь поверхности жидкости. При повышении температуры, частицы вещества получают больше энергии и все больше молекул преодолевают силы притяжения других молекул, осуществляя испарение. Площадь поверхности также влияет на скорость испарения, поскольку большая поверхность позволяет большему количеству молекул переходить в газообразное состояние.

Испарение происходит до тех пор, пока из жидкости выходит столько же молекул, сколько их возвращается обратно. Это состояние называется динамическим равновесием. Скорость испарения зависит от разницы в скоростях молекул, возвращающихся обратно в жидкость и молекул, переходящих в газообразное состояние.

Испарение является важным процессом в природе. Оно играет важную роль в климатических процессах, водном круговороте и позволяет жидким веществам быстро охлаждаться.

Процесс кипения

Проведем опыт: будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде и измерять ее температуру.

Отметим, что до того, момента как мы начнем нагревать воду, с поверхности воды идет испарение. Пар при этом не виден глазу, но, тем не менее, существует.

Начнем нагревать воду. Мы заметим, что в воде начинают появляться пузырьки (рисунок 1, а). С повышением температуры они начинают увеличиваться в размерах.

Рисунок 1. Кипение воды

В воде всегда растворено некоторое количество воздуха. При повышении температуры этот воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри них — воздух и водяной пар. Водяной пар там присутствует, потому что окружающая вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Когда пузырьки поднимаются в верхние слои жидкости (более холодные), они уменьшаются в размерах. Происходит это из-за конденсации пара внутри пузырьков. Под действием силы тяжести они опускаются вниз в более горячую воду.

И снова начинают подниматься к поверхности. Происходит попеременное увеличение и уменьшение пузырьков, в ходе которых они двигаются в жидкости. При этом мы слышим шум. Он предшествует закипанию воды.

Вода постепенно прогревается по всему объему. Пузырьки перестают уменьшаться в размерах (рисунок 1, б). Под действием архимедовой силы, они всплывают на поверхность и лопаются. Насыщенный пар, содержащийся в них, смешивается с окружающим воздухом. Прекращается шум, остается только бульканье — вода закипела. Температура воды равна $100 \degree C$.

Испарение в жизни

И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.

Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.

Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно

Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.

Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.

Испарение в природе и окружающей среде

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.

Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

Испарение в промышленности и быту

С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.

В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.

Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.

Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. При том они поглощают энергию. Вы уже познакомились с первым переходом — процессом плавления. Теперь мы будем рассматривать следующий переход вещества из одного состояния в другое — превращение жидкости в газ.

Повседневные наблюдения позволяют сказать, что количество жидкости, находящейся в открытом сосуде, со временем уменьшается. Но жидкость не может просто так исчезнуть. Что же с ней происходит? Она превращается в пар.

Есть два способа превращения жидкости в газ:

В данном уроке мы рассмотрим первый способ — испарение.