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 энергию друг другу 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 будет равно ее конденсации. 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; этот пар может затем подняться вверх и образовать облака. При достаточной энергии жидкость превратится в пар.
Чтобы молекулы жидкости испарились, они должны располагаться вблизи поверхности, двигаться в правильном направлении и обладать достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил жидкой фазы . [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 данной температуре в данном газе (например, растительное 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.
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 выхода и возвращения достигает равновесия , [5] пар считается «насыщенным», и никаких дальнейших изменений ни в давлении и плотности пара, ни в температуре жидкости не происходит. Для системы, состоящей из пара и жидкости чистого вещества, это состояние равновесия напрямую связано с давлением паров вещества, что определяется соотношением Клаузиуса -Клапейрона :
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.
Примечание. В качестве обычного примера окружающего газа здесь используется воздух; однако эту роль могут выполнять и другие газы.
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 явлением», 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». [7] [8]
Испарение — эндотермический процесс , поскольку при испарении поглощается тепло.
Капли топлива испаряются, получая тепло, смешиваясь с горячими газами в камере сгорания. Тепло (энергию) можно получить также излучением от любой горячей огнеупорной стенки камеры сгорания.
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.
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. В этих случаях для оценки скорости испарения часто используется уравнение Герца -Кнудсена .
{{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
СМИ, связанные с испарением, на Викискладе?