что быстрее испаряется вода или эфир
Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар
Содержание
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.
Парообразование – это явление превращения жидкости в пар.
Есть два способа превращения жидкости в газ:
В данном уроке мы рассмотрим первый способ – испарение.
Испарение
Испарение – это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.
Молекулы жидкости находятся в беспрерывном движении. Движутся они с разными скоростями.
Иногда достаточно “быстрые молекулы” могут оказаться у поверхности жидкости. Тогда они преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают из жидкости. Такие молекулы образуют над жидкостью пар.
Другие молекулы при движении соударяются друг с другом и со стенками сосуда. При этом меняются их скорости. Так образуются новые “быстрые” молекулы, способные вылететь из жидкости.
Этот процесс все время продолжается, поэтому жидкость испаряется постепенно.
Скорость испарения и род жидкости
Очевидно, что жидкости испаряются не всегда одинаково. Когда-то быстрее, когда-то медленнее. Скорость испарения зависит от определенных причин.
Наполним два одинаковых открытых сосуда водой и эфиром одинаковой массы (рисунок 1).
Мы заметим, что эфир будет испаряться намного быстрее, чем вода. Мы можем фиксировать эти изменения, взвешивания воду или отмечая ее объем.
Скорость испарения зависит от рода жидкости.
Быстрее будет испаряться та жидкость, в которой молекулы притягиваются друг к другу с меньшей силой. В таких жидкостях большему количеству молекул проще преодолеть сопротивление и вылететь.
Скорость испарения и температура
В жидкостях всегда имеется некоторое число быстро движущихся молекул. Значит,
Испарение происходит при любой температуре.
Наполним два одинаковых сосуда водой одинаковой массы. Но в один сосуд нальем воду комнатной температуры, а в другой – подогретую до высокой температуры (рисунок 2).
Наблюдения покажут, что количество подогретой жидкости в сосуде уменьшилось быстрее, чем жидкости комнатной температуры.
Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.
При увеличении температуры жидкости, увеличивается ее внутренняя энергия. При этом увеличивается средняя кинетическая энергия молекул и средняя скорость их движения. Значит, чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул, которыe способны вылететь с поверхности.
Например, после дождя на улице остаются лужи. Дождь может пройти и холодной осенью, и жарким летом. Когда лужи высыхают быстрее? Конечно же летом, когда на улице более высокая температура.
Скорость испарения и площадь поверхности жидкости
Возьмем два сосуда одинакового объема, но разной формы. Один широкий, а второй – узкий (рисунок 3). Заполним их водой одной и той же массы.
Наблюдения покажут, что вода из широкого сосуда будет испаряться быстрее, чем из узкого.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности.
Испарение происходит с поверхности жидкости. Значит, чем больше поверхность, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
Зачем мы развешиваем белье после стирки? Чтобы оно быстрее высохло. Ведь в скомканном состоянии его площадь намного меньше, чем в расправленном виде.
Скорость испарения и ветер
Быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости, образуя пар. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Некоторые молекулы пара, беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, снова возвращаются в нее.
Очевидно, что если уменьшить количество возвращающихся в жидкость молекул, скорость испарения увеличится. Количество жидкости будет уменьшаться быстрее. Это возможно при наличии ветра (рисунок 4).
При наличии ветра испарение жидкости происходит быстрее.
Ветер уносит молекулы пара, не давая их части вернуться обратно в жидкость.
Примером может послужить использование фена для волос. Создавая такой “искусственный ветер”, мы увеличиваем скорость испарения, что позволяет достаточно быстро высушить волосы.
Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью
Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 5).
Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.
С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным – наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.
В таком случае пар называют насыщенным.
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.
При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.
Ненасыщенный пар
Если в пространстве, которое окружает рассматриваемую жидкость и содержит ее пары, может происходить дальнейшее испарение, то пар, находящийся в этом пространстве называют ненасыщенным.
Ненасыщенный пар – это пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью.
Так, в открытом сосуде масса жидкости будет постепенно уменьшаться. Большинство молекул пара будет оставаться в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.
Испарение твердых тел
Некоторые твёрдые тела тоже могут испаряться. Испарение твердых тел называют возгонкой (или сублимацией).
Например, таким свойством обладает лёд. Это объясняет то, что белье после стирки высыхает и на зимнем морозе. Нафталин испаряется при комнатной температуре, поэтому мы чувствуем его запах.
Запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Поэтому говорят, что всякое пахнущее твёрдое вещество возгоняется в значительной степени.
На самом деле испаряются все твердые тела (даже железо). Но плотность насыщенного пара оказывается настолько мала, что обнаружить его очень сложно, иногда практически невозможно.
Молекулярная физика. Испарение и конденсация.
Испарение.
Испарение — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), происходящее со свободной поверхности жидкости.
Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, также называют испарением.
Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования. Другой вид — это кипение.
Механизм испарения.
Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.
Поглощение энергии при испарении.
Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).
Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и температура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.
Скорость испарения жидкости.
В отличие от кипения, испарение происходит при любой температуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жидкости, и тем быстрее идет испарение.
Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это связано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.
Применение испарения в технике.
Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.
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.
Испарение и конденсация
4. Выясним, от чего зависит скорость испарения жидкости. Проделаем опыт. Капнем на стеклянную поверхность воду, спирт и растительное масло. Проследим, какая жидкость испарится первой. Заметим, что раньше всех испарится спирт, затем вода, позже — подсолнечное масло. Значит, скорость испарения зависит от рода жидкости.
Вы хорошо знаете, что на ветру бельё сохнет быстрее, чем при отсутствии ветра. Это происходит потому, что ветер уносит вылетевшие из жидкости молекулы, освобождая место для других. Понятно, почему вы дуете на ранку после того, как её смажут иодом и вы почувствуете жжение. Спирт, в котором растворён иод, при этом будет быстрее испаряться. Таким образом, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости.
Как вы думаете, из какого сосуда — стакана или блюдца — вода испарится быстрее, если масса воды будет одинаковой? Опыт показывает, что из блюдца. Это объясняется тем, что площадь поверхности воды в блюдце больше, чем в стакане, следовательно, большее число молекул сможет оказаться на поверхности и, преодолев силы притяжения, вылететь с неё. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.
Вы, конечно, замечали, что в жаркий летний день лужи высыхают быстрее, чем в холодный осенний. Очевидно, что с повышением температуры скорость испарения возрастает. И это неудивительно, поскольку чем выше температура жидкости, тем больше скорости движения её молекул и соответственно их кинетическая энергия. А раз так, то большее число молекул способно преодолеть силы притяжения и выйти за пределы поверхности жидкости. Таким образом, скорость испарения зависит от температуры жидкости.
5. Выясним, что происходит с жидкостью в сосуде при испарении. Проделаем опыт. Возьмём термометр, обмотаем его конец тряпочкой, смоченной водой, а лучше одеколоном. Заметим, что столбик жидкости в термометре начнёт опускаться. Это свидетельствует об уменьшении температуры жидкости при испарении. Например, если на руку капнуть одеколон или эфир, то рука начнёт ощущать холод.
Объясняется этот факт следующим образом. При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей энергией, поэтому внутренняя энергия оставшейся части жидкости уменьшается. Следовательно, уменьшается и температура жидкости.
6. Все вы наблюдали вечером после жаркого летнего дня выпадение росы. Это водяной пар, содержащийся в воздухе, при охлаждении превращается в жидкость, и капельки воды оседают на листьях и траве.
Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют 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, в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы возвратятся в жидкость.
Если процесс испарения идёт быстрее, чем процесс конденсации, то масса жидкости в сосуде уменьшается. Это происходит, когда сосуд открыт.
§ 16. Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар
Так как некоторое число быстро движущихся молекул всегда имеется в жидкости, то испарение должно происходить при любой температуре. Наблюдения подтверждают это. Например, лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают и летом в жару, и осенью, когда уже холодно. Но летом они высыхают быстрее. Дело в том, что чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул. Они способны преодолеть силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости.
Поэтому испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.
Если в узкий и широкий сосуды налить по одинаковому объёму воды, то можно заметить, что в широком сосуде вода испарится значительно быстрее. Например, вода, налитая в блюдце, испаряется быстрее, чем вода, налитая в стакан. Развешанное бельё быстрее высыхает, чем скомканное. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетает в воздух.
Значит, скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности.
Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова возвращается в жидкость.
Если испарение жидкости происходит в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличится и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным.
При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться (рис. 20).
В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это связано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость. Но небольшая часть их возвращается обратно в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.
Зная, от каких причин зависит скорость испарения, мы можем объяснить теперь, зачем, например, переливают чай из стакана в блюдце, дуют на горячий суп или кашу, обмахиваются веером.
Наблюдения и опыты показывают, что испаряются и твёрдые тела. Испаряется, например, лёд, поэтому бельё высыхает и на морозе. Испаряется нафталин, поэтому мы чувствуем его запах.
Вопросы
1. Какое явление называют испарением?
2. Почему испарение жидкости происходит при любой температуре?
3. От чего зависит скорость испарения жидкости?
4. Почему испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости?
5. Как зависит скорость испарения жидкости от площади её поверхности?
6. Какой пар называется насыщенным?
7. Какой пар называется ненасыщенным?
8. Почему испарение жидкости происходит быстрее, если над её поверхностью дует ветер?
Задание
1. На стеклянную пластинку или блюдце с помощью пипетки капните по 1—2 капли воды, масла и духов. Пронаблюдайте, какая капля испарится первой, а какая последней. Дайте объяснение.
2. Возьмите корректирующую жидкость на водной основе. Нанесите её на две буквы, написанные на разных листах. На одну из букв, покрытую корректирующей жидкостью, подуйте. Объясните, почему в последнем случае она высохнет быстрее.
Что быстрее испаряется вода или эфир
Одним из возможных способов охлаждения зеркальца конденсационного гигрометра является испарение на обратной стороне зеркальца жидкости, в результате чего от зеркальца отнимается теплота испарения. Какую жидкость лучше для этого использовать — эфир или воду? Давления насыщенных паров эфира и воды при комнатной температуре равны 60 кПа и 2,3 кПа, соответственно. Ответ поясните.
В воздухе всегда присутствуют водяные пары, концентрация которых может быть различной. Опыт показывает, что концентрация паров не может превышать некоторого максимально возможного значения nmax (для каждой температуры это значение своё). Пары с концентрацией, равной nmax, называются насыщенными. С ростом температуры максимально возможная концентрация водяных паров также растёт. Отношение концентрации n
водяных паров при данной температуре к максимально возможной концентрации при той же температуре называется относительной влажностью, которая обозначается буквой f. Относительную влажность
принято измерять в процентах. Из сказанного следует, что f = (n/nmax) · 100%.
При этом относительная влажность не может превышать 100%.
Пусть при некоторой температуре t концентрация водяных паров в воздухе равна n, а относительная влажность меньше, чем 100%. Если температура будет понижаться, то вместе с ней будет уменьшаться и величина nmax, а значит, относительная влажность будет увеличиваться. При некоторой критической температуре относительная влажность достигнет значения 100% (в этот момент концентрация водяных паров станет максимально возможной при данной температуре). Поэтому дальнейшее понижение температуры приведёт к переходу водяных паров в жидкое состояние — в воздухе образуются капли тумана, а на предметах выпадут капли росы. Поэтому упомянутая выше критическая температура называется точкой росы (обозначается tр).
На измерении точки росы основано действие прибора для определения относительной влажности воздуха — конденсационного гигрометра. Он состоит из зеркальца, которое может охлаждаться при помощи какого-либо
устройства, и точного термометра для измерения температуры зеркальца. При понижении температуры зеркальца до точки росы на нём выпадают капли жидкости. Величину относительной влажности воздуха определяют по измеренному значению точки росы при помощи специальных таблиц.
Существует ещё одна разновидность тумана — ледяной туман. Он наблюдается при температурах ниже −(10 ÷ 15) °C и состоит из мелких кристалликов льда, которые сверкают либо в лучах солнца, либо в свете луны или фонарей. Особенностью ледяного тумана является то, что он может наблюдаться и при относительной влажности, меньшей 100% (даже менее 50%). Условием возникновения ледяного тумана при низкой относительной влажности является очень низкая температура (ниже −30 °C) и наличие обильных источников водяного пара (например, труб и сточных водоёмов
промышленных предприятий, печных труб жилых помещений, выхлопных труб мощных двигателей внутреннего сгорания и т. п.). Поэтому ледяной туман при низкой влажности наблюдается в населённых пунктах, на крупных железнодорожных станциях, на активно действующих аэродромах и т. п.