Молекулярная физика. Испарение и конденсация

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимо­связанными явлениями – испарением и сгоранием паро­воздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и ки­пение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жид­кости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жид­костью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.

За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация . Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами ис­парения и конденсации.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.

Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде

Давление насыщенного пара (р н.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличива­ется. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказыва­ется обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.

Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всег­да существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равно­весия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщен­ных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:

, (4.1)

или в интегральной форме:

, (4.2)

где р н.п. – давление насыщенного пара, Па;

DН исп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;

Т – температура жидкости, К.

Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:

. (4.3)

Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над по­верхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).

Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.

Cтраница 2

При полном насыщении температура газа становится равной температуре жидкости. Поэтому температуру испаряющейся жидкости в изобарно-адиабатическом процессе называют температурой адиабатического насыщения газа. При некоторых условиях температура мокрого термометра соответствует температуре испаряющейся f / oo % жидкости.  

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этого температура испаряющейся жидкости понижается: жидкость охлаждается.  

Мы видели, что при извлечении хладагента в газовой фазе из контура холодильной установки все части установки, в которых еще находится жидкость, будут очень сильно охлаждаться за счет испарения этой жидкости. Для установок, оборудованных конденсаторами или испарителями с водяным охлаждением, последствия такого падения температуры испаряющейся жидкости могут быть особенно катастрофическими.  

Для сушки многих жидких материалов находят применение сушилки, работающие по принципу распыления материала. В распылительных сушилках сушка протекает настолько-быстро, что материал не успевает нагреться сверх допустимого предела, и его температура близка к температуре испаряющейся жидкости. Высушенный материал получается в виде порошка и не требует дальнейшего измельчения.  

По мере испарения сжиженного газа температура жидкости и пара становится меньше температуры внешней среды. Жидкость и пар начинают получать тепло через стенки резервуара из внешней среды. Температура испаряющейся жидкости становится меньше температуры пара. Теплопередача от внешней среды к жидкости и пару увеличивается, так как средняя разность температур Atm в процессе теплообмена возрастает.  

При полном насыщении температура газа становится равной температуре жидкости. Поэтому температуру испаряющейся жидкости в изобарно-адиа-батическом процессе называют температурой адиабатического насыщения газа. При некоторых условиях температура смоченного термометра показывает температуру испаряющейся жидкости.  

При полном насыщении температура газа становится равной температуре жидкости. В связи с этим температуру испаряющейся жидкости в изобарно-адиабатическом процессе называют температурой адиабатического насыщения газа. При некоторых условиях температура мокрого термометра соответствует температуре испаряющейся жидкости.  

В паровом пространстве котла получается насыщенный парг который содержит в себе мелкие капли жидкости и поэтому называется влажным паром. При форсированной работе котла влажность пара повышается. Особенность насыщенного пара состоит в том, что его температура равна температуре испаряющейся жидкости; эта температура повышается с увеличением давления и имеет вполне определенное значение для каждого давления.  

Происходящее со свободной поверхности жидкости.

Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, так-же 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 не-прерывном 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 пов-торится 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 уменьшает-ся. 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 темпера-тура 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 темпе-ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес-кую энергию , чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид-кости, и тем быстрее идет испарение.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото-рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап-нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид-кость 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 жид-кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя-зано 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 начи-нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере-грева.

Конденсация.

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

Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од-новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща-ется 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, поднима-ющиеся 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, начи-нает 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.

857. Температура воды в открытом сосуде, находящемся в комнате, всегда немного ниже температуры воздуха в комнате. Почему?
Потому что с поверхности воды происходит испарение, которое сопровождается потерей энергии, и, следовательно, понижением температуры.

858. Почему температура жидкости при испарении понижается?
При испарении уменьшается внутренняя энергия жидкости, а это ведет и к снижению температуры.

859. В Москве колебание температуры кипения воды составляет 2,5 ° (от 98,5 °С до 101 °С). Чем можно объяснить такую разницу?
Неравномерностью рельефа. С увеличением высоты над уровнем моря вода закипает при температуре ниже 100°С. А если температура кипения выше 100°С, это означает, что она находится ниже уровня моря.

860. Выполняется ли закон сохранения энергии при испарении? при кипении?
Выполняется. Сколько энергии было затрачено на нагревание, столько же энергии выделится в виде пара.

861. Если смочить руку эфиром, вы ощутите холод. Почему?
Эфир испаряется и забирает энергию с рук и воздуха.

862. Почему суп скорее остынет, если на него дуть?
Если дуть на пар, исходящий из супа, теплообмен ускорится, и суп быстрее отдаст свою энергию в окружающую среду.

863. Отличается ли температура воды в кипящей кастрюле и температура пара кипящей воды?
Нет.

864. Почему кипящая вода перестает кипеть, как только ее снимают с огня?
Потому что для поддержания кипения вода должна постоянно получать энергию тепла.

865. Удельная теплота конденсации спирта равна 900 кДж/кг. Что это означает?
Для того, чтобы спирт перешел в жидкое состояние нужно забрать у его паров 900 кДж энергии.

866. Сравните внутреннюю энергию 1 кг водяного пара при 100 °С и 1 кг воды при 100 °С. Что больше? На сколько? Почему?
Энергия пара больше на 2,3 МДж/кг – столько требуется энергии для парообразования.

867. Какое количество теплоты требуется для испарения 1 кг воды при температуре кипения? 1 кг эфира?

868. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар 0,15 кг воды при 100 °С?

869. Что требует большего количества теплоты и на сколько: нагрев 1 кг воды от 0 °С до 100 °С или испарение 1 кг воды при температуре 100 °С?

870. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар воды массой 0,2 кг при температуре 100 °С?

871. Какое количество энергии выделится при охлаждении воды массой 4 кг от 100 °С до 0 °С?

872. Какое количество энергии необходимо, чтобы 5 л воды при 0 °С довести до кипения и затем ее всю испарить?

873. Какое количество энергии выделит 1 кг пара при 100 °С, если его обратить в воду и затем охладить полученную воду до 0 °С?

874. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы воду массой 7 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и затем полностью ее испарить?

875. Какое количество энергии надо затратить, чтобы 1 кг воды при температуре 20 °С обратить в пар при температуре 100 °С?

876. Определите количество теплоты, потребное для превращения 1 кг воды, взятой при 0 °С, в пар при 100 °С?

877. Сколько теплоты выделится при конденсации 100 г водяного пара, имеющего температуру 100 °С, и при охлаждении полученной воды до 20 °С?

878. Удельная теплота парообразования у воды больше, чем у эфира. Почему же эфир, если им смочить руку, сильнее охлаждает ее, чем вода в таких случаях?
Интенсивность испарения эфира намного больше, чем у воды. Поэтому он быстрее отдает внутреннюю энергию и быстрее остывает, охлаждая руку.

879. В сосуд, содержащий 30 кг воды при 0 °С, вводится 1,85 кг водяного пара, имеющего температуру 100 °С, вследствие чего температура воды становится равной 37 °С. Найдите удельную теплоту парообразования воды.

880. Какое количество теплоты необходимо, чтобы превратить 1 кг льда при 0 °С в пар при 100 °С?

881. Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы 5 кг льда при -10 °С обратить в пар при 100 °С и затем нагреть пар до 150 °С при нормальном давлении? Удельная теплоемкость водяного пар при постоянном давлении равна 2,05 кДж/(кг °С).

882. Сколько килограммов каменного угля надо сжечь для того, чтобы превратить в пар 100 кг льда, взятого при 0 °С? Коэффициент полезного действия топки 70%. Удельная теплота сгорания угля 29,3 МДж/кг.

883. Английский ученый Блек для определения удельной теплоты парообразования воды брал определенное количество воды при 0 °С и нагревал ее до кипения. Дальше он продолжал нагревать воду до ее полного испарения. При этом Блек заметил, что для выкипания всей воды требовалось времени в 5,33 раза больше, чем для нагрева такой же массы воды от 0 °С до 100 °С? Чему равна, по опытам Блека, удельная теплота парообразования?

884. Какое количество пара при температуре 100 °С требуется обратить в воду, чтобы нагреть железный радиатор массой 10 кг от 10 °С до 90 °С?

885. Какое количество теплоты требуется, чтобы лед массой 2 кг, взятый при температуре -10 °С, обратить в пар при 100 °С?

886. Пробирка с эфиром погружена в стакан с водой, охлажденной до 0 °С. Продувая через эфир воздух, испаряют эфир, вследствие чего на пробирке образуется ледяная корка. Определите, сколько получилось льда при испарении 125 г эфира (удельная теплота парообразования эфира кДж/кг).

888. В калориметр налито 57,4 г воды при 12 °С. В воду пущен пар при 100 °С. Через некоторое время количество воды в калориметре увеличилось на 1,3 г, а температура воды поднялась до 24,8 °С. Для нагрева пустого калориметра на 1 °С требуется 18,27 Дж теплоты. Найдите удельную теплоту парообразования воды.

889. Вода массой 20 кг при температуре 15 °С превращается в пар при температуре 100 °С. Какое количество бензина необходимо для этого процесса сжечь в нагревателе, если КПД нагревателя 30%?

890. Из воды, взятой при 10 °С, надо получить 15 кг водяного пар при 100 °С. Сколько для этого надо сжечь каменного угля, если КПД нагревателя 20%?

891. На примусе в медном чайнике массой 0,2 кг вскипятили воду массой 1 кг, взятую при температуре 20 °С. В процессе кипячения 50 г воды выкипело.
Сколько в примусе сгорело бензина, если КПД примуса 30 %?

Жидкость испаряется из — за движения молекул быстрые молекулы покидают жидкость при этом чем выше температура тем таких молекул больше.
Испарение – элементарный процесс, обусловленный непрерывным движением молекул жидкости. Процесс происходит при любом температурном режиме, вне зависимости от местоположения емкости с жидкостью.

Где быстрее испариться вода?

Правильно, в повышенном температурном режиме. Воздействие повышенной температуры на молекулы жидкости заставляет ускорить их движение, тем самым значительно ускоряется процесс испарения. Что касается холода, то вода преобразуется в лед, а после – в пар.
Если открытую емкость с жидкостью оставить на открытом пространстве, то спустя краткий промежуток времени, вода испариться. Многое будет зависеть от того, где именно была оставлена емкость, под влиянием солнечных лучей или в темном, прохладном месте. Конечный итог будет идентичным, но время испарения жидкости замедлиться. Это обусловлено тем, что испарение – естественный процесс, который происходит в любой среде и емкости и человеческое тело – не исключение.
Потоотделение – процесс, при котором влага выделяется из человеческого организм и через краткое время испаряется с поверхности кожного покрова.
Переход из жидкого состояния в газообразное обусловлено тем, что в воде присутствует кинетическая энергия, способствующая ускорению движения молекул – элементарных частиц любого вещества. Кинетические энергия, присутствующая в любой жидкости, стимулирует движение молекул и позволяет им преодолевать межмолекулярное притяжение. К примеру, если кружку с водой накрыть бумагой, то через час она станет мокрой. Испарение происходит даже в закрытом пространстве, но существуют факторы, влияющие на скорость продвижения этого процесса.

Физические аспекты, способные повлиять на скорость испарения, это:

• Температура помещения, в котором происходит этот процесс. Иное дело – естественное испарение, происходящее в окружающем мире;
• Вентиляция. Под влиянием ветра, жидкость преобразуется в пар быстрее, соответствуя пропорции ½ (при усилении ветра (м/с) скорость преобразования воды в пар увеличивается вдвое);
• Площадь, с которой выделяется жидкость. Для наглядного примера, возьмем стакан и плоскую тарелку. Как известно, испарение – это процесс, при котором испаряется поверхность жидкости. Чтобы нижним молекулам преодолеть межмолекулярное притяжение и покинуть поверхность емкости, им необходимо подождать, пока верхний ряд частиц осуществит это действие. Иными словами, чем больше площадь, тем быстрее происходит испарение;
• Плотность. Плотно прилегающим молекулам сложнее преодолевать межмолекулярное притяжение, так как они борются с притяжением идентичных частиц. Из этого следует вывод, что большая плотность способствует замедлению испарения.

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).