Что такое испарение, как и при каких условиях происходит

Что такое испарение

Испарение — это физическое явление, при котором жидкость со свободной поверхности превращается в газ или аэрозоль (в обиходе это называют «туман или «пар») при температуре ниже температуры кипения. Испарение — один из видов парообразования. Другая разновидность этого процесса — кипение. Разница в том, что оно происходит при определенной температуре, включает весь объем жидкости и видимо человеческому глазу [1].

Наряду с конденсацией и осадками, испарение выступает одним из трех основных этапов круговорота воды в природе. Оно генерирует до 90% влаги в атмосфере Земли. Процесс испарения помогает формировать движение в атмосфере и климат на планете [2].

Процесс испарения

При процессе испарения вещество переходит из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое (пар или газ), а его физические свойства изменяются. Если жидкость сохраняет объем, а молекулы в ней расположены близко друг к другу, то газ способен занять все доступное пространство, а молекулы вещества в этом случае находятся рассеиваются на все большее расстояние друг от друга.

Сравнительная таблица разных агрегатных состояний веществ с визуализацией (Фото: chatgpt.com)

Для запуска процесса испарения требуется энергия. Она нужна молекулам, чтобы разорвать связи, которые удерживают их вместе. Мы говорим о кинетической энергии — той, которой обладает объект в своем движении и которую он может передавать другим объектам.

Вот как схематически выглядит процесс испарения:

• молекулы жидкости движутся хаотически, а скорость их движения растет по мере повышения температуры;
• с ростом скорости движения молекулы начинают сталкиваться, передавая друг другу импульсы энергии;
• когда величины энергии отдельных молекул достаточно для того, чтобы разорвать связи с соседними молекулами, вещество начинает испаряться;
• с нагревом жидкости число разогнавшихся молекул растет, пока не достигнет точки кипения (100 °C для воды). В этот момент процесс испарения идет особенно интенсивно [3].

Визуализация процесса испарения (Фото: chatgpt.com)

По мере испарения оставшиеся в жидкости молекулы будут терять кинетическую энергию и двигаться медленнее, а температура вещества будет снижаться. Это объясняет возникающий при испарении эффект охлаждения [4].

Обратный испарению процесс — конденсация. Он характеризуется переходом вещества из газообразного в жидкое состояние. Как испарение, так и конденсация происходят в природе непрерывно. Самые яркие примеры — испарение воды с поверхности океанов, образование облаков в результате конденсации.

Благодаря этим процессам также образуется туман над водоемами, температура которых выше температуры воздуха. С поверхности воды идет интенсивное испарение — в холодный воздух поступает больше водяного пара, но этот воздух быстро охлаждается, и избыточный пар конденсируется в мельчайшие капельки. [5]

Зеленая экономика Что такое кислотный дождь, где он встречается и чем опасен

От чего зависит скорость испарения

На скорость испарения влияют несколько основных факторов:

• температура испаряемой поверхности — чем она выше, тем быстрее протекает процесс, так как кинетическая энергия частиц выше. Горячая вода из чашки будет испаряться быстрее, чем холодная;
• скорость ветра — потому что движущийся воздух уносит молекулы водяного пара от поверхности и не дает воздуху быстро насыщаться влагой. Например, белье на сильном ветру сушится быстрее, чем в безветренную погоду;
• влажность — чем суше воздух, тем быстрее будет происходить испарение. При высокой влажности воздух уже насыщен парами, поэтому испарение замедляется. В регионах с высокой влажностью, например, в Таиланде, лужи могут долго не высыхать, а в пустыне Сахара пролитая вода испарится почти моментально;
• давление — чем оно выше, тем меньше испарение, так как увеличивается показатель энергии, необходимый молекулам для выхода. Атмосферное давление на вершине Эвереста составляет примерно треть от давления на уровне моря, поэтому температура закипания воды ниже и составляет всего 69°C;
• площадь испаряемой поверхности. Чем она больше, тем быстрее происходит процесс. Вода с поверхности широкого блюдца будет испаряться быстрее, чем из узкой и глубокой вазы;
• наличие или отсутствие примесей. Например, чистая вода испаряется быстрее, чем соленая, поскольку растворенные соли уменьшают число молекул, способных покинуть поверхность [6].

Формула испарения

Простейшая формула испарения была создана английским физиком Джоном Дальтоном в начале 19 века [7]. Согласно уравнению, скорость испарения зависит от дефицита влажности (Е−е) и от скорости ветра, что выражается формулой:

W исп. = (Е−e) · f (u),

где:

• W исп. — интенсивность испарения (мм/сут или г/см²·сут);
• E — давление насыщенного водяного пара при температуре воды или воздуха (гПа, гектопаскали, миллиметры ртутного столба);
• e — фактическое парциальное — выше речь шла только про атмосферное? давление водяного пара в воздухе (гПа);
• E−e — дефицит упругости водяного пара (насколько воздух «недонасыщен» влагой);
• f (u) — эмпирически установленный «ветровой фактор», имеющий, по данным разных исследователей, величину от 0,5 до 1. Этот показатель отражает, что при усилении ветра испарение увеличивается.

Формула показывает, что чем суше воздух (больше разница E−e) и чем сильнее ветер (чем больше f (u), тем выше скорость испарения.

Экономика образования Физики шутят: почему понятия «гуманитарий» и «технарь» устарели

Испарение в природе и повседневной жизни

Процесс испарения непрерывно наблюдается в природе, а люди сталкиваются с этим явлением в повседневной жизни. Приведем несколько примеров.

Испарение воды растениями

Растения способны выделять воду, которую поглотили, чтобы регулировать собственную температуру в жаркие дни. Жидкость поступает из корневой системы и по сосудам передается в листья, откуда через устьица испаряется. Этот процесс называется транспирацией. Обычно растение испаряет около 99–99,5% поглощенной воды. Интенсивная транспирация сопровождается активным газообменом: при открытых устьицах в листья поступает больше CO₂, необходимого для фотосинтеза. Таким образом, транспирация не только повышает выживаемость растений, но и косвенно способствует насыщению атмосферы кислородом за счет фотосинтеза [8].

Процесс транспирации (Фото: wikipedia.org)

Круговорот воды в природе

Еще один пример — круговорот воды, обеспечиваемый испарением аодоемов и последующей конденсацией влаги в облаках с выпадением осадков. В среднем количество испаряющейся воды сопоставимо с количеством, возвращающимся на Землю в виде осадков. Большая часть влаги возвращается в океаны, а около 10% переносится атмосферными потоками на сушу. Этого объема достаточно, чтобы поддерживать водный баланс и питание рек, хотя распределение осадков по регионам остается крайне неравномерным [9].

Круговорот воды в природе (Фото: noaa.gov)

Просушивание и глажка одежды

После стирки мокрую одежду обычно размещают на солнце, чтобы она быстрее сохла. Одежда нагревается, что усиливает испарение воды, а при ветреной погоде процесс ускоряется за счет того, что ветер активнее рассеивает испаряющуюся воду.

При глажке утюг нагревает ткань, передавая тепло молекулам воды, находящейся как внутри волокон, так и на их поверхности. Под действием тепла молекулы воды начинают двигаться быстрее и постепенно переходят в газообразное состояние — испаряются. Если утюг использует функцию пара, на ткань дополнительно поступают молекулы воды, которые также быстро испаряются. В результате ткань высыхает, а тепло и пар помогают разгладить складки.

Охлаждение напитков

Еще один наглядный пример — это охлаждение горячего чая, кофе или других напитков. Этот процесс происходит за счет испарения: молекулы жидкости с поверхности переходят в газ, забирая с собой тепло. Чем больше открытая поверхность жидкости, например, если напиток налит в широкую и неглубокую чашку, тем быстрее он будет остывать.

Сушка волос

Фен нагревает влажные волосы, передавая молекулам воды энергию, достаточную для разрыва межмолекулярных связей. Благодаря этому вода испаряется, а волосы высыхают.

Пищевая промышленность и кулинария

В промышленности и кулинарии процесс испарения применяется при дегидратации — производстве продуктов методом высушивания. Показательный пример — поваренная соль, которую получают из морской воды путем выпаривания. Когда вода полностью испаряется, образуются кристаллы соли. Аналогичный процесс используется при заготовках, например, при сушке грибов, овощей и фруктов. В процессе приготовления пищи процесс испарения тоже играет важную роль, например, при тушении или при работе скороварки.

Зеленая экономика Насекомые, воздух, медузы: из чего сделана еда будущего

Испарение пота

В организме человека испарение служит важным механизмом терморегуляции. В жаркую погоду кожа нагревается, и часть молекул пота получает достаточную энергию, чтобы преодолеть межмолекулярные связи и перейти в газообразное состояние. В результате с поверхности кожи уходят наиболее энергичные молекулы, что приводит к ее охлаждению и снижению температуры прилегающих тканей. При высокой влажности воздуха (приближенной к 100%) испарение происходит медленнее, поэтому пот задерживается на коже, а эффективность охлаждения снижается. [10]

Вопросы об испарении

Как уже было сказано выше, процесс испарения по-разному протекает в зависимости от внешних условий, а также свойств самого испаряемого вещества. В связи с этим возникает несколько вопросов.

Что такое удельная теплота парообразования и как она связана с испарением?

Удельная теплота — это физическая величина, которая показывает, сколько тепла необходимо, чтобы обратить жидкость заданной массы в пар при определенной температуре в процессе испарения. Для расчета этого показателя применяется формула:

L = Q/m,

где:

• L — показатель удельной теплоты (кдж, Килоджоули),
• Q — теплота, затраченная на превращение жидкости в пар или пара в жидкость,
• m — масса жидкости.

Этот показатель будет наименьшим при температуре кипения жидкости [11].

Как температура испарения зависит от вида жидкости?

Температура испарения зависит от вида жидкости и ее физических свойств, в частности, от силы межмолекулярного взаимодействия. Чем слабее эти силы, тем ниже температура кипения и тем легче жидкость испаряется. Например, вода кипит при 100 °C, этанол — при 78 °C, эфир — около 35 °C, а ртуть — около 356 °C. Жидкости с сильными межмолекулярными связями требуют больше энергии для перехода в газообразное состояние, поэтому испаряются медленнее. Напротив, летучие жидкости, такие как ацетон, эфир или бензин, легко испаряются даже при относительно низкой температуре. [12].

Можно ли отнести испарение к химическим явлениям?

Испарение относится к физическим процессам, как и конденсация, плавление или измельчение веществ, потому что состав жидкости не меняется. Например, вода состоит из молекул H₂O, и после испарения водяной пар имеет ту же формулу. Это важно учитывать при рассмотрении процессов вроде растворения: примеси в растворе могут влиять на скорость испарения, но сами молекулы воды остаются химически неизменными. [13].

Главное об испарении

• Испарение — это физический процесс, при котором жидкость со свободной поверхности превращается в газ или пар при температуре ниже температуры кипения.
• Отличие испарения от кипения заключается в том, что кипение происходит при определенной температуре и задействует весь объем жидкости.
• В процессе испарения вещество переходит из жидкого состояния в газообразное, сохраняя химический состав, но меняются его физические свойства.
• При испарении с поверхности жидкости уходят молекулы с наибольшей кинетической энергией, и средняя кинетическая энергия оставшейся жидкости уменьшается, что приводит к снижению ее температуры и объясняет охлаждающий эффект.
• Конденсация — это обратный испарению процесс, когда вещество переходит из газообразного в жидкое состояние.
• На скорость испарения влияют температура и площадь испаряемой поверхности, скорость ветра, влажность, а также наличие или отсутствие примесей в жидкости.
• Процесс испарения непрерывно наблюдается в природе как часть круговорота воды и жизнедеятельности растений, а люди сталкиваются с этим явлением в повседневной жизни — при сушке волос и одежды, при приготовлении пищи и производстве продуктов и других изделий.