Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение ее при конденсации пара

1. Виды переходов из одного агрегатного состояния в другое

На этом уроке мы рас­смот­рим во­прос, свя­зан­ный с ис­па­ре­ни­ем, а также с по­гло­ще­ни­ем энер­гии при ис­па­ре­нии жид­ко­сти и с вы­де­ле­ни­ем энер­гии при кон­ден­са­ции пара.

На преды­ду­щих уро­ках мы рас­смат­ри­ва­ли раз­лич­ные про­цес­сы и, в част­но­сти, го­во­ри­ли о плав­ле­нии, о на­гре­ва­нии тел, об отвер­де­ва­нии или кри­стал­ли­за­ции тел.

Се­год­ня мы рас­смот­рим про­цес­сы, при ко­то­рых об­ра­зу­ет­ся пар (раз­но­вид­ность газа) или газ.

Да­вай­те вспом­ним схему, по ко­то­рой про­ис­хо­дят раз­лич­ные про­цес­сы пре­вра­ще­ния аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний (Рис. 1).

Рис. 1.

Па­ро­об­ра­зо­ва­ние может про­ис­хо­дить двумя спо­со­ба­ми: ки­пе­ние и ис­па­ре­ние. Как пра­ви­ло, ука­зы­ва­ют пер­вый спо­соб – ки­пе­ние.

На се­го­дняш­нем уроке мы по­дроб­но рас­смот­рим вто­рой спо­соб па­ро­об­ра­зо­ва­ния: ис­па­ре­ние.

2. Испарение

Опре­де­ле­ние

Ис­па­ре­ние – это пре­вра­ще­ние или пе­ре­ход жид­ко­сти в газ (пар) со сво­бод­ной по­верх­но­сти жид­ко­сти. То есть тогда, когда по­верх­ность жид­ко­сти от­кры­та и с по­верх­но­сти на­чи­на­ет­ся пе­ре­ход ве­ще­ства из жид­ко­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное.

Вспом­ним схему, на ко­то­рой пред­став­ле­на кар­ти­на пре­вра­ще­ний од­но­го со­сто­я­ния ве­ще­ства в дру­гое со­сто­я­ние.

Кон­ден­са­ция		Па­ро­об­ра­зо­ва­ние
Де­суб­ли­ма­ция		Суб­ли­ма­ция
Отвер­де­ва­ние		Плав­ле­ние

Таб­ли­ца, в ко­то­рой опи­са­ны на­зва­ния про­цес­сов пе­ре­хо­дов между аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми ве­ще­ства, вы­гля­дит сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

Про­цесс ис­па­ре­ния про­ис­хо­дит не мгно­вен­но, по­это­му мы го­во­рим, что ис­па­ре­ние – про­цесс непре­рыв­ный и, со­от­вет­ствен­но, ис­па­ре­ние жид­ко­сти про­ис­хо­дит в те­че­ние неко­то­ро­го вре­ме­ни.

Как про­ис­хо­дит ис­па­ре­ние?

Рас­смот­рим по­верх­ность жид­ко­сти. Мы знаем, что жид­кость со­сто­ит из ато­мов и мо­ле­кул, ко­то­рые на­хо­дят­ся в непре­рыв­ном дви­же­нии. Со­от­вет­ствен­но, может най­тись такая ча­сти­ца дан­но­го ве­ще­ства, у ко­то­рой ско­рость (а, со­от­вет­ствен­но, и энер­гия) будет до­ста­точ­но ве­ли­ка для того, чтобы пре­одо­леть при­тя­же­ние своих со­се­дей и по­ки­нуть жид­кость, то есть пе­рей­ти в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние. По­это­му го­во­рят, что ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит со сво­бод­ной по­верх­но­сти.

3. Факторы, влияющие на скорость испарения

Рас­смот­рим фак­то­ры, ко­то­рые вли­я­ют на ис­па­ре­ние (в част­но­сти, его ско­рость).

1. Стро­е­ние ве­ще­ства

В первую оче­редь ис­па­ре­ние свя­за­но со стро­е­ни­ем са­мо­го ве­ще­ства. Можно при­ве­сти сле­ду­ю­щий при­мер: возь­мём две бу­маж­ные сал­фет­ки, смо­чим одну сал­фет­ку водой, а дру­гую – эфи­ром. Можно за­ме­тить, что та сал­фет­ка, ко­то­рая смо­че­на эфи­ром, вы­сох­нет го­раз­до быст­рее. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что сила вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми эфира го­раз­до мень­ше, чем сила вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми воды. И по­это­му ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит у эфира быст­рее.

2. Пло­щадь по­верх­но­сти

Пло­щадь сво­бод­ной по­верх­но­сти жид­ко­сти иг­ра­ет очень важ­ную роль: если пло­щадь по­верх­но­сти до­ста­точ­но боль­шая, то ко­ли­че­ство ча­стиц, по­ки­да­ю­щих жид­кость, будет, ко­неч­но же, боль­ше, и в этом слу­чае ис­па­ре­ние будет про­ис­хо­дить быст­рее. Можно при­ве­сти такой при­мер: если в блюд­це на­лить воду и такое же ко­ли­че­ство воды на­лить в ста­кан, то из блюд­ца ис­па­ре­ние будет про­ис­хо­дить го­раз­до быст­рее (Рис. 2). Дру­гой при­мер: все знают, что бельё, перед тем как его по­ве­сить су­шить­ся, встря­хи­ва­ют и рас­прав­ля­ют. В этом слу­чае пло­щадь белья уве­ли­чи­ва­ет­ся, со­от­вет­ствен­но, пло­щадь ис­па­ре­ния также уве­ли­чи­ва­ет­ся, и сам про­цесс ис­па­ре­ния про­ис­хо­дит быст­рее.

Рис. 2. Блюд­це и ста­кан с водой

3. Тем­пе­ра­ту­ра

Ещё одно яв­ле­ние, ко­то­рое вли­я­ет на ис­па­ре­ние, – это из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры. Чем тем­пе­ра­ту­ра выше, тем быст­рее про­ис­хо­дит ис­па­ре­ние. То есть, на­гре­вая тело, мы можем уве­ли­чи­вать ско­рость про­цес­са ис­па­ре­ния, уско­рять его, или, на­о­бо­рот, если мы будем по­ни­жать тем­пе­ра­ту­ру, то про­цесс ис­па­ре­ния будет за­мед­лять­ся. Объ­яс­ня­ет­ся это тем, что с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры воз­рас­та­ет ско­рость дви­же­ния ча­стиц. А раз ско­рость дви­же­ния воз­рас­та­ет, то боль­шее ко­ли­че­ство ча­стиц может по­ки­нуть жид­кость и пе­рей­ти в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние.

По­сколь­ку дви­же­ние ча­стиц про­ис­хо­дит непре­рыв­но, то про­цесс ис­па­ре­ния также непре­ры­вен. По­сколь­ку при любой тем­пе­ра­ту­ре дви­же­ние ча­стиц не пре­кра­ща­ет­ся, то и ис­па­ре­ние может про­ис­хо­дить прак­ти­че­ски при любой тем­пе­ра­ту­ре. По­это­му ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит даже при низ­кой тем­пе­ра­ту­ре. На­при­мер, лужи на улице вы­сы­ха­ют не толь­ко летом, когда жарко, но и осе­нью, когда хо­лод­но (Рис. 3). От­ли­ча­ет­ся лишь ско­рость вы­сы­ха­ния луж.

Рис. 3.

Воз­ни­ка­ет во­прос: что можно ска­зать об энер­гии жид­ко­сти при ис­па­ре­нии? Так как жид­кость по­ки­да­ют наи­бо­лее быст­рые ча­сти­цы, то они об­ла­да­ют боль­шей ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей. Сле­до­ва­тель­но, в целом энер­гия ис­па­ря­ю­щей­ся жид­ко­сти умень­ша­ет­ся. По­яс­нить это можно на сле­ду­ю­щем при­ме­ре: возь­мём несколь­ко че­ло­век, по­стро­им их в ряд и из­ме­рим их сред­ний рост. Затем из этого строя убе­рём самых вы­со­ких и снова из­ме­рим сред­ний рост. В ре­зуль­та­те, вполне ло­гич­но, по­лу­чит­ся мень­шее зна­че­ние. То же самое про­ис­хо­дит и с энер­ги­ей. Каж­дый раз ча­сти­цы с наи­боль­шей энер­ги­ей ухо­дят из жид­ко­сти, и внут­рен­няя энер­гия жид­ко­сти умень­ша­ет­ся.

Од­на­ко в жизни это охла­жде­ние мы за­ме­ча­ем крайне редко. С чем же это свя­за­но? Это про­ис­хо­дит из-за того, что жид­кость со­об­ща­ет­ся с окру­жа­ю­щи­ми те­ла­ми, в первую оче­редь, ко­неч­но, с воз­ду­хом, и по­это­му, охла­жда­ясь, од­но­вре­мен­но по­лу­ча­ет энер­гию из окру­жа­ю­щих тел, то есть из воз­ду­ха. В ре­зуль­та­те этого «теп­ло­об­ме­на» тем­пе­ра­ту­ра под­дер­жи­ва­ет­ся на одном уровне. А ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит с при­бли­зи­тель­но оди­на­ко­вой ин­тен­сив­но­стью.

4. Ветер

Сле­ду­ю­щий фак­тор, ко­то­рый вли­я­ет на ис­па­ре­ние, – это на­ли­чие ветра. Пред­ставь­те себе, что над по­верх­но­стью жид­ко­сти об­ра­зу­ет­ся газ. Про­цесс ис­па­ре­ния, как мы вы­яс­ни­ли, про­дол­жа­ет­ся непре­рыв­но. Но точно так же будет про­ис­хо­дить про­цесс воз­вра­ще­ния мо­ле­кул об­рат­но в жид­кость. Если же дует ветер, то он уно­сит мо­ле­ку­лы, ко­то­рые пе­ре­шли из жид­ко­сти в газ, и не даёт им вер­нуть­ся об­рат­но в жид­кость. В этом слу­чае про­цесс ис­па­ре­ния уско­ря­ет­ся, то есть ско­рость ис­па­ре­ния воз­рас­та­ет.

Очень важно за­ме­тить и то, что в быту часто встре­ча­ет­ся так на­зы­ва­е­мое ис­па­ре­ние в за­кры­тых со­су­дах. К при­ме­ру, если взять ка­стрю­лю, в ко­то­рой на­хо­дит­ся вода, то на по­верх­но­сти крыш­ки с внут­рен­ней сто­ро­ны об­ра­зу­ют­ся ка­пель­ки воды. То есть, по­сколь­ку внут­ри ка­стрюли ветра нет, то про­цесс ис­па­ре­ния и воз­вра­ще­ния мо­ле­кул об­рат­но в жид­кость в дан­ном слу­чае вы­рав­ни­ва­ет­ся. Вот такое со­сто­я­ние на­зы­ва­ют ди­на­ми­че­ским рав­но­ве­си­ем.

4. Динамическое равновесие, насыщенный и ненасыщенный пар

Опре­де­ле­ние

Ди­на­ми­че­ское рав­но­ве­сие – это со­сто­я­ние си­сте­мы «пар – жид­кость», при ко­то­рой ко­ли­че­ство мо­ле­кул, вы­шед­ших из жид­ко­сти (пе­ре­шед­ших в пар), равно ко­ли­че­ству мо­ле­кул, ко­то­рое вер­ну­лось из пара об­рат­но в жид­кость.

Если же пре­об­ла­да­ет ис­па­ре­ние над воз­вра­ще­ни­ем ча­стиц об­рат­но в жид­кость, то такой пар, ко­то­рый на­хо­дит­ся над жид­ко­стью, на­зы­ва­ет­ся нена­сы­щен­ным.

Пар, на­хо­дя­щий­ся в ди­на­ми­че­ском рав­но­ве­сии со своей жид­ко­стью, на­зы­ва­ют на­сы­щен­ным.

При ди­на­ми­че­ском рав­но­ве­сии общая масса си­сте­мы «пар – жид­кость» не ме­ня­ет­ся: ко­ли­че­ство мо­ле­кул, ко­то­рые «вы­ле­те­ли» с по­верх­но­сти жид­ко­сти, равно ко­ли­че­ству мо­ле­кул, ко­то­рые «вер­ну­лись». По­это­му в целом масса всей си­сте­мы «пар – жид­кость» не из­ме­ня­ет­ся.

5. Конденсация

Кроме ис­па­ре­ния су­ще­ству­ет и об­рат­ный ему про­цесс, ко­то­рый на­зы­ва­ет­ся кон­ден­са­ци­ей (от ла­тин­ско­го – «сгу­щаю»).

То есть, кон­ден­са­ция – это про­цесс пе­ре­хо­да пара (газа) в жид­кость. Этот про­цесс про­ис­хо­дит все­гда с вы­де­ле­ни­ем ко­ли­че­ства теп­ло­ты (так как внут­рен­няя энер­гия ве­ще­ства умень­ша­ет­ся). То есть тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­щих тел будет по­вы­шать­ся (жид­кость пе­ре­да­ёт из­бы­точ­ную энер­гию окру­жа­ю­щим телам).

Кон­ден­са­ция про­ис­хо­дит так же непре­рыв­но, как и ис­па­ре­ние. Точ­нее, можно ска­зать, что эти два про­цес­са про­ис­хо­дят од­но­вре­мен­но, непре­рыв­но.

Под­твер­жде­ни­ем этого, на­при­мер, яв­ля­ет­ся об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков, ведь об­ла­ка – это скон­ден­си­ро­ван­ная жид­кость. Вы­па­де­ние росы или, на­при­мер, дождь, ко­то­рый идёт, – это всё про­цес­сы, ко­то­рые свя­за­ны с кон­ден­са­ци­ей.

6. Испарение твёрдых тел

От­ме­тим, что су­ще­ству­ет ис­па­ре­ние не толь­ко с по­верх­но­сти жид­ко­стей, но и твёр­дых тел. Для этого су­ще­ству­ет на­гляд­ный при­мер: если зимой мокрое бельё по­ве­сить на улице, то оно за­мёрз­нет, то есть по­кро­ет­ся кор­кой льда. Но, через неко­то­рое время вы­яс­нит­ся, что бельё сухое, то есть вода, даже в твёр­дом со­сто­я­нии, ку­да-то ис­чез­ла. Это и есть про­цесс ис­па­ре­ния твёр­до­го тела, в дан­ном слу­чае льда. Встре­ча­ют­ся ис­па­ре­ния и дру­гих ве­ществ, на­при­мер, наф­та­ли­на. Запах наф­та­ли­на, ко­то­рый мы чув­ству­ем, го­во­рит о том, что наф­та­лин также спо­со­бен к ис­па­ре­нию.

На сле­ду­ю­щем уроке мы рас­смот­рим во­про­сы, свя­зан­ные с дру­гим про­цес­сом пе­ре­хо­да из жид­ко­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное – па­ро­об­ра­зо­ва­ни­ем.

                       

Вопросы к конспектам