Испарение - это... Процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное

В окружающем нас мире постоянно и непрерывно происходит огромное множество различных физических явлений и процессов. Одним из немаловажных можно считать процесс испарения. Существует несколько обязательных условий для данного явления. В этой статье мы разберем каждый из них более подробно.

Что такое испарение?

Это процесс преобразования веществ в газообразное или парообразное состояние. Оно характерно только для веществ жидкой консистенции. Однако нечто похожее наблюдается и у твердых тел, только называется данное явление сублимацией. Это можно заметить при тщательном наблюдении за телами. Например, кусок мыла с течением времени подсыхает и начинает трескаться, это объясняется тем, что капельки воды в его составе испаряются и переходят в газообразное состояние H₂O.

Определение в физике

Испарение - это эндотермический процесс, при котором источником поглощаемой энергии служит теплота фазового перехода. Она включает в себя две составляющие:

• определенное количество теплоты, необходимое для преодоления молекулярных сил притяжения, когда происходит разрыв между соединенными молекулами;
• теплота, необходимая при работе расширения молекул в процессе превращения жидких веществ в пар или газ.

Как это происходит?

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное может происходить двумя способами:

1. Испарение - это процесс, при котором с поверхности жидкого вещества улетучиваются молекулы.
2. Кипение - процесс парообразования из жидкости путем доведения температуры до удельной теплоты кипения вещества.

Несмотря на то что оба эти явления преобразуют жидкое вещество в газ, между ними есть существенные различия. Кипение - это активный процесс, который совершается только при определенной температуре, тогда как испарение происходит при любых условиях. Еще одно отличие заключается в том, что кипение характерно для всей толщи жидкости, а второе явление возникает только на поверхности жидких веществ.

Молекулярно-кинетическая теория испарения

Если рассматривать данный процесс на молекулярном уровне, то он происходит следующим образом:

1. Молекулы в жидких веществах находятся в постоянном хаотичном движении, все они имеют абсолютно разные скорости. Между тем частицы притягиваются друг к другу благодаря силам притяжения. Каждый раз когда они сталкиваются друг с другом, их скорости меняются. В какой-то момент у некоторых развивается очень большая скорость, позволяющая преодолеть силы притяжения.
2. Эти элементы, которые оказались на поверхности жидкости, обладают такой кинетической энергией, что способны преодолевать межмолекулярные связи и покидать жидкость.
3. Именно эти самые быстрые молекулы вылетают с поверхности жидкого вещества, причем происходит этот процесс постоянно и непрерывно.
4. Оказавшись в воздухе, они превращаются в пар - называется это парообразованием.
5. Как следствие этого, средняя кинетическая энергия оставшихся частиц становится все меньше. Этим и объясняется остывание жидкости. Вспомните, как в детстве нас учили дуть на горячую жидкость, чтобы она скорее остыла. Получается, что мы ускоряли процесс испарения воды, и спад температуры происходил намного быстрее.

От каких факторов зависит?

Существует множество условий, необходимых для возникновения данного процесса. Оно происходит отовсюду, где присутствуют частицы воды: это и озера, моря, реки, все влажные предметы, покровы тел животных и людей, а также листья растений. Можно сделать вывод, что испарение - это весьма значимый и незаменимый процесс для окружающего мира и всех живых существ.

Вот какие факторы оказывают влияние на данное явление:

1. Скорость испарения напрямую зависит от состава самой жидкости. Известно, что у каждой из них существуют свои особенности. Например, те вещества, у которых теплота парообразования ниже, будут преобразовываться быстрее. Сравним два процесса: испарение спирта и обычной воды. В первом случае преобразование в газообразное состояние происходит быстрее, потому что удельная теплота парообразования и конденсации у спирта равна 837 кДж/кг, а у воды почти в три раза больше - 2260 кДж/кг.
2. Скорость также зависит от изначальной температуры жидкости: чем она больше, тем быстрее образуется пар. В качестве примера возьмем стакан воды, когда внутри сосуда находится кипяток, то парообразование происходит с гораздо большей скоростью, нежели когда температура воды ниже.
3. Еще один фактор, определяющий скорость протекания данного процесса, - это площадь поверхности жидкости. Вспомните, что в тарелке большого диаметра горячий суп остывает быстрее, чем в маленьком блюдце.
4. Скорость распространения веществ в воздушной среде во многом определяет и скорость испарения, т. е. чем быстрее происходит диффузия, тем скорее происходит парообразование. Например, при сильных ветрах капельки воды быстрее испаряются с поверхности озер, рек и водохранилищ.
5. Температура воздуха в помещении также играет немаловажную роль. Подробнее об этом мы поговорим чуть ниже.

Какова роль влажности воздуха?

Вследствие того что процесс испарения происходит отовсюду непрерывно и постоянно, то в воздухе всегда присутствуют частички воды. В молекулярном виде они выглядят как группа элементов H₂O. Жидкости могут испаряться в зависимости от показателя объема водяных паров в атмосфере, этот коэффициент и называется влажностью воздуха. Она бывает двух видов:

1. Относительная влажность - это отношение количества водяных паров в воздухе к плотности насыщенного пара при той же температуре в процентном соотношении. Например, показатель 100 % говорит о том, что атмосфера полностью насыщена молекулами H₂O.
2. Абсолютная же характеризует плотность водяных паров в воздушной среде, обозначается буквой f и показывает, какая масса молекул воды содержится в 1м³ воздуха.

Связь процесса испарения и влажности воздуха можно определить следующим образом. Чем меньше показатель относительной влажности воздуха, тем быстрее будет происходить испарение с поверхности земли и других предметов.

Испарение различных веществ

У различных веществ этот процесс протекает по-разному. Например, испарение спирта происходит быстрее, чем у многих жидкостей благодаря его маленькой удельной теплоте парообразования. Зачастую подобные жидкие вещества называются летучими, потому что водяные пары буквально улетучиваются из них практически при любых температурах.

Спирт также может испаряться даже при комнатной температуре. В процессе готовки вина или водки спирт прогоняется через самогонный аппарат, только достигнув температуры кипения, она приблизительно равняется 78 градусам. Однако реальная температура испарения спирта будет немного больше, потому как в исходном продукте (например, браге) он представляет собой соединения с различными ароматическими маслами и водой.

Конденсация и сублимация

Следующее явление можно наблюдать каждый раз, когда закипает вода в чайнике. Обратите внимание, что при кипении вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Происходит это таким образом: горячая струя водяного пара с большой скоростью вылетает из чайника через его носик. При этом образовавшийся пар виден не прямо у выхода из носика, а на небольшом расстоянии от него. Данный процесс называется конденсацией, т. е. водяные пары сгущаются до такой степени, что становятся видны для наших глаз.

Испарение твердого тела называется сублимацией. При этом они переходят из агрегатного состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Самый известный случай сублимации связан с кристаллами льда. В первоначальном виде лед является твердым веществом, при температуре выше 0° он начинает таять, принимая жидкое состояние. Однако в некоторых случаях при отрицательных температурах лед переходит в парообразную форму, минуя жидкую фазу.

Влияние испарения на человеческий организм

Благодаря испарению в нашем теле происходит терморегуляция. Происходит данный процесс через систему самоохлаждения. В жаркий знойный день человеку, который занимается определенным физическим трудом, становится очень жарко. Это означает, что в нем увеличивается внутренняя энергия. А как известно, при температуре выше 42° белок в крови человека начинает сворачиваться, если вовремя не остановить этот процесс, он приведет к смерти.

Система самоохлаждения устроена как раз таким образом, чтобы регулировать температуру для нормальной жизнедеятельности. Когда температура становится предельно допустимой, через поры на коже начинается активное потоотделение. А затем уже с поверхности кожи происходит испарение, которое поглощает лишнюю энергию тела. Иными словами, испарение - это процесс, способствующий охлаждению организма до нормального состояния.