§ 6.1. Испарение жидкостей

Определения и обозначения

Испарение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. При этом отдельные молекулы покидают жидкость и становятся частью пара над ней. Это определение помогает отличить испарение от кипения, которое охватывает весь объём.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при возвращении молекул пара в жидкость. Молекулы пара сталкиваются с поверхностью и могут удержаться притяжением со стороны других молекул. Понятие нужно, чтобы описывать обратный испарению процесс и понимать, почему пар не всегда бесконечно накапливается над жидкостью.

Скорость испарения — количество жидкости, испаряющееся за единицу времени; она зависит от температуры, площади поверхности, движения воздуха и рода жидкости. Чем больше молекул за одинаковое время переходит в пар, тем выше эта скорость. Это понятие позволяет сравнивать, например, высыхание воды в разных условиях.

Охлаждение при испарении — понижение температуры жидкости из-за ухода наиболее быстрых молекул и уменьшения средней кинетической энергии оставшихся молекул. Кинетическая энергия — энергия движения частиц. Такое объяснение нужно, чтобы связать испарение с изменением температуры, а не только с уменьшением количества жидкости.

Как это устроено

Молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваются и притягиваются друг к другу. Их движение не одинаково: одни молекулы в данный момент быстрые, другие — медленные. Если бы притяжение полностью удерживало каждую частицу, жидкость не могла бы испаряться, но у поверхности быстрая молекула иногда получает достаточно энергии, чтобы вырваться в окружающее пространство.

Распределение молекул по скоростям означает, что при одной температуре в жидкости есть частицы с разными скоростями. При нагревании средняя кинетическая энергия увеличивается, а доля молекул, способных преодолеть притяжение и покинуть поверхность, становится больше. Поэтому испарение ускоряется. Даже при низкой температуре достаточно быстрые молекулы всё ещё встречаются, хотя их меньше, и переход в пар не прекращается полностью.

На поверхности часть молекул непосредственно граничит с воздухом, поэтому у них есть возможность покинуть жидкость. Молекулы внутри окружены соседями со всех сторон и не могут сразу оказаться в газе: сначала им нужно переместиться к поверхности. При кипении происходит другое: пузырьки пара возникают внутри жидкости, растут и поднимаются сквозь неё. Поэтому испарение возможно при любой температуре и только с поверхности, а кипение охватывает весь объём.

Если разлить жидкость тонким слоем, её свободная поверхность станет больше. Тогда одновременно у границы с воздухом окажется больше молекул, способных вылететь, и общее количество испаряющегося вещества за время возрастёт. Движущийся воздух тоже ускоряет процесс: он уносит молекулы пара от поверхности и заменяет влажный слой более сухим. Это уменьшает вероятность того, что пар быстро вернётся в жидкость.

Вместе с испарением может идти конденсация: молекулы пара возвращаются в жидкость. В открытом месте пар обычно уносится, поэтому испарение преобладает. Над жидкостью в закрытом сосуде концентрация пара постепенно растёт и молекулы чаще возвращаются обратно. Когда за одинаковое время из жидкости уходит столько же молекул, сколько конденсируется, устанавливается динамическое равновесие: оба процесса продолжаются, но количество жидкости и пара в среднем не меняется.

Факторы, влияющие на скорость испарения

Сравнивая скорость испарения, сначала проверь, какие условия изменились, а какие остались одинаковыми. Затем используй таблицу: учитывай направление влияния каждого фактора и молекулярную причину. Если факторы действуют по-разному, например высокая температура сочетается с малой поверхностью, без дополнительных данных нельзя точно определить общий результат.

Разбор задач

Мокрая кожа и веер

Условие. Нужно объяснить, почему мокрая кожа охлаждается и почему обмахивание веером усиливает ощущение холода. Считаем, что вода испаряется с кожи, а движение воздуха удаляет пар у её поверхности. Решение.

1. При испарении с поверхности воды уходят преимущественно быстрые молекулы. Они уносят с собой больше энергии движения, чем в среднем имеют оставшиеся частицы.
2. Средняя кинетическая энергия молекул оставшейся воды и кожи уменьшается, поэтому кожа охлаждается. Веер ускоряет движение воздуха и уносит влажный пар от поверхности.
3. На место влажного воздуха поступает менее насыщенный паром воздух, и испарение не так быстро замедляется. Значит, кожа охлаждается сильнее.

Ответ. Вода охлаждает кожу, испаряясь с неё, а обмахивание ускоряет испарение удалением пара. При этом холодит именно испарение, а не сам поток воздуха.

Условия сушки белья

Условие. Сравним сушку в тёплом и холодном помещении, развешенного и скомканного белья, при наличии и отсутствии ветра. Требуется расположить условия по скорости испарения. Решение.

1. Для начала сравним температуру: при прочих равных в тёплом помещении бельё высыхает быстрее, поскольку больше молекул воды может покинуть ткань.
2. Развешенное бельё имеет большую доступную воздуху поверхность, чем скомканное. Поэтому испарение с него идёт быстрее.
3. Ветер уносит пар от ткани, так что при одинаковой температуре и площади он ускоряет высыхание. Наиболее медленно сохнет скомканное бельё в холодном неподвижном воздухе, наиболее быстро — развешенное в тепле и на ветру.

Ответ. От медленного к быстрому: скомканное бельё в холодном помещении без ветра; скомканное в тепле без ветра; развешенное в холодном помещении без ветра; развешенное в тепле без ветра; развешенное в тепле на ветру. Точный порядок смешанных вариантов зависит от силы ветра и разницы температур, если эти величины не заданы.

Испарение воды и спирта

Условие. Вода и спирт находятся при одинаковой температуре и имеют одинаковую площадь свободной поверхности. Нужно определить, какая жидкость испарится быстрее. Решение.

1. Температура и площадь поверхности одинаковы, поэтому влияние этих факторов на сравнение не различается.
2. Остаётся учесть род жидкости: скорость испарения зависит от того, насколько сильное притяжение нужно преодолеть молекуле у поверхности.
3. Молекулы спирта в обычных условиях легче покидают поверхность, чем молекулы воды. Поэтому при прочих равных спирт испаряется быстрее.

Ответ. Быстрее испарится спирт. Сравнивать жидкости следует только при одинаковых внешних условиях, чтобы результат не объяснялся температурой, площадью или движением воздуха.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Так думают, потому что при кипении переход жидкости в пар особенно заметен, а испарение часто происходит медленно. Проверь себя вопросом: высыхает ли лужа без кипения? Если да, значит, испарение идёт и при более низкой температуре.

Ошибка — утверждать, что испарение происходит во всём объёме жидкости. Это смешивает перемещение молекул внутри жидкости с их переходом в газ. У поверхности молекулы могут непосредственно уйти в воздух, а для кипения характерны пузырьки пара внутри жидкости. Проверка: найди, где именно образуются пузырьки и где происходит уход молекул при испарении.

Ошибка — путать испарение и кипение, не учитывая образование пузырьков во всём объёме. Их объединяет переход жидкости в газ, поэтому различие может казаться несущественным. Но в ответе нужно указать условия и место процесса: испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — с образованием пузырьков по всему объёму.

Ошибка — объяснять охлаждение лишь тем, что жидкости становится меньше. Такое объяснение описывает потерю вещества, но не объясняет изменение температуры. При испарении уходят преимущественно наиболее быстрые молекулы, и средняя энергия оставшихся частиц уменьшается. Проверь ответ: в нём должна быть связь между уходом быстрых молекул и понижением температуры.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить испарение, нужно знать строение вещества и тепловое движение молекул: именно движение позволяет частицам покидать поверхность. Распределение молекул по скоростям помогает понять, почему испарение происходит даже при невысокой температуре и ускоряется при нагревании.

Испарение связано с кипением и конденсацией: это разные способы и направления перехода между жидким и газообразным состояниями. Рассмотрение этих процессов вместе помогает описывать превращения вещества и равновесие пара с жидкостью.

Представления об испарении пригодятся при изучении влажности воздуха, работы холодильных установок и тепловых машин. В этих случаях важно понимать, как переход вещества в пар и обратно связан с переносом энергии и изменением состояния окружающих тел.

Что запомнить

• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
• При испарении жидкость покидают преимущественно наиболее быстрые молекулы.
• Испарение охлаждает оставшуюся жидкость.
• Повышение температуры ускоряет испарение.
• Увеличение площади поверхности и движение воздуха ускоряют испарение.
• Кипение происходит во всём объёме жидкости, а испарение — только с поверхности.
• Конденсация является процессом, обратным испарению.