2. Испарение

Определения и обозначения

Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Испарение является одним из способов парообразования и происходит с поверхности жидкости. Это общее понятие помогает отличать испарение от другого способа — кипения, при котором пар образуется во всём объёме.

Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре. Молекулы покидают только верхний слой, соприкасающийся с воздухом или другим газом. Такое определение объясняет, почему вода может исчезать из блюдца, не достигая температуры кипения.

Скорость испарения — количество жидкости, испаряющееся за единицу времени. Чем больше жидкости исчезает за один и тот же промежуток времени, тем выше скорость испарения. Это понятие нужно, чтобы сравнивать, например, высыхание воды в стакане и на широкой тарелке.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое, обратный испарению. Так водяной пар превращается в капли на холодном стекле. Знание об этом процессе необходимо, чтобы понять, почему в закрытом сосуде жидкость не исчезает бесконечно.

Как это устроено

Жидкость состоит из непрерывно движущихся молекул, причём их скорости неодинаковы. У наиболее быстрых молекул кинетическая энергия достаточно велика, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть поверхность. Поэтому испарение возможно при любой температуре, хотя при нагревании быстрых молекул становится больше.

Покидая жидкость, молекулы с большей кинетической энергией уносят часть энергии. Среди оставшихся молекул средняя энергия движения уменьшается, поэтому температура жидкости понижается. Для испарения требуется энергия, и жидкость получает её за счёт собственного внутреннего запаса или окружающих тел.

Повышение температуры увеличивает скорость испарения, потому что молекулы движутся быстрее и большее их число может вырваться с поверхности. Увеличение площади поверхности также ускоряет процесс: одновременно покинуть жидкость могут молекулы из более широкого верхнего слоя. Поэтому вода в мелкой широкой посуде испаряется быстрее, чем такая же вода в узком высоком стакане.

Движение воздуха уносит молекулы пара от поверхности жидкости. Возле спокойной поверхности постепенно накапливается пар, и дальнейший выход молекул замедляется, а поток воздуха уменьшает его концентрацию. Разные жидкости испаряются с разной скоростью, потому что силы притяжения между их молекулами неодинаковы: чем труднее молекулам оторваться, тем медленнее испарение.

В открытом сосуде часть молекул покидает поверхность, а пар рассеивается в окружающем воздухе. В закрытом сосуде пар остаётся над жидкостью, поэтому некоторые его молекулы возвращаются обратно в жидкость — это конденсация. Через некоторое время число молекул, уходящих за секунду, может сравняться с числом возвращающихся; устанавливается динамическое равновесие, хотя оба процесса продолжаются.

Факторы, влияющие на скорость испарения

В таблице показано, в какую сторону изменяется скорость испарения при изменении каждого фактора. Молекулярное объяснение помогает не просто запомнить правило, а вывести его из движения и взаимодействия молекул. Бытовой пример показывает, где это правило встречается в повседневной жизни.

Разбор задач

Задача 1

Две одинаковые порции воды имеют одну и ту же температуру: одну налили в стакан, другую — в широкую тарелку. Нужно определить, какая порция испарится быстрее, если остальные условия одинаковы. Сравнивать следует не объём воды, а площадь её свободной поверхности.

1. У воды в широкой тарелке поверхность соприкосновения с воздухом больше.
2. С этой поверхности одновременно могут покинуть жидкость больше молекул.
3. Следовательно, за одинаковое время из тарелки испарится больше воды.

Ответ: быстрее испарится вода в широкой тарелке. Причина — большая площадь свободной поверхности, а не различие температур или количества воды.

Задача 2

После выхода из воды человеку становится холодно, особенно при ветре. Нужно объяснить это ощущение с помощью свойств испарения. Вода на коже получает энергию от тела и превращается в пар.

1. С поверхности кожи уходят преимущественно быстрые молекулы воды.
2. На их испарение расходуется энергия, поэтому кожа и прилегающий слой тела охлаждаются.
3. Ветер уносит водяной пар и не даёт ему накапливаться возле кожи, поэтому испарение усиливается.

Ответ: холод возникает из-за охлаждения при испарении воды с кожи, а ветер ускоряет этот процесс. Поэтому на ветру человек мёрзнет сильнее, даже если температура воздуха не изменилась.

Задача 3

В закрытом сосуде при постоянной температуре жидкость испаряется, но через некоторое время её уровень перестаёт заметно изменяться. Требуется объяснить, куда девается испарившаяся жидкость и почему уровень стабилизируется. В сосуде пар не может бесконечно удаляться от поверхности.

1. Сначала испарение преобладает, и количество пара над жидкостью увеличивается.
2. Чем больше пара становится, тем больше его молекул возвращается в жидкость при конденсации.
3. Наконец скорости испарения и конденсации становятся равными.

Ответ: устанавливается динамическое равновесие. Жидкость и пар продолжают обмениваться молекулами, но за одинаковое время из жидкости уходит столько же вещества, сколько возвращается, поэтому уровень почти не меняется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Так думают, потому что кипение хорошо заметно и связано с образованием пара. Проверка простая: вспомните лужу или мокрую одежду — они высыхают без нагревания до кипения.

Ошибка: утверждать, что испарение идёт со всей массы жидкости. Такое представление возникает из-за смешения испарения с кипением. Проверьте себя: при испарении пар образуется только на свободной поверхности, тогда как молекулы внутри жидкости не покидают её непосредственно.

Ошибка: путать испарение с кипением. При испарении пар образуется на поверхности и процесс возможен при любой температуре, а при кипении пузырьки пара возникают во всём объёме при определённой температуре. Если в описании есть пузырьки по всей жидкости, речь идёт о кипении.

Ошибка: считать, что ветер охлаждает жидкость сам по себе. На самом деле поток воздуха уносит пар от поверхности и тем самым ускоряет испарение, а охлаждение связано с затратой энергии на этот процесс. Чтобы проверить объяснение, сравните высыхание на ветру и в неподвижном воздухе.

Связь с другими темами

До изучения испарения нужно знать строение вещества, тепловое движение молекул, кинетическую энергию и агрегатные состояния. Эти знания объясняют, почему молекулы могут покидать жидкость и почему при этом изменяется её температура.

Дальше тема связана с кипением, влажностью воздуха, конденсацией и теплопередачей. Испарение также используется в испарительных холодильных устройствах, где охлаждение создаётся затратой энергии на переход жидкости в пар.

Что запомнить

• Испарение — парообразование с поверхности жидкости.
• Испарение происходит при любой температуре.
• Чем выше температура жидкости, тем быстрее она испаряется.
• Увеличение площади поверхности ускоряет испарение.
• Движение воздуха ускоряет испарение.
• При испарении жидкость охлаждается.
• Конденсация является процессом, обратным испарению.