Испарение

Испарение — это тип испарения, который происходит на поверхности жидкости, когда она переходит в газовую фазу. Высокая концентрация испаряющегося вещества в окружающем газе значительно замедляет испарение, например, когда влажность влияет на скорость испарения воды. Когда молекулы жидкости сталкиваются, они передают друг другу энергию в зависимости от того, как они сталкиваются. Когда молекула вблизи поверхности поглощает достаточно энергии, чтобы преодолеть давление пара, она высвобождается и попадает в окружающий воздух в виде газа. Когда происходит испарение, энергия, отнимаемая у испаренной жидкости, снижает температуру жидкости, что приводит к испарительному охлаждению.

В среднем только часть молекул в жидкости имеет достаточно тепловой энергии, чтобы вырваться из жидкости. Испарение будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, при котором испарение жидкости будет равно ее конденсации. В закрытом пространстве жидкость будет испаряться до тех пор, пока окружающий воздух не станет насыщенным.

Испарение является неотъемлемой частью круговорота воды. Солнце (солнечная энергия) вызывает испарение воды из океанов, озер, влаги в почве и других источников воды. В гидрологии испарение и транспирация (которая включает испарение внутри устьиц растений) в совокупности называются эвапотранспирацией. Испарение воды происходит, когда поверхность жидкости обнажается, позволяя молекулам выходить и образовывать водяной пар; этот пар затем может подняться и образовать облака. При достаточной энергии жидкость превратится в пар.

Теория

Чтобы молекулы жидкости испарились, они должны находиться вблизи поверхности, двигаться в правильном направлении и иметь достаточную кинетическую энергию для преодоления межмолекулярных сил жидкой фазы. Когда только небольшая часть молекул соответствует этим критериям, скорость испарения низкая. Поскольку кинетическая энергия молекулы пропорциональна ее температуре, испарение происходит быстрее при более высоких температурах. По мере того как более быстро движущиеся молекулы улетают, оставшиеся молекулы имеют более низкую среднюю кинетическую энергию, и температура жидкости понижается. Это явление также называется испарительным охлаждением. Вот почему испаряющийся пот охлаждает человеческое тело. Испарение также имеет тенденцию происходить быстрее при более высоких скоростях потока между газообразной и жидкой фазой и в жидкостях с более высоким давлением пара. Например, белье на бельевой веревке будет высыхать (путем испарения) быстрее в ветреный день, чем в тихий день. Три ключевых фактора испарения — это тепло, атмосферное давление (определяет процент влажности) и движение воздуха.

На молекулярном уровне нет строгой границы между жидким и паровым состоянием. Вместо этого есть слой Кнудсена, где фаза не определена. Поскольку этот слой имеет толщину всего в несколько молекул, в макроскопическом масштабе нельзя увидеть четкую границу фазового перехода.

Жидкости, которые не испаряются визуально при данной температуре в данном газе (например, кулинарное масло при комнатной температуре), имеют молекулы, которые не склонны передавать энергию друг другу в достаточной степени, чтобы часто давать молекуле тепловую энергию, необходимую для превращения в пар. Однако эти жидкости испаряются. Просто этот процесс происходит гораздо медленнее и, следовательно, значительно менее заметен.

Испарительное равновесие

Если испарение происходит в закрытом пространстве, выходящие молекулы накапливаются в виде пара над жидкостью. Многие молекулы возвращаются в жидкость, причем возвращающиеся молекулы становятся более частыми по мере увеличения плотности и давления пара. Когда процесс вытекания и возврата достигает равновесия, пар считается «насыщенным», и никаких дальнейших изменений давления и плотности пара или температуры жидкости не произойдет. Для системы, состоящей из пара и жидкости чистого вещества, это равновесное состояние напрямую связано с давлением пара вещества, как дается соотношением Клаузиуса–Клапейрона:

${\displaystyle \ln \left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)=-{\frac {\Delta H_{\rm {vap}}}{R}}\left({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}}\right)}$

где P₁, P₂ — давления пара при температурах T₁, T₂ соответственно, ΔH_vap — энтальпия испарения, а R — универсальная газовая постоянная. Скорость испарения в открытой системе связана с давлением пара в закрытой системе. Если жидкость нагревается, то когда давление пара достигает давления окружающей среды, жидкость закипает.

Способность молекулы жидкости испаряться в значительной степени основана на количестве кинетической энергии, которой может обладать отдельная частица. Даже при более низких температурах отдельные молекулы жидкости могут испаряться, если у них больше минимального количества кинетической энергии, необходимого для испарения.

Факторы, влияющие на скорость испарения

Примечание: Воздух здесь используется как общий пример окружающего газа; однако эту роль могут выполнять и другие газы.

Concentration of the substance evaporating in the air

If the air already has a high concentration of the substance evaporating, then the given substance will evaporate more slowly.

Flow rate of air

This is in part related to the concentration points above. If «fresh» air (i.e., air which is neither already saturated with the substance nor with other substances) is moving over the substance all the time, then the concentration of the substance in the air is less likely to go up with time, thus encouraging faster evaporation. This is the result of the boundary layer at the evaporation surface decreasing with flow velocity, decreasing the diffusion distance in the stagnant layer.

The amount of minerals dissolved in the liquid

Inter-molecular forces

The stronger the forces keeping the molecules together in the liquid state, the more energy one must get to escape. This is characterized by the enthalpy of vaporization.

Pressure

Evaporation happens faster if there is less exertion on the surface keeping the molecules from launching themselves.

Surface area

A substance that has a larger surface area will evaporate faster, as there are more surface molecules per unit of volume that are potentially able to escape.

Temperature of the substance

the higher the temperature of the substance the greater the kinetic energy of the molecules at its surface and therefore the faster the rate of their evaporation.

Photomolecular effect

The amount of light will affect the evaporation. When photons hits the surface area of the liquid they can make individual molecules break free and disappear into the air without any need for additional heat.

В США Национальная метеорологическая служба измеряет в различных местах на открытом воздухе по всей стране фактическую скорость испарения со стандартизированной «сковороды» открытой водной поверхности. Другие делают то же самое по всему миру. Данные по США собираются и компилируются в ежегодную карту испарения. Диапазон измерений составляет от менее 30 до более 120 дюймов (3000 мм) в год.

Поскольку это обычно происходит в сложной среде, где «испарение является чрезвычайно редким событием», механизм испарения воды не полностью изучен. Теоретические расчеты требуют чрезмерно длительных и больших компьютерных симуляций. «Скорость испарения жидкой воды является одной из главных неопределенностей в современном моделировании климата».

Термодинамика

Испарение — эндотермический процесс, поскольку при испарении поглощается тепло.

Приложения

Испарение при сгорании

Капли топлива испаряются, получая тепло, смешиваясь с горячими газами в камере сгорания. Тепло (энергия) может также быть получено путем излучения от любой горячей огнеупорной стенки камеры сгорания.

Испарение перед сгоранием

Двигатели внутреннего сгорания работают за счет испарения топлива в цилиндрах, образуя топливно-воздушную смесь для хорошего сгорания. Химически правильная воздушно-топливная смесь для полного сгорания бензина была определена как 15 частей воздуха на одну часть бензина или 15/1 по весу. Изменение этого соотношения на объем дает 8000 частей воздуха на одну часть бензина или 8000/1 по объему.

Нанесение пленки

Тонкие пленки могут быть нанесены путем испарения вещества и конденсации его на подложке или путем растворения вещества в растворителе, распределения полученного раствора тонким слоем по подложке и испарения растворителя. Уравнение Герца-Кнудсена часто используется для оценки скорости испарения в этих случаях.

Медиафайлы, связанные с испарением на Commons