Агрегатний стан води може бути твердим, рідким, газоподібним. В даній статті йтиметься про дві останні фази, що спостерігаються при пароутворенні: випаровування та кипіння.
Двигуном фазових переходів вологи є зміна температури, в цьому випадку — підвищення градусів при нагріванні. Не менш важливий і вплив інших зовнішніх факторів. Зворотний пароутворенню процес називається конденсація, він завершує цикл колообігу води в природі.
Види змін рідини при нагріванні
Фазовий перехід – це перетворення речовини з одного агрегатного стану в інше. Це поняття більш загальне, ніж положення про тверді, рідкі та газоподібні форми. Різні фази можуть перебувати в межах одного фізичного положення води і називаються згідно з фізикою процесу.
Визначення переходів рідини під впливом температури:
- Пароутворення – явище перетворення стану рідкої речовини в газоподібну. Супроводжується поглинанням енергії: відбувається перетікання зовнішнього нагрівання у внутрішній енергетичний потенціал.
- Випаровування – пароутворення з водної поверхні, яке відбувається при будь-якій температурі. Це постійний процес, його швидкість може залежати від величини градуса, присутності вітру, площі дзеркальної гладі.
- Кипіння – утворення пари по всьому об’єму води або іншої рідини. Для ініціювання процесу потрібно нагріти речовину до якоїсь певної температури, званої точкою кипіння: в разі Н2О – це 100ºС. Величина градуса залишається незмінною на весь час протікання процесу.
Процеси пароутворення і випаровування
Причиною розпаду рідини з вивітрюванням з речовини легких фракцій вважається різниця температур на кордоні фазного переходу: повітря, зазвичай, тепліше рідини, що і викликає випаровування. Процес протікає повільно, коли йому не сприяють зовнішні фактори та відрізняється від кипіння тим, що відділення пари відбувається тільки з водної поверхні.
Якщо природне пароутворення з дзеркальної гладі озера може бути непомітним, то процес переходу в пар кипінням завжди є інтенсивним. Наочний приклад бурхливого природного пароутворення – гейзер, що під тиском викидає з надр гарячу воду з парою. На здатність рідини випаровуватися швидше або повільніше впливають кілька факторів:
- Властивості текучої речовини, її фізико-хімічні характеристики: міцність молекулярних зв’язків, густина рідкого тіла. Зближені молекули важче відірвати від поверхні, а з нагріванням їх рухливість зростає. Випаровування спирту відбувається швидше, ніж води такого ж градуса.
- Температура – її зниження призводить до уповільнення процесу пароутворення.
- Площа поверхні – чим більше площа зіткнення повітря з водною гладдю, тим вище швидкість випаровування.
- Величина атмосферного тиску – з його зниженням інтенсивність пароутворення зростає.
- Швидкість вітру – сприяє відриву молекул рідини на контакті її з повітряним середовищем.
Для визначення кількості теплоти, необхідного для перетворення 1 кг рідини в пар, використовується фізична величина, що позначається у фізиці буквою L.
У води при температурі 0ºС цей показник дорівнює 2500 кДж/кг, а в стадії кипіння питома теплота пароутворення менше — 2260. Для порівняння:
- у етилового спирту L = 906;
- у ефіру — 356 кДж на кг.
Розрахувати киплячу рідину на потрібну для переходу в пар кількість теплоти можна за формулою:
Q = L * M
Утворення конденсату як завершення циклу
Одночасно з випаровуванням при температурі кипіння речовини відбувається її перетворення в рідину. Хаотичний рух молекул над поверхнею води або іншого текучого субстрату призводить до їх зіткнення, а при збігу векторів швидкості в напрямку до рідини відбувається повернення крапель в кипляче середовище.
Конденсація триває протягом усього часу кипіння, тобто поки температура залишається рівною 100ºС, якщо це вода. Інша частина молекул, що випарувалися, випаровується в атмосферу. У різних обставинах взаємодія пароутворення і конденсації відрізняється:
- Посудина з рідиною відкрита. Процес випаровування в цьому випадку превалює – маса рідини стає менше, а пар над поверхнею називається ненасиченим.
- Закрита ємність. На початку переходу кількість молекул, що вилітають з води, переважає над тими, що повертаються, але з часом під тиском пари в посудині настає динамічна рівновага. Число крапель, що відокремилися, порівнюється з кількістю молекул, що повернулися в воду. У стані, коли волога в повітрі знаходиться в стійкому балансі з базовою рідиною, пар називається насиченим.
- Посуд з вмістом в рівноважному динамічному стані. Якщо його нагріти, то молекул, що вилітають, стане більше, ніж тих, що повертаються, але після баланс відновиться. При цьому густина пари і її тиск над поверхнею рідини збільшаться.
Колообіг води забезпечує навколишній людині світ і її саму корисними речовинами та сприяє збереженню природного середовища для живих організмів.
