Випаровування — визначення, умови та особливості процесу

Фазовий перехід, при якому рідка речовина перетворюється на пароподібну або газоподібну, називається випаровуванням. Особливості явища залежать від характеру руху молекул і швидкості їх «відриву» від поверхні.

Процес добре вивчений і широко застосовується людиною в промисловості і побуті, а також всюди зустрічається в природі.

Суть поняття

Основне визначення випаровування – перехід з рідини в газ. Це термодинамічний процес, обумовлений хаотичним рухом молекул тіл в певних агрегатних станах. Завдяки його існуванню кількість води, масла, ефіру, бензину або будь-якої іншої рідкої речовини в незакритій ємності буде безперервно зменшуватися з плином часу.

З точки зору фізики, випаровування можна пояснити різницею температур на межі фазового переходу — рідина, зазвичай, холодніше навколишнього повітря. Якщо інших зовнішніх впливів немає, випаровування відбувається повільно.

Молекули залишають воду в результаті дифузії, переходячи через напівпроникну для рідин, але непроникну для газоподібних речовин поверхню розділу фаз масового потоку.

Основна відмінність випаровування від інших форм пароутворення полягає в тому, що воно відбувається тільки з поверхні. Атоми і молекули змінюють агрегатний стан поступово, випаровуючись невеликими шарами. Втім, попри це, з плином часу вся рідина може поступово випаруватися.

Інша відмінна риса процесу – можливість різної спрямованості теплових потоків. Вони можуть йти:

• з товщі рідини до поверхні, а потім в повітря;
• тільки з рідини до поверхні;
• до поверхні з води і газового середовища одночасно;
• до площі поверхні тільки від повітря.

Спрямованість потоків залежить від температури повітря, фазового розділу і самої рідини. Співвідношення цих трьох величин по-різному враховуються у формулі випаровування. Від них залежить його швидкість, спрямованість теплообміну та інші фактори.

Для обчислення величини використовуються також експериментальні коефіцієнти, отримані шляхом дослідів. Вони унікальні для кожної речовини або суміші і обумовлені їх хімічним складом.

Випаровування на молекулярному рівні

У рідких речовинах молекули розташовані майже впритул один до одного, але не пов’язані, як у твердих субстанціях. Через це вони знаходяться в безперервному русі, випадковим чином стикаються один з одним, змінюють напрямок і швидкість руху.

Частинки, що опинилися близько до поверхні, з часом можуть покинути її, проникнувши через зону фазового переходу. Таким чином, випаровування обумовлено безперервним рухом молекул.

Якщо вони володіють достатньою кінетичною енергією і швидкістю, то частина з них може зірватися з поверхні води, долаючи тяжіння сусідніх частинок. Деякі відбиваються і повертаються, інші вириваються в газове середовище і назавжди залишають речовину. Процес повторюється з новими (тепер теж поверхневими) частинками, поки вся рідина не стане газоподібною.

В процесі рідина втрачає частину своєї енергії, через що знижується також її температура — це обумовлено тим, що першими її залишають найшвидші (а значить ті, що володіють найбільшою кінетичною силою) молекули. В результаті спостерігається явище, зване випарним охолодженням рідини.

Цим пояснюється те, що людині швидко стає холодно в мокрому одязі, навіть якщо ту облити теплою водою. При кімнатній температурі явище проявляється слабо, оскільки рідина компенсує втрачене тепло теплообміном з навколишнім повітрям.

Відмінності випаровування від кипіння і сублімації

Випаровування нерідко плутають з кипінням. Обидва процеси є різновидами пароутворення, тобто перетворення рідкої речовини в газоподібну. Різниця полягає в тому, що кипіння — набагато більш активний і швидкий процес, зміна агрегатного стану при якому спостерігається неозброєним оком.

Не менш важлива відмінність полягає в тому, що випаровування відбувається завжди, а кипіння — тільки при досягненні рідиною певної температури. Точна цифра змінюється і залежить від характеру речовини, для:

• води вона становить 100 °C;
• рафінованої олії — 227 °C;
• гелію — -269°C;
• вольфраму — 5680 °C.

Кипіння – це постійний процес, обумовлений певними закономірностями в русі молекул. Їх відрив від поверхні при цьому явищі відбувається постійно і не залежить від випадковостей при русі.

Крім того, зміна агрегатного стану при кипінні відбувається з рідиною по всій товщі, а не тільки на поверхні. Це можна помітити на практиці — при закипанні води в її товщі утворюються бульбашки, що підіймаються на поверхню через різницю мас.

Кипіння завжди супроводжується випаровуванням, тому багато в чому вони взаємопов’язані. Окремо стоїть явище сублімації – переходу речовини з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку стадію. Це явище супроводжується розривом молекулярних зв’язків в результаті зовнішнього підведення енергії (зазвичай через нагрівання).

У природі сублімація спостерігається рідко. Іноді її можна спостерігати при швидкому таненні льоду – наприклад, замерзлий мокрий одяг при потеплінні миттєво висихає.

Фактори, що впливають на швидкість випаровування

Вчені помітили, що процес відбувається по-різному при мінливих властивостях рідини і умовах зовнішнього середовища. Вони виділили основні фактори, що впливають на випаровування:

• Хімічні та фізичні властивості речовини, її  тип і клас. Велике значення має щільність – чим ближче розташовані молекули, тим важче їм подолати загальне тяжіння і відірватися, вирвавшись в газове середовище. Через цю властивість спирти і алкоголь випаровуються набагато швидше, ніж звичайна вода.
• Температура. На відміну від кипіння, випаровування відбувається при мінусових показниках термометра, але вона все ще впливає на його швидкість. При підвищенні температури частинки рухаються швидше, при зниженні — повільніше. Відповідно, збільшується або зменшується їх шанс покинути рідке середовище і перейти в газоподібну. Внаслідок випарного охолодження природна швидкість процесу з часом знижується, якщо немає додаткового нагрівання.
• Розміри поверхні. Залежність пояснюється тим, що чим ширше площа зіткнення у рідкого і газового середовища, тим більше молекул перелетять з однієї в іншу. Роль відіграє також зворотна конденсація молекул – якщо налити їх в ємність з вузькою шийкою, пар буде осідати на її стінках і стікати назад в товщу води. Цю особливість явища часто експлуатують при охолодженні різних речовин в промисловості і побутових цілях.
• Швидкість вітру. Рух повітря “здуває” молекули з поверхні, збільшуючи їх кінетичну енергію, а також пересуває саму воду, збільшуючи площу поверхні шляхом брижі, хвиль і струменів. Тому наявність вітру робить випаровування більш інтенсивним. Це можна легко помітити, подувши на ложку з гарячою водою або чаєм — так він охолоне набагато швидше.
• Атмосферний тиск. Чим він нижче, тим швидше рідини випаровуються. Показник впливає і на температуру кипіння — наприклад, при показнику барометра в 0,5 АТМ замість стандартного 1, вода закипає при 82 °C. У природі це явище можна спостерігати, якщо відправитися в гори.

Фактори, здатні вплинути на швидкість випаровування, відомі людям з повсякденних прикладів. Далекі предки сучасних людей застосовували їх для сушіння одягу, охолодження рідин та інших завдань.

Роль випаровування

Випаровування і кипіння — дуже поширені фізичні явища, без яких сталл б неможливим нормальне життя на землі. Люди щодня стикаються з ним в побуті, а також використовують в промисловості, техніці, енергетиці та інших сферах життєдіяльності. Крім того, фазовий перехід рідини і газу відіграє важливу роль в існуванні живих організмів і екосистемі планети в цілому.

В організмі людини, тварин і рослин

Випаровування відіграє важливу роль в процесі саморегуляції температури тіла людини і більшості ссавців. Оскільки надмірне тепло для них шкідливо або навіть смертельно (при 42,2 °C в крові відбувається згортання білка, що призводить до швидкої смерті), в процесі еволюції організм розробив систему самоохолодження — потовиділення. Вона задіюється при перебуванні в жарких або задушливих приміщеннях, важкій фізичній праці, хворобах.

Через пори на шкірі виділяється рідина, яка потім швидко випаровується. Це дозволяє швидко позбутися зайвої енергії і охолодити тіло, нормалізувавши температуру.

Деякі тварини інстинктивно намагаються посилити цей процес – наприклад, собаки в жарку погоду відкривають рот і висовують язик.

Представники флори володіють схожим захисним механізмом. Щоб не перегрітися на сонці, вони запускають процес випаровування раніше поглиненої води, тим самим охолоджуючись. Тому в літню пору садівники посилено поливають культурні рослини, запобігаючи їх засиханн. або вигоранн. в найспекотніші дні.

У природі та навколишньому середовищі

Роль випаровування і конденсації (перетворення газу назад в рідину) в природі важко переоцінити. Вони лежать в основі природного кругообігу води, який забезпечує екосистему необхідними поживними речовинами, рятує водойми від пересихання, а тварин і рослин — від вимирання. Тільки завдяки цьому явищу життя на Pемлі може існувати в нинішньому вигляді.

Випаровування великої кількості води з поверхні морів, океанів, річок і озер призводить до появи дощових хмар, які розносять вологу по всьому світу і живлять навколишнє середовище. Це ж явище перешкоджає затопленню і заболочуванн. ділянок (особливо взимку, коли тануть сніги і льоди), повертаючи зайву воду назад у Світовий океан.

Завдяки випаровуванню можливе таке явище, як запахи. Тварини використовують його в безлічі сфер свого життя – від полювання і пошуку їжі до розмноження і спілкування.

Воно також допомагає представникам фауни розпізнавати небезпеку у вигляді хижаків або вогню і диму, виявляти токсичні речовини в атмосфері.

У побуті і промисловості

Випаровування широко застосовується в побутовому житті людей, а також у створенні складних механізмів і промислових машин. Деякі приклади використання цього процесу:

• створення охолоджувачів для двигунів, ядерних реакторів;
• сушка різних речей – від одягу до виробничої сировини;
• запчастини побутових і промислових холодильників;
• кондиціонування та очищення повітря;
• енергетична промисловість;
• очищення різних речовин на молекулярному рівні;
• охолодження води;
• дегідрація продуктів для збільшення терміну зберігання, створення дієтичної їжі шляхом виведення зайвих речовин;
• готування на пару в кулінарії;
• стимуляція процесів при хімічних дослідах;
• декор і дизайн одягу – наприклад, сублімаційний фотодрук;
• оздоровчі процедури  -лазні, кріотерапія, косметичні техніки;
• медичні інгаляції – приготування насичених корисними речовинами газів засноване на процесі випаровування.

Промислова техніка, що використовує випаровування для роботи, будується за однією і тією ж схемою. У ній максимально збільшується площа поверхні рідини, чим забезпечується найкращий теплообмін з газовим середовищем.

Це досягається за рахунок поділу води на окремі струмені і краплі, а також утворення тонких плівок речовини на внутрішній поверхні і насадках. Газ в приладах розганяється, що також покращує ефективність охолодження.