Что такое испарение и как оно происходит? Кипение и испарение в физике

ученица 9 Б класса Чернышова Кристина МБОУ СОШ №27 г.Ставрополя.

Тема данной исследовательской работы - исследование зависимости скорости испарения от различных внешних условий. Эта проблема остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, в свою очередь, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 27

Исследовательская работа:

«Испарение и факторы, влияющие на этот процесс»

Выполнила: ученица 9 Б класса

Чернышова Кристина.

Учитель: Ветрова Л. И.

Ставрополь

2013

I.Введение…………………………………………………………………....…….3

II Теоретическая часть………………………………...………………………….4

1.Основные положения молекулярно-кинетической теории…………………4

2. Температура…………………………………………………………..………...6

3. Характеристика жидкого состояния вещества…………………………….....7

4. Внутренняя энергия …………………………………………………….……..8

5. Испарение……………………………………………………………………..10

III .Исследовательская часть………………………………..…………………..14

IV.Заключение……………………………………………………………….…..21

V.Литература…………………………………………………………………….22

Введение

Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.

В карбюраторных и дизельных двигателях распределение по размерам частиц топлива определяет скорость их горения, а значит и процесс работы двигателя. Конденсационные туманы не только паров воды образуются при сгорании различных топлив, при этом образуется множество ядер конденсации, которые могут служить центрами конденсации для других паров. Эти сложные процессы определяют коэффициент полезного действия двигателей и потери топлива. Достижение наилучших результатов в исследовании этих явлений могло бы служить информацией для движения технического прогресса в нашей стране.

Итак , цель данной работы - исследовать зависимость скорости испарения от различных факторов среды и с помощью построения графиков и тщательных наблюдений заметить закономерности.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

При проведении исследования мы пользовались различными несложными приборами, такими как, термометр, а также интернет-ресурсами и другой литературой.

II Теоретическая часть.

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Многообразны и различны свойства встречающихся в природе и технике, веществ: стекло прозрачно и _хрупко, а сталь упруга и непрозрачна, медь и серебро - хорошие проводники тепла и электричества, а фарфор и шелк - плохие и т. д.

Каково внутреннее строение любого вещества? Является сплошным(непрерывным) или имеет зернистое (дискретное) строение, подобное строению кучи песка?

Вопрос о строении вещества был поставлен еще в Древней Греции, однако отсутствие экспериментальных данных делало его решение невозможным, и долгое время (свыше двух тысячелетий) не удавалось проверить гениальные догадки о строении вещества, высказанные древнегреческими мыслителями Левкиппом и Демокритом (460- 370 гг. до н. э.), которые учили, что все в природе состоит из атомов, находящихся в непрерывном движении. Их учение впоследствии было забыто, и в средние века вещество считали уже непрерывным, а изменение, состояния тел объясняли с помощью невесомых жидкостей, каждая из которых олицетворяла определенное свойство материи и могла как входить в тело, так и выходить из него. Например, считали, что добавление теплорода к телу вызывает его нагревание, наоборот - охлаждение тела происходит вследствие вытекания теплорода и т. п.

В середине XVII в. французский ученый П. Гассенди (1592-1655 гг.) вернулся к взглядам Демокрита. Он считал, что в природе имеются вещества, которые нельзя разложить на более простые составные части. Такие вещества теперь называют химическими элементами, например водород, кислород, медь и т. д. По Гассенди каждый элемент состоит из атомов определенного вида.

Различных элементов в природе сравнительно немного, но их атомы, соединяясь в группы (среди них могут быть и одинаковые атомы), дают мельчайшую частичку нового вида вещества - молекулу. В зависимости от числа и вида атомов в молекуле получаются вещества с разнообразными свойствами.

В XVIII в. появились работы М. В. Ломоносова, заложившие основы молекулярно-кинетической теории строения вещества. Ломоносов решительно боролся за изгнание из физики невесомых жидкостей, подобных теплороду, а также атомов холода, запаха и т. п., которыми широко пользовались в то время для объяснения соответствующих явлений. Ломоносов доказал, что все явления» естественно объясняются движением и взаимодействием молекул вещества. - |В начале XIX столетия английский ученый Д. Дальтон (1766-1844 гг.) показал, что, пользуясь лишь представлениями об атомах и молекулах, можно вывести и объяснить известные из опытов химические закономерности. Тем самым он научно обосновал молекулярное строение вещества. После работ Дальтона существование атомов и молекул было признано огромным большинством ученых.

К началу XX в. были измерены размеры, массы и скорости движения молекул вещества, выяснено расположение отдельных атомов в молекулах, словом, окончательно завершено построение молекулярно-кинетической теории строения вещества, выводы которой были подтверждены множеством опытов.

Основные положения этой теории следующие:

1) всякое вещество состоит из молекул, между которыми имеются межмолекулярные промежутки;

2) молекулы всегда находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении;

3) между молекулами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Эти силы зависят от расстояния между молекулами. Они имеют значительную величину лишь при очень малых расстояниях и быстро уменьшаются при удалении молекул друг от друга. Природа этих сил электрическая.

2. Температура.

Если все тела состоят из непрерывно и беспорядочно движущихся молекул, то в чем будет проявляться изменение скорости движения молекул, т. е. их кинетической энергии, и какие ощущения у человека вызовут эти изменения? Оказывается, что изменение средней кинетической энергии поступательного движения молекул связано с нагреванием или охлаждением тел.

Нередко человек определяет нагретость тела на ощупь, например, прикасаясь рукой к радиатору отопления, мы говорим: радиатор холодный, теплый или горячий. Однако определение нагретости тела на ощупь часто оказывается обманчивым. Когда зимой человек прикасается рукой к деревянному и металлическому телам, то ему кажется, что металлический предмет холоднее деревянного, хотя в действительности их нагретость одинакова. Следовательно, нужно установить такую величину, которая оценивала бы нагретость тела объективно, и создать прибор для ее измерения.

Величина, характеризующая степень нагретости тела, называется температурой. Прибор для измерения температуры называется термометром. Действие наиболее распространенных термометров основано на расширении тел при нагревании и сжатии при охлаждении. При соприкосновении двух тел с разной температурой между телами происходит обмен энергией. При этом более нагретое тело (с высокой температурой) теряет энергию, а менее нагретое (с низкой температурой) приобретает ее. Такой обмен энергией между телами ведет к выравниванию их температур и заканчивается, когда температуры тел становятся равными.

Ощущение тепла у человека возникает в том случае, когда он получает энергию от окружающих тел, т. е. когда их температура выше, чем температура человека. Ощущение холода связано с отдачей человеком энергии окружающим телам. В приведенном выше примере металлическое тело кажется человеку более холодным, чем деревянное, потому, что металлическим телам энергия от руки передается быстрее, чем деревянным, и в первом случае температура руки понижается быстрее.

3. Характеристика жидкого состояния вещества.

Молекулы жидкости в течение некоторого времени t колеблются около случайно возникшего положения равновесия, а затем перескакивают в новое положение. Время, в течение которого молекула колеблется около положения равновесия, называется временем «оседлой жизни» молекулы. Оно зависит от рода жидкости и ее температуры. При нагревании жидкости время «оседлой жизни» уменьшается.

Если в жидкости выделить достаточно малый объем, то в течение времени «оседлой жизни» в нем сохраняется упорядоченное расположение молекул жидкости, т. е. имеется подобие кристаллической решетки твердых тел. Однако если рассматривать расположение молекул жидкости относительно друг друга в большом объеме жидкости, то оно оказывается хаотическим.

Следовательно, можно сказать, что в жидкости существует «ближний порядок» в расположении молекул. Упорядоченное расположение молекул жидкости в малых объемах называется квазикристаллическим (кристаллоподобным). При кратковременных воздействиях на жидкость, меньших времени «оседлой жизни», обнаруживается большое сходство свойств жидкости со свойствами твердого вещества. Например, при резком ударе небольшого камня с плоской поверхностью о воду камень отскакивает от нее, т. е. жидкость проявляет упругие свойства. Если прыгающий с вышки пловец ударится о поверхность воды всем телом, то он сильно ушибется, так как при этих условиях жидкость ведет себя подобно твёрдому телу.

Если же время воздействия на жидкость оказывается больше времени «оседлой жизни» молекул, то обнаруживается текучесть жидкости. Например, человек свободно входит в воду с берега реки и т. п. Основными признаками жидкого состояния являются текучесть жидкости и сохранение объема. Текучесть жидкости тесно связана со временем «оседлой жизни» ее молекул. Чем меньше это время, тем большей подвижностью обладают молекулы жидкости, т. е. тем больше текучесть жидкости, а ее свойства ближе к свойствам газа.

Чем выше температура жидкости, тем больше ее свойства отличаются от свойств твердого вещества и становятся ближе к свойствам плотных газов. Таким образом, жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым и газообразным состоянием того же вещества.

4. Внутренняя энергия

Всякое тело представляет собой совокупность огромного множества частиц. В зависимости от структуры вещества этими частицами являются молекулы, атомы или ионы. Каждая из этих частиц, в свою очередь, имеет достаточно сложную структуру. Так, молекула состоит из двух или нескольких атомов, атомы состоят из ядра и электронной оболочки; ядро состоит из протонов и нейтронов и т. д.

Частицы, из которых состоит тело, находятся в непрерывном движении; кроме того, они определенным образом взаимодействуют друг с другом.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетических энергий частиц, из которых оно состоит, и энергий их взаимодействия друг с другом (потенциальных энергий).

Выясним, при каких процессах может меняться внутренняя энергия тела.

1. Прежде всего очевидно, что внутренняя энергия тела меняется при его деформации. В самом деле, при деформации меняется расстояние между частицами; следовательно, меняется и энергия взаимодействия между ними. Лишь в идеальном газе, где силами взаимодействия между частицами пренебрегают, внутренняя энергия от давления не зависит.

2. Внутренняя энергия меняется при тепловых процессах. Тепловыми называют процессы, связанные с изменением как температуры тела, так и его агрегатного состояния - плавлением или затвердеванием, испарением или конденсацией. При изменении температуры меняется кинетическая энергия движения его частиц. Однако следует подчеркнуть, что одновременно ме-

няется и потенциальная энергия их взаимодействия (за исключением случая разреженного газа). Действительно, повышение или понижение температуры сопровождается изменением расстояния между положениями равновесия в узлах кристаллической решетки тела, что мы регистрируем как тепловое расширение тел. Естественно, что при этом меняется энергия взаимодействия частиц. Переход же из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения молекулярной структуры тела, что вызывает изменение как энергии взаимодействия частиц, так и характера их движения.

3. Внутренняя энергия тела меняется при химических реакциях. В самом деле, химические реакции представляют собой процессы перестройки молекул, их распада на более простые части или, наоборот, возникновения более сложных молекул из более простых или из отдельных атомов (реакции анализа и синтеза). При этом существенно изменяются силы взаимодействия между атомами и соответственно энергии их взаимодействия. Кроме того, меняется характер как движения молекул, так и взаимодействия между ними, ибо молекулы вновь возникшего вещества взаимодействуют между собой иначе, чем молекулы исходных веществ.

4. При некоторых условиях ядра атомов испытывают превращения, которые называют ядерными реакциями. Независимо от механизма процессов, происходящих при этом (а они могут быть весьма различными), все они связаны со значительным изменением энергии взаимодействующих частиц. Следовательно, ядерные реакции сопровождаются изменением внутренней энергии тела, в состав которого входят эти ядра

5. Испарение

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое - конденсацией.

Одним из типов парообразования является испарение. Испарением называется парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой. Выясним, как объясняется испарение на основе молекулярно-кинетической теории.

Поскольку молекулы жидкости совершают хаотическое движение, среди молекул ее поверхностного слоя всегда найдутся такие молекулы, которые движутся по направлению от жидкости к газообразной среде. Однако далеко не все такие молекулы смогут вылететь из жидкости, так как на них действуют молекулярные силы, втягивающие их обратно в жидкость. Поэтому вырваться за пределы поверхностного слоя жидкости смогут только те из ее молекул, которые обладают достаточно большой кинетической энергией.

Действительно, когда молекула проходит через поверхностный слой, она должна выполнить работу против молекулярных сил за счет своей кинетической энергии. Те молекулы, кинетическая энергия которых меньше этой работы, втягиваются обратно в жидкость, а вырываются из жидкости только те молекулы, кинетическая энергия которых больше указанной работы. Вылетевшие из жидкости молекулы образуют пар над ее поверхностью. Поскольку вылетающие из жидкости молекулы приобретают кинетическую энергию в результате столкновений с другими молекулами жидкости, средняя скорость хаотического движения молекул внутри жидкости в процессе ее испарения должна уменьшаться. Таким образом, на превращение жидкой фазы вещества в газообразную должна затрачиваться определенная энергия. Находящиеся над поверхностью жидкости молекулы пара при своем хаотическом движении могут залететь обратно в жидкость и вернуть ей ту энергию, которую они унесли при испарении. Следовательно, при испарении всегда одновременно происходит и конденсация паров, сопровождающаяся увеличением внутренней энергии жидкости.

Какие причины влияют на скорость испарения, жидкости?

1. Если налить в одинаковые блюдца равные объемы воды, спирта и эфира и пронаблюдать за их испарением,то окажется,что первым испарится.эфир, затем спирт и последней испарится вода. Следовательно, быстрота

испарения зависит от рода жидкости.

2. Одна и та же жидкость испаряется тем быстрее, чем больше ее свободная поверхность. Например, если одинаковые объемы воды налить в блюдце и в стакан, то из блюдца вода испарится быстрее, чем из стакана.

3. Нетрудно заметить, что горячая вода испаряется быстрее холодной.

Причина этого ясна. Чем выше температура жидкости, тем больше средняя кинетическая энергия ее молекул и, следовательно, тем большее число их покидает жидкость за то же время.

4. Кроме того, скорость испарения жидкости тем больше, чем меньше внешнее давление на жидкость и чем меньше плотность пара этой жидкости над ее поверхностью.

Например, при ветре белье сохнет быстрее, чем в безветренную погоду, так как ветер уносит пары воды и этим способствует уменьшению конденсации пара на белье.

Поскольку на испарение жидкости затрачивается энергия за счет энергии ее молекул, температура жидкости в процессе испарения понижается. Именно поэтому заметно охлаждается рука, смоченная эфиром или спиртом. Этим же объясняется ощущение холода у человека, когда он после купанья в жаркий ветреный день выходит из воды.

Если жидкость испаряется медленно, то вследствие теплообмена с окружающими телами потери ее энергии компенсируются притоком энергии от окружающей среды, и ее температура фактически остается равной температуре среды. Однако при большой скорости испарения жидкости ее температура может оказаться значительно ниже температуры окружающей среды. С помощью «летучих» жидкостей, например эфира, можно получить значительное понижение температуры.

Отметим еще, что многие твердые вещества, минуя жидкую фазу, могут непосредственно переходить в газообразную фазу. Такое явление называется сублимацией, или возгонкой. Пахучесть твердых тел (например камфары, нафталина) объясняется их сублимацией (и диффузией). Сублимация характерна для льда, например, белье высыхает при температуре ниже 0° G.

6. Гидросфера и атмосфера Земли

1. Процессы испарения и конденсации воды играют определяющую роль в формировании погодно-климатических условий на нашей планете. В глобальном масштабе эти процессы сводятся к взаимодействию гидросферы и атмосферы Земли.

Гидросферу составляет вся имеющаяся на нашей планете вода во всех ее агрегатных состояниях; 94 % гидросферы приходится на Мировой океан, объем которого оценивается в 1,4 млрд. м3. Он занимает 71 % всей площади земной поверхности, и если бы твердая поверхность Земли была гладкой сферой, то вода покрывала бы ее сплошным слоем глубиной 2,4 км; 5,4 % гидросферы занимают подземные воды, а также ледники, атмосферная и почвенная влага. И только 0,6 % приходится на пресную воду рек, озер и искусственных водоемов. Отсюда ясно, какое значение имеет охрана пресной воды от загрязнений отходами промышленности и транспорта.

2. Атмосферу Земли принято делить на несколько слоев, каждый из которых обладает своими особенностями. Нижний, приземный, слой воздуха называют тропосферой. Ее верхняя граница в экваториальных широтах проходит на высоте 16-18 км, а в полярных - на высоте 10 км. В тропосфере содержится 90 % массы всей атмосферы, что составляет 4,8 1018 кг. Температура в тропосфере с высотой понижается. Сначала на 1 °С на каждые 100 м, а затем начиная с высоты 5 км температура опускается до -70 °С.

Давление и плотность воздуха непрерывно убывают. Самый внешний слой атмосферы на высоте около 1000 км постепенно переходит в межпланетное пространство.

3. Исследования показали, что каждые сутки с поверхности Мирового океана и других водоемов нашей планеты испаряется около 7·10 3 км 3 воды и примерно столько же выпадает в виде осадков.

Увлекаемый восходящими потоками воздуха водяной пар поднимается вверх, попадая в холодные слои тропосферы. По мере подъема пар становится насыщенным, а затем конденсируется, образуя дождевые капли и облака.

В процессе конденсации пара в атмосфере в среднем за сутки выделяется количество теплоты 1,6 ·10 22 Дж, что в десятки тысяч раз превосходит энергию, вырабатываемую на планете Земля за то же время. Эта энергия поглощается водой при ее испарении. Таким образом, между гидросферой и атмосферой Земли происходит непрерывный обмен не только веществом (круговорот воды), но и энергией.

III. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.

Для исследования процессов испарения и определения зависимости скорости испарения от различных условий был проведен ряд экспериментов.

Эксперимент 1. Исследование зависимости скорости испарения от температуры воздуха.

Материалы: Пластины стекла, 3% р-р перекиси водорода, растительное масло, спирт, вода, секундомер, термометр, холодильник.

Ход эксперимента: При помощи шприца мы наносим вещества на пластинки стекла и наблюдаем за испарением веществ.

Спирт Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 3 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 5 часов;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 40 часов;

Меняем температуру воздуха. Помещаем стекла в холодильник.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 10 часов;

Р-р перекиси водорода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 15 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 72 часа;

Вывод: По результатам исследования видно, что при различной температуре количество времени, необходимое для испарения одних и тех же веществ различно. Для одной и той же жидкости процесс испарения протекает значительно быстрее при более высокой температуре. Это доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. При уменьшении температуры увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 2 . Исследование зависимости скорости процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Материалы: Вода, спирт, часы, медицинский шприц, пластины стекла, линейка.

Ход эксперимента: Мы измеряем площадь поверхности по формуле: S=П·D 2 :4.

С помощью шприца наносим разные жидкости на пластину, придаем форму круга и наблюдаем за жидкостью до ее полного испарения. Температура воздуха в помещении остается неизменной (+24)

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности:0, 00422м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 1 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 2 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 30 часов;

Меняем условия. Наблюдаем за испарением этих же жидкостей при другой площади поверхности.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 3 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 6 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 54 часов;

Вывод: Из результатов исследования следует, что из сосудов с различной площадью поверхности, испарение осуществляется в течении разного времени. Как видно из проведенных измерений, из сосуда с большей площадью поверхности данная жидкость испаряется быстрее, что доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. С уменьшением площади поверхности увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 3. Исследование зависимости процесса испарения от рода вещества.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от рода жидкости.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, раствор перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла.

Ход эксперимента. С помощью шприца мы наносим различные виды жидкости на пластины и наблюдаем за процессом до полного испарения. Температура воздуха остается неизменной. Температуры жидкостей одинаковы.

Результаты исследований разницы между испарением спирта, воды, 3% р-ра перекиси водорода, растительного масла мы получаем из данных предыдущих исследований.

Вывод: Для полного испарения различных жидкостей требуется разное количество времени. Из результатов видно, что процесс испарения протекает быстрее у спирта и воды, а медленнее у растительного масла, то есть служит доказательством зависимости процесса испарения от физического параметра- рода вещества.

Эксперимент 4. Исследование зависимости скорости испарения жидкости от скорости воздушных масс.

Цель: исследовать зависимость скорости процесса испарения от скорости ветра.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, р-р перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла, фен.

Ход работы. Создаем искусственное перемещение воздушных масс с помощью фена, наблюдаем за процессом, ждем до полного испарения жидкости. Фен имеет два режима: простой режим, турбо режим.

В случае простого режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался около 2 минут;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 4 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 7 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 10 минут;

В случае турбо режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 1минуты;

Вода. Объем:0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 3 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 5 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 8 минут;

Вывод: Процесс испарения зависит от скорости перемещения воздушных масс над поверхностью жидкости. Чем больше скорость, тем данный процесс протекает быстрее и наоборот.

Итак, исследования показали,что интенсивность испарения жидкости различна у разных жидкостей и увеличивается при увеличении температуры жидкости, увеличении её площади свободной поверхности,наличия ветра над её поверхностью.

Заключение.

В результате выполнения работы были изучены различные источники информации по вопросу процесса испарения и условий его протекания. Определены физические параметры, оказывающие влияние на скорость протекания процесса испарения. Была исследована зависимость протекания процесса испарения от физических параметров, проведен анализ полученных результатов. Высказанная гипотеза оказалась справедливой. Теоретические предположения были подтверждены в процессе исследований - зависимость скорости протекания процесса испарения от физических параметров заключается в следующем:

С увеличением температуры жидкости увеличивается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

С уменьшением площади свободной поверхности жидкости уменьшается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

Скорость протекания процесса испарения зависит от рода жидкости.

Таким образом, процесс испарения жидкостей зависит от таких физических параметров как температура, площадь свободной поверхности и род вещества.

Данная работа имеет практическое значение, так как в ней исследована зависимость интенсивности испарения - явления, с которым мы встречаемся в повседневной жизни, от физических параметров. Используя эти знания, можно контролировать протекание процесса.

Литература

Пинский А. А., Граковский Г.Ю.Физика:Учебник для студентов учреждений

Среднего прфессионального образования/Под общ. Ред. Ю.И.Дика, Н.С.Пурышевой.-М.:ФОРУМ:ИНФРА_М,2002.-560 с.

Милковская Л.Б.Повторим физику.Учеб.пособие для поступающих в вузы.М.,»Высшая школа»,1985.608 с.

Интернет-ресурсы: http://ru.wikipedia.org/wiki/ ;

http://class-fizika.narod.ru/8_l 3.htm ;

http://e-him.ru/?page=dynamic§ion=33&article=208 ;

Учебник по физике Г.Я. Мякишев « Термодинамика»

> Испарение

Испарение и парообразование в жидкостях: трансформация твердых тел в жидкость и газ, как происходит испарение, скорость движения молекул и кинетическая энергия.

Испарение – процесс для молекул в жидкости, которые набирают достаточное количество энергии, чтобы трансформироваться в газ.

Задача обучения

Выявить причины испарения возле поверхности жидкости.

Основные пункты

Испарение трансформирует жидкость в газ.
Испарение осуществляется при температуре ниже точки кипения, так как молекулы в жидкости обладают разной энергией.
Когда молекулы в жидкости ударяются, некоторые получают большее количество энергии и вырываются. Это понижает энергию оставшихся молекул и приводит к охлаждению в испаряющихся жидкостях.

Термин

Парообразование – трансформация твердого вещества или жидкости в газ.

Что такое и почему происходит испарение? Испарение – тип трансформации жидкости, возникающий на поверхности. Обычно молекулы в стакане воды не обладают достаточным количеством энергии, чтобы вырваться из жидкости. Но если присутствует необходимый нагрев, то жидкость стремительно переходит в парообразное состояние.

При ударе молекулы передают друг другу энергию. Иногда это происходит в одностороннем направлении и молекуле удается вырваться. Тремя условиями для испарения выступают тепло, атмосферное давление и перемещение воздуха. Чтобы молекулы жидкости испарялись, они должны находиться как можно ближе к поверхности, перемещаться в правильном направлении и обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть межмолекулярные силы. Если этим критериям отвечает небольшое количество молекул, то скорость испарения низкая.

Когда молекулы ускоряются остальные обладают более низкой средней кинетической энергией, а температура жидкости падает. Этот процесс именуют испарительным охлаждением. Поэтому испарение пота охлаждает наш организм. При более высоких скоростях испарение также ускоряется.

(а) – Из-за распределения скоростей и некоторых кинетических энергий, определенная часть молекул получает возможность вырваться из парового состояния даже при температурах ниже точки кипения. (b) – Если емкость герметизирована, то испарение продолжится, пока плотность конденсата не достигнет скорости конденсации, приравниваемой к темпу испарения. Плотность пара и созданное пропорциональное давление выступают значениями насыщения. Они вырастают с температурой и не имеют связи с другими газами (воздух). На них может влиять только давление пара воды

Процесс испарения жидкости – важная часть в водном цикле. Солнце стимулирует испарение воды из земных океанов, морей, озер, почвы и прочих источников. В гидрологии испарение и транспирация объединяются в эвапотранспирацию. Вода испаряется, когда поверхность переживает воздействие и позволяет молекулам отрываться, создавая водяной пар. Он способен подняться и сформировать облака.

При любой температуре с поверхности жидкости вылетает часть молекул, образуя над ней пар. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением. Его скорость зависит от рода жидкости, величины ее свободной поверхности, температуры, внешнего давления и наличия над жидкостью потока воздуха, уносящего пар.

Уход молекул с поверхности жидкости при испарении связан с затратой внутренней энергии на работу выхода А в, которую молекуле необходимо совершить для преодоления сил молекулярного притяжения и сил внешнего давления. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул. Молекула покинет жидкость только в том случае, если ее кинетическая энергия будет равна или больше работы выхода: (m - масса молекулы, v - составляющая скорости молекулы, направленная перпендикулярно к поверхности жидкости). При парообразовании жидкость охлаждается, так как вылетевшие молекулы уносят часть ее внутренней энергии.

Чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Скалярная величина, измеряемая количеством энергии, необходимой для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования.

Для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре ей сообщается количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. При парообразовании происходит увеличение объема вещества. Так, пары воды при, 100° С занимают объем почти в 1700 раз больше объема той же массы воды при 100° С. Поэтому вещество, испаряясь, часть удельной теплоты парообразования затрачивает на совершение работы против силы внешнего давления, а часть - на увеличение его внутренней потенциальной энергии. Поэтому при одинаковой температуре внутренняя энергия единицы массы вещества в газообразном состоянии больше, чем в жидком. Так, 1 кг водяного пара при 100° С имеет на 2*10 6 дж внутренней энергии больше, чем 1 кг воды при той же температуре.

Опыты показали, что удельная теплота парообразования вещества зависит от его температуры. Чем выше температура вещества, тем меньше его удельная теплота парообразования. Например, при 0°С удельная теплота парообразование воды 2499 кдж / кг , при 50° С - 2385 кдж / кг, при 100° С - 2257 кдж / кг, при 200°С - 1943 кдж / кг. Уменьшение теплоты парообразования объясняется тем, что чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия его молекул и тем меньше энергии надо дополнительно сообщить жидкости, чтобы ее молекулы вылетели в окружающую среду.

Наименование удельной теплоты парообразования r кг / дж. Для превращения m кг массы жидкости в пар надо определенное количество энергии, в частности количество теплоты Q = rm.

Допустим, что жидкость испаряется в закрытом сосуде. Часть молекул пара вследствие теплового движения, приблизившись к поверхности жидкости, возвращается в нее. В закрытом сосуде одновременно происходит и процесс испарения и процесс конденсации Если число молекул, вылетевших из жидкости, больше числа молекул, возвратившихся в нее, то пар над жидкостью называется ненасыщенным. Опыты с ненасыщенными парами показали, что они подчиняются газовым законам.

В процессе испарения и конденсации наступает такой момент, начиная с которого число молекул, вылетевших из жидкости в единицу времени, окажется равным числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость, то есть наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическим равновесием со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Он может быть насыщенным не только в закрытом сосуде, но и в атмосфере. Так, при тумане пары воды в воздухе насыщены.

Откроем кран А (рис. 35) и впустим в колбу несколько капель эфира, который испаряется, образуя ненасыщенный пар. Чем больше эфира мы впускаем в колбу, тем больше становится давление его ненасыщенного пара. Эфир впускаем до тех пор, пока на дне колбы окажется немного жидкого эфира. Появление последнего указывает на то, что пары эфира стали насыщенными. С этого момента манометр перестает показывать увеличение давления - оно стало постоянным, несмотря на последующее добавление эфира. Следовательно, давление и плотность паров при данной температуре наибольшее, когда пар насыщен.

Если в колбу помещать поочередно различные жидкости и измерять давление их насыщенных паров, то оказывается, что при одной и той же температуре давление насыщенных паров разных жидкостей различно. Наибольшим давлением обладают пары эфира, меньшим - пары спирта и еще меньшим - пары воды.

При температуре 20° С давление насыщенных паров этих жидкостей равно (в мм рт. ст.):

Выясним, зависит ли давление насыщенного пара при постоянной температуре от его объема. Под поршнем в цилиндре, соединенном с манометром, находится жидкость и ее насыщенный пар (рис. 36). Изменяя его объем перемещением поршня вверх, а затем вниз, по показанию манометра видим, что при постоянной температуре давление насыщенного пара от объема не зависит, и оно при данной температуре для данной жидкости есть величина постоянная. Это означает, что насыщенные пары закону Бойля-Мариотта не подчиняются. Так, манометр парового котла при данной температуре показывает всегда одно и то же давление, независимо от того, какой объем занимает в нем насыщенный пар.

Объясняется это тем, что при изменении объема насыщенного пара происходит изменение его массы. Причувеличении объема масса пара увеличивается (происходит дополнительное испарение жидкости), при уменьшении объема масса пара уменьшается (часть его конденсируется).

Выясним, зависит ли при постоянном объеме давление насыщенного пара от его температуры. Нагреем насыщенный пар в колбе (см. рис. 35), поместив ее в горячую воду. Видим, с повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается. Например, давление насыщенного пара воды при 50° С равно 92,5 мм рт. ст. , а при 100° С - 760 мм рт. ст.

Опыты и расчеты по изменению давления насыщенного пара от нагревания показывают, что давление увеличивается во много раз больше, чем следовало бы по закону Шарля, т. е. зависимость давления от температуры не подчиняется данному закону. Объясняется это тем, что давление насыщенного пара при нагревании возрастает, во-первых, вследствие увеличения средней кинетической энергии молекул этого пара и, во-вторых, из-за увеличения концентрации молекул пара, т. е. увеличения общей массы молекул.

Пока пар остается насыщенным, изменение его температуры или объема всегда сопровождается изменением массы пара, т.е. парообразованием, или конденсацией.

Свойство насыщенных паров воды увеличивать свое давление с повышением температуры применяется в паровых котлах для получения пара, имеющего большое давление, например 100 ат, при температуре кипения воды 310° С. Для использования пара в паровых машинах его отводят из котла, нагревают, превращают в ненасыщенный. Такой пар называется перегретым, он обладает большим запасом внутренней энергии. Если пар не перегрет, то он содержит капельки жидкости.

Получив в пробирке пары эфира, начнем охлаждать их, поместив ее в смесь льда и соли. На стенках пробирки появляется налет жидкого эфира, так как при охлаждении его пары превратились в жидкость. Существует два способа обращения пара в жидкость: увеличение давления на пар, сжатие его (см. рис.36) и понижение температуры пара, охлаждение его. Опыты показывают, что и газы можно превратить в жидкость (сжижение газов). Для этого их надо одновременно и сжимать и охлаждать, пока они не превратятся в жидкость.

Нам всем с детства хорошо известен один серьёзный жизненный факт. Для того чтобы остудить горячий чай, необходимо налить его в холодное блюдце и продолжительно дуть над его поверхностью. Когда тебе шесть-семь лет, особо не задумываешься над законами физики, просто принимаешь их как данное или, выражаясь физически, принимаешь их за аксиому. Однако, постигая со временем науки, мы обнаруживаем интересные сходства аксиом и последовательных доказательств, плавно переводя наши детские предположения во взрослые теоремы. То же самое и с горячим чаем. Никто из нас и подумать не мог, что такой способ его охлаждения напрямую связан с испарением жидкости.

Физика процесса

Для того чтобы ответить на вопрос, от чего зависит скорость испарения жидкости, надо разобраться в самой физике процесса. Испарение - это процесс фазового перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Испаряться может любое в том числе очень вязкое. С виду и не скажешь, что некая желеобразная жижа может терять часть своей массы за счет испарения, но при определённых условиях именно это и происходит. Твердое тело также может испаряться, только такой процесс называется сублимацией.

Как происходит

Начав разбираться, от чего зависит скорость испарения жидкости, следует отталкиваться от того, что это эндотермический процесс, то есть процесс, проходящий с поглощением теплоты. Теплота (теплота испарения) передаёт энергию молекулам вещества, увеличивая их скорость и повышая вероятность их отрыва, ослабляя при этом силы молекулярного сцепления. Отрываясь от основной массы вещества, самые быстрые молекулы вырываются за его границы, и вещество теряет свою массу. При этом вылетевшие молекулы жидкости мгновенно вскипают, осуществляя при отрыве процесс фазового перехода, и их выход идёт уже в газообразном состоянии.

Применение

Понимая, от каких причин зависит скорость испарения жидкости, можно грамотно регулировать технологические процессы, происходящие на их основе. Например, работу кондиционера, в теплообменнике-испарителе которого кипит хладагент, забирая теплоту из охлаждаемого помещения, или вскипание воды в трубах промышленного котла, теплота которой передается на нужды отопления и ГВС. Осознание того, от каких условий зависит скорость испарения жидкости, предоставляет возможность конструировать и производить современное и технологичное оборудование компактных размеров и с повышенным коэффициентом теплопередачи.

Температура

Жидкое агрегатное состояние крайне неустойчиво. При наших земных н. у. (понятие "нормальных условий", т.е. пригодных для жизни людей) оно периодически стремится перейти в твердую или газообразную фазу. Как это происходит? От чего зависит скорость испарения жидкости?

Первичный критерий - это, естественно, температура. Чем сильнее мы нагреваем жидкость, тем больше энергии мы подводим к молекулам вещества, тем больше молекулярных связей мы разрываем, тем быстрее идёт процесс фазового перехода. Апофеоз достигается при устойчивом пузырьковом кипении. Вода кипит при 100 ºС при атмосферном давлении. Поверхность кастрюли или, например, чайника, где она кипит, только на первый взгляд идеально гладкая. При многократном увеличении картинки мы увидим бесконечные острые пики, как в горах. Теплота точечно подводится к каждому из этих пиков, и из-за малой поверхности теплообмена вода моментально вскипает, образуя пузырёк воздуха, который поднимается к поверхности, где и схлопывается. Именно поэтому такое кипение называют пузырьковым. Скорость при этом максимальная.

Давление

Второй важный параметр, от чего зависит скорость испарения жидкости, - это давление. При снижении давления ниже атмосферного вода начинает закипать при меньших температурах. На этом принципе основана работа знаменитых скороварок - специальных кастрюль, откуда откачивался воздух, и вода кипела уже при 70-80 ºС. Повышение давления, наоборот, увеличивает температуру закипания. Это полезное свойство используется при подаче перегретой воды от ТЭЦ в ЦТП и ИТП, где для сохранения потенциала переносимой теплоты воду подогревают до температур 150-180 градусов, когда надо исключить возможность её вскипания в трубах.

Другие факторы

Интенсивный обдув поверхности жидкости с температурой выше, чем температура подаваемой воздушной струи, - это ещё один фактор, от чего зависит скорость испарения жидкости. Примеры этого можно взять из повседневной жизни. Обдув ветром глади озера или тот пример, с которого мы начали повествование: обдув горячего чая, налитого в блюдце. Он остывает за счет того, что, отрываясь от основной массы вещества, молекулы забирают часть энергии с собой, охлаждая его. Здесь можно увидеть еще и влияние площади поверхности. Блюдце шире, чем кружка, поэтому с её квадратуры потенциально может уйти большее количество массы воды.

На скорость испарения также влияет тип самой жидкости: какие-то жидкости испаряются быстрее, другие, наоборот, медленнее. Важное влияние на процесс испарения оказывает и состояние окружающего воздуха. При высоком абсолютном влагосодержании (сильно влажном воздухе, например, рядом с морем) процесс испарения пойдёт медленнее.

Испаре́ние - физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) с поверхности жидкости. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое) .

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойств самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленее, чем из широкой тарелки.

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости) . При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает) . Например, горячий чай: мы дуем на поверхность жидкости, чтобы остудить его, при этом, мы ускоряем процесс испарения.

Абсолютная влажность
Абсолютная влажность - количество влаги (в кг) содержащийся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в гр/м3. Но связи с тем, что при определенной температуре воздуха в воздухе может максимально содержаться только определенное количество влаги (с увеличение температуры это максимально возможное количесвто влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается) ввели понятие Относительной влажности

Относи́тельная вла́жность
- отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Эквивалентное определение - отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной. Измеряется в процентах.

Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры (см. график) . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы) , когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов) .