Випаровування

Конденсація водяної пари в повітрі над чашкою гарячої води

Файл:10. Ладење при испарување.ogv Випаро́вування — процес переходу рідини в газоподібний стан, відбувається при будь-якій температурі (на відміну від кипіння, що відбувається при певній температурі).

Загальний опис

Рідина, залишена в блюдці, повністю випарується, тому що в будь-який час у ній є молекули, досить швидкі (з достатньою кінетичною енергією), щоб перебороти міжмолекулярні сили притягання на поверхні рідини і покинути її. Температура рідини, що випаровується, повинна знижуватися, тому що молекули, що її покидають, забирають кінетичну енергію. Швидкість випаровування зростає зі зростанням температури.

Випаровування супроводжується оберненим процесом — конденсацією пари. Якщо пара над поверхнею рідини насичена, то між процесами встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість молекул, що покидає рідину в одинцю часу дорівнює кількості молекул, що повертаються в неї. Якщо пара над рідиною ненасичена, то випаровування продовжуватиметься доти, доки пара не стане насиченою, або до повного висихання рідини.

Випаровування супроводжується зниженням температури, оскільки з рідини вилітають молекули з енергією, яка перевищує середню. Кількісно калориметрія випаровування характеризується питомою теплотою випаровування.

Зростанню швидкості випаровування сприяє вітер. Він забирає молекули пари з-понад поверхні рідини, заважаючи встановленню динамічної рівноваги. Для швидкого випаровування рідини, і пов'язаного з ним висушування, використовують потоки теплого повітря. Прикладом може бути побутовий фен.

Швидкість випаровування визначається поверхневою щільністю потоку пари, проникаючої за одиницю часу в газову фазу з одиниці поверхні рідини. Найбільше значення поверхневої щільності потоку пари досягається у вакуумі. При наявності над рідиною відносно щільного газового середовища випаровування сповільнюється.

Випаровування відбувається не лише з поверхні рідини, але і з поверхні усіх твердих тіл. Цей процес називають узгін або сублімація. При сублімації, як і при випаровуванні, речовина охолоджується.

Математичний опис

Найпростіша модель випаровування була створена Дальтоном. Згідно його рівнянню, кількість речовини, що випаровується з одиничної площини за одиницю часу дорівнюєШаблон:Sfn:

$\omega ={\beta }_c(C_s-C_0)={\beta }_p(P_s-P_0)$,

де $\omega$ — молярна швидкість випаровування (моль/м²·с), $C_s$ і $C_0$ — концентрації пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, $P_s$ і $P_0$ — парціальний тиск пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, ${\beta }_c$ і ${\beta }_p$ — коефіцієнти пропорційності. Якщо рідина тільки почала випаровуватись, або ж сухе повітря постійно надходить, то $C_0=P_0=0$, і швидкість випаровування максимальна. Коефіцієнти $\beta$ в свою чергу можуть бути виражені якШаблон:Sfn:

${\beta }_c=\frac{Nu{D}_c}{x},{\beta }_p=\frac{Nu{D}_p}{x}$,

де $Nu$ — число Нуссельта, $D_p$ і $D_c$ — коефіцієнт дифузії віднесений до градієнта тиску і концентрації відповідно, $x$ — характерний розмір (наприклад, діаметр крапель).

Тиск $P_s$ у найпростішій моделі дорівнює тиску насиченої пари за температури рідини. Його залежність від температури можна наближено описати експоненційним закономШаблон:Sfn:

$P_s=A{e}^{-\frac{B}{t}}$.

Така залежність порушується для високих температур (наближених до температури кипіння)Шаблон:Sfn.

Більш точно швидкість випаровування може бути визначення за рівнянням Герца—КнудсенаШаблон:Sfn:

$\omega ={\alpha }_{\nu }\sqrt{2\pi MkT}(P_S-P_0)$,

де M — молекулярна маса, а $\alpha$ — коефіцієнт, що менший або дорівнює одиниці, який пов'язаний з ймовірністю молекули відбитися від поверхні рідини, коли вона падає на неї з повітря. Цей коефіцієнт сильно залежить від забруднення на поверхні рідини, і може мати порядок величини 10⁻⁴, якщо забруднення значнеШаблон:Sfn.

Рівняння було записане Герцем після досліджень, проведених у 1880-ті, і уточнене Шаблон:Не перекладено у 1915. У 1913 році Ірвінг Ленгмюр показав, що це ж рівняння описує і випаровування з поверхні твердих тіл (сублімацію)Шаблон:Sfn.

Історія

Явище випаровування відоме з давніх часів. Ще Гесіод писав про те, що дощ утворюється з води, яка випаровується з річокШаблон:Sfn. Пізніші автори правильно інтерпретували хмари як результат випаровування води з морів і вказували на Сонце як причину випаровування, а також звертали увагу, що вітер пришвидшує швидкість випаровуванняШаблон:Sfn. Геракліт і Діоген Лаертський розрізняли виокремлювали випаровування з поверхні води і поверхні вологих тілШаблон:Sfn. Античні філософи часто пояснюючи фізичні процеси вдавалися до спіритуалістичних концепцій, наприклад, писали, що через випаровування утворюється душа усього світу. Також, було відомо, що при випаровуванні розчинена сіль лишаєтьсяШаблон:Sfn.

Найбільш впливовим античним філософом вважається Арістотель. У своїй праці "Метеорологія" (Шаблон:Lang-el) він розвинув теорію двох випаровувань Геракліта, і стверджував, що випаровування з поверхні моря і поверхні землі є принципово різними: перші є причиною дощу, а другі — причиною вітру. Такий дивний висновок пояснювався тим, що Арістотель не вважав, що вітер — це просто рух повітря. Він писав, що, як не називають річкою будь-яку воду, що рухається, так і вітром не є простий рух повітря. І у річки і у вітру має бути витік, і у випадку вітру таким витоком він вважав "дим", що утворюється при висиханні земліШаблон:Sfn.

З іншого боку, Теофраст, послідовник Арістотеля, більш правильно оцінював зв'язок вітру, Сонця і випаровування. Так, він правильно припускав, що вітер пришвидшує випаровування, оскільки він прибирає пару, що вже утворилася, від води. Також він не підтримував погляди Арістотеля на особливе значення випаровування з землі, і писав, що "рух повітря — це вітер"Шаблон:Sfn.

Римські автори, такі як Пліній і Лукрецій теж писали про природу випаровування і його зв'язок з погодою, проте в основному лише розробляли теорії грецьких філософівШаблон:Sfn. Окрім пояснення погоди, грецькі і римські вчені зверталися до випаровування щоб пояснити ще одну проблему — чому моря не переповнюються, хоча ріки безперервно вливають в них водуШаблон:Sfn.

Підтримувана авторитетом Арістотеля, теорія подвійного випаровування домінувала у європейській науці аж до початку РенесансуШаблон:Sfn. Одним з перших вчених, хто спробував її відкинути був Рене Декарт. У своїй праці "Метеори" (1637) він писав, що сонячне світло підіймає частинки води подібно до того як пил підіймається під час ходьби. При цьому, випаровування з поверхні вологих тіл він розглядав таким же чином, оскільки вважав, що тверді тіла стають вологими коли частинки води проникають між більшими частинками твердого тіла. Декарт також заперечував особливу природу вітру, і вважав ним звичайний рух повітря. Причину, з якої рідини випаровуються а тверді тіла — ні, він вбачав у більш гладенькій поверхні частинок води, через що їх легко відокремити одна від одної, тоді як частинки твердих тіл сильніше чіпляються одна за однуШаблон:Sfn.

Перше експериментальне дослідженням випаровування було зроблене Шаблон:Не перекладено. Холодної зими 1669-1670 року він виставив надвір 7 фунтів холодної води. Через 18 днів він зафіксував, що один фунт випарувався. Це не було першим спостереженням щодо того, що випаровування може відбуватися і на холоді, але було першим експериментальним вимірюванням інтенсивності цього процесу. Також Перро досліджував випаровування інших рідин крім води, наприклад, оліїШаблон:Sfn. Іншим фізиком, що досліджував випаровування був Едмонд Галлей. Він заміряв швидкість, з якою вода випаровується з тонких трубочок. Його результати (0,1 дюйма за 12 годин) дозволили йому стверджувати, що саме ця вода утворює дощі, росу тощоШаблон:Sfn. Гіпотези Галлея щодо механізму випаровування відрізнялися від гіпотез Декарта. Так, він писав, що якщо атоми води збільшаться у діаметрі у 10 разів, їх густина стане меншою, ніж густина повітря, і вони почнуть "спливати". Також ,він порівнював процеси випаровування води у повітря з процесом розчинення солі у водіШаблон:Sfn. Галлей писав, що спільна дія Сонця і вітру є причиною випаровування.

Підходи Галлея і Декарта породили два популярних підхода до пояснення випаровування. Згідно одного, вода "розчинялася" у повітрі (що означало, що за відсутності повітря випаровування не буде відбуватися), а згідно іншого, частинки води просто відриваються від основної масиШаблон:Sfn.

Французький математик Шаблон:Не перекладено, багато зробив для експериментального дослідження випаровування, оскільки йому були необхідні ці дані для вирішення інженерної задачі — обчислення, як швидко буде випаровуватися вода з фонтанів Версалю. Він ставив експерименти протягом 3 років, з 1688 по 1690-й рік. За його вимірами, за рік у тій місцевості випаровувалося близько 88 сантиметрів води, і лише близько двох третин з цієї кількості поверталося у вигляді опадів. Також він зазначив, що вода випаровувалася з широкої ємності швидше, ніж з вузької (Седілю використовував кілька мідних ємностей для досліду)Шаблон:Sfn.

У 1744 році Дезаґульє припустив, що випаровування має електростатичну природу (частинки рідини відштовхуються від основної маси, бо мають однаковий заряд), проте експерименти не продемонстрували сильного впливу електрики Шаблон:Sfn.

У другій половині 18 століття було показано, що випаровування у вакуумі відбувається повільніше ніж у повітрі, а також, що вологість повітря зменшує інтенсивність випаровування, що підвищило популярність теорії розчиненняШаблон:Sfn.

У 1757 році Франклін описав охолоджуючий ефект випаровування (він зазначив, що змочений спиртом термометр показував температуру, на 6 градусів нижчу ніж сухий)Шаблон:Sfn.

У 1802 році Джон Дальтон першим записав рівняння, що дозволяло обчислити кількість води, що випаровується з поверхні за деякий часШаблон:Sfn.

У 1862 році Шаблон:Не перекладено сконструював прилад "евапораметр" (Шаблон:Lang-el) для вимірювання швидкості випаровування, і показав, що вона є пропорційною до швидкості вітру над водоюШаблон:Sfn. Пізніше Шаблон:Не перекладено скоректував рівняння Дальтона, врахувавши той факт, що температура води є нижчою за температуру оточуючого повітря через те, що випаровування охолоджує їїШаблон:Sfn.

Ще більш точні рівняння були записані після серії високопрецизійних експериментів Стефана (1873), Герца (1882) і Кнудсена (1915), та завдяки відкриттю закону Стефана — БольцманаШаблон:Sfn.

Сумарне випаровування

Сумарне випаровування — випаровування з земної поверхні, включає транспірацію рослин. Останнім часом для сумарного випаровування почали вживати термін «евапотранспірація». Евапотранспірація виражається в мм водяного стовпа і корелює з біопродуктивністю екосистем. Евапотранспірація потенційна — кількість води, яке могло б виділитися шляхом евапотранспірації при певному режимі температури і вологості при надрясній кількості води. Евапотранспірація фактична — маса води, яка в даному місці повертається рослинами в атмосферу. Розглядається як величина, протилежна кількості опадів (як правило, нижче потенційної евапотранспірації). Евапотранспірація фактична в будь-якій точці Земної кулі визначається температурою.

Розрізняють ще одну характеристику випаровування — випарність. Під випарністю розуміють потенційно можливе (не обмежене запасами води) випаровування в даній місцевості при існуючих атмосферних умовах.

Швидкість випаровування води

Випаровування води з 1 м² (в кг/год) залежно від температури води та стану довкілля

Температура води Спокійне повітря Середній рух повітря Сильний відбір повітря 15 0,425 0,546 0,670 30 1,056 1,365 1,664 50 3,081 3,955 4,853 75 9,666 12,405 15,597 100 25,463 32,077 40,105

Випаровуваність (випаровність), (Шаблон:Lang-ru; Шаблон:Lang-en; Шаблон:Lang-de) — потенційно можливе випаровування з поверхні рідини за даних умов.

Див. також

• Пароутворення
• Сублімація
• Випромінювання Гокінга
• Випаровування через мембрану

Джерела

• Чолпан П. П. Фізика. К.: Вища школа, 2003. — 567 с.
• Мельничук С. П. Будівельна фізика. Конспект лекцій для студентів спеціальності 5.130406 «Зелене будівництво і садово-паркове господарство».- Львів: Львівський державний екологічний політехнікум, 2003. — 144 с.
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

Посилання

• Випаровування Шаблон:Webarchive //Фармацевтична енциклопедія
• Шаблон:Ref-en Global Potential Evapo-Transpiration (Global-PET) and Aridity Index (Global-Aridity) — растрові геодані потенційної випаровуваності та дефіциту атмосферних опадів (індекс аридізації) від Консорціуму геопросторових даних (Шаблон:Lang-en). Роздільна здатність 30 кутових секунд (≈1 км на екваторі).