Испарения во всех областях жизнедеятельности человека

«Если надо помочь науке, то следует вскрывать трудности и даже искать те, которые тайно ей мешают. »

И. Кант

В современном мире тепловые явления встречаются ежедневно практически во всех областях жизнедеятельности человека, поэтому каждому из нас необходимо изучить их с точки зрения физики и ее законов.

В данной работе большое внимание хотелось бы уделить процессу испарения.

В естественных условиях испарение является единственной формой передачи влаги с океанов и суши в атмосферу и основной составляющей круговорота воды на земном шаре.

Большинство людей не знают, что за год с поверхности Земли испаряется в среднем 518600 км3 воды. Этого количества воды достаточно чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем осадков большим, чем 1м, столько же выпадает осадков в течение года.

Кроме этого, процесс испарения очень распространен и играет огромную роль в животном и растительном мире.

Многие растения испаряют в среднем за сезон 200 - 300 л воды, и этот факт должен знать каждый из нас.

Как известно при наступлении засухи у многих растений скручиваются листья. В чем причина? При уменьшении воды в почве, уменьшается поступление влаги через корни, чтобы уменьшить испарение, растение как бы свертывает листья, уменьшая площадь поверхности испарения. По этой же причине у многих растений пустыни нет листьев, а лишь колючки и шипы. Так они сохраняют живительную влагу. Данный пример показывает, как можно уменьшить скорость испарения, если же нужно ее увеличить, то необходимо площадь поверхности сделать как можно больше. Так мы и поступаем, переливая горячий чай из кружки в блюдце, разрезая на части яблоки, картофель и другие овощи, и фрукты, предназначенные для сушки.

Еще одним фактором, влияющим на процесс испарения, является движение воздуха над поверхностью или просто ветер. Так, желая быстрее остудить чай, мы создаем искусственный ветер – дуем на поверхность жидкости. По этой же причине скошенная трава на лугу высыхает гораздо быстрее, чем в лесу.

Кроме этого на испарение в последнем случае влияет и солнечное тепло (температура), поэтому на поляне, где солнечные лучи воздействуют сильнее (температура выше), процесс испарения протекает быстрее, чем в лесу.

Вспомним еще одно интересное явления – усиление запаха цветов после дождя. Чтобы его объяснить, напомним, что запах вызывают пахучие эфирные масла, безводные эфирные масла испаряются менее интенсивно, чем те которые содержат смесь с водой, поэтому сильное испарение получившейся смеси усиливает запах цветов. Данный пример указывает на то, что различные вещества испаряются с различной скоростью.

Также процесс испарения играет огромную роль в жизнедеятельности человека.

Испарение применяется в технике, как средство очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой. Например, концентрирование томатного сока требует удаления части водной фазы, сохраняя первоначальные твердые компоненты для получения более концентрированного раствора. Обычно для производства томатного концентрата используются одно или многоступенчатые испарительные установки. В процессе испарения измерение концентрации конечного продукта очень важно для контроля качества продукции.

Испарение лежит в основе пароэнергетики, работы холодильных и др. установок, а также всех процессов сушки материалов.

Эти и многие другие теоретические факты заставляют задуматься над значимостью данного процесса.

Поэтому целью работы считаю – экспериментальное доказательство зависимости испарения от физических параметров.

Реализация цели осуществляется через поставленные задачи:

1. Теоретически изучить различные источники информации по вопросу: процесс испарения и условия его протекания

2. Провести исследования зависимости испарения от физических параметров; площади поверхности, температуры, скорости воздушных потоков, рода вещества.

3. Обработать результаты исследования, сделать выводы.

4. Создать пособие по лабораторному практикуму

Гипотеза исследования:

Если существуют теоретические утверждения зависимости испарения от физических параметров, то проведенные исследования должны это подтвердить или опровергнуть.

Методы исследования:

Теоретические:

1. Сравнение и сопоставление теоретических данных с результатами эксперимента.

2. Обобщение и анализ различных информационных источников и результатов исследования по данному вопросу.

4. Систематизация - приведение в систему полученных теоретических и практических знаний.

Эмпирические:

1. Наблюдение за процессом испарения в ходе эксперимента.

2. Исследование – выявление зависимости процесса испарения от физических параметров: площади поверхности, температуры, скорости воздушных потоков, рода вещества, массы.

Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества-состояния одного и того же вещества, отличающиеся характером теплового движения частиц (атомов или молекул). Обычно различают три агрегатных состояния вещества: газообразное, жидкое и твёрдое.

Газообразное: Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объём.

Жидкое: Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объём.

Твёрдое: Твёрдое тело имеет собственную форму и объём.

Развитие представлений о строении вещества

Ещё в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые учёные высказывали предположение о строении вещества. Греческий учёный Демокрит (460-370 до н. э. ) считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта идея превратилась только в 18в. и получила дальнейшее развитие в 19в. Возникновение представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие явления, но и предсказать, как они будут протекать в тех или иных условиях. Кроме этого, появилась возможность влиять на процесс прохождение явлений.

В 19в. учёные доказали, что вещество состоит из мельчайших частиц, именно потому, в нём имеются пустые пространства, благодаря которым тела могут изменять свой объём - увеличивать его или уменьшать, сжиматься при охлаждении и расширяться при нагревании.

Молекулы

Частицы, из которых состоят вещества, называют молекулами (в переводе с греческого «молекула» означает маленькая масса).

Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Современные приборы – электронные микроскопы – позволили увидеть и сфотографировать наиболее крупные молекулы.

Приведем несколько штрихов к обобщенному «портрету» молекул:

1. Молекула – наименьшая частица вещества.

2. Молекулы одного и того же вещества одинаковы.

3. Размеры молекул очень малы.

4. Между молекулами есть промежутки.

5. Молекулы постоянно находятся в движении.

Атомы

Можно ли разделить молекулу? Оказывается можно; хотя молекулы очень маленькие частицы вещества, но и они делимы.

Частицы, на которые делится молекула, называются атомами (в переводе с греческого «атом» означает неделимый). Позже ученые доказали, что и атом делится. Но он настолько мал, что ни в один микроскоп увидеть его не удается.

Работы М. В. Ломоносова

Существенный вклад в развитие молекулярно – кинетических представлений сделал в середине 18 века великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов. Он объяснил основные свойства газа, предположив, что все молекулы газа движутся беспорядочно, хаотично и при столкновениях отталкиваются друг от друга. Беспорядочным движением молекул М. В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты. Так как скорости теплового движения молекул могут быть сколько угодно велики, температура вещества по его представлениям не имеет ограничения сверху. При уменьшении скорости молекул до нуля, должно быть возможное минимальное значение температуры вещества. Объяснение природы теплоты движением молекул и вывод о существовании абсолютного нуля температуры, сделанный М. В. Ломоносовым, получили теоретическое и экспериментальное подтверждение в конце 19 века.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Молекулярно-кинетической теорией называется учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества.

Способность газов неограниченно расширяться, упругость газов, жидкостей и твёрдых тел, способность к взаимному проникновению тел путём диффузии можно объяснить, если принять следующие положения молекулярно-кинетической теории строения вещества:

1. Вещество состоит из частиц-атомов и молекул.

2. Частицы хаотически движутся.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

Движение атомов и молекул, их взаимодействие подчиняются законам механики.

Это позволяет использовать законы механики для выяснения свойств тел, состоящих из большого числа хаотически движущихся молекул.

Взаимодействие атомов и молекул

При сближении двух атомов или молекул сначала преобладают силы притяжения. Но на некотором расстоянии r0 между их центрами силы отталкивания возрастают настолько, что становятся равными по модулю силам притяжения. Силы притяжения между атомами и молекулами препятствуют растяжению твёрдого тела, силы отталкивания препятствуют его сжатию.

Действия сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

Тепловое движение молекул

Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положений.

В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства.

Температура

Температура - физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Теплота не всегда изменяет температуру тела, но всегда изменение температуры тела есть изменение энергии движения его молекул. Это указывает на то, что температура является свойством тела, зависящим от молекулярной энергии. Отсюда делаем вывод, что температура есть мера средней кинетической энергии молекул тела. Более простое определение: температура есть степень нагретости тела. Температура всех частей системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, одинакова. Температуру измеряют термометрами в градусах различных температурных шкал. В Международной системе единиц (СИ) выражается в Кельвинах (К).

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия – энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов и т. д. ) и энергия взаимодействия этих частиц.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов. Внутренняя энергия не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

Изменить внутреннюю энергию можно двумя основными способами:

• Путем совершения работы

• Путем теплообмена

Испарение

Существует шесть процессов перехода вещества из оного состояния в другое, одним из которых является парообразование, которое происходит в результате кипения и испарения.

Испарение, переход вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное - пар. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности.

Испарение твёрдых тел называется возгонкой или сублимацией. Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры, т. е. интенсивности теплового движения молекул, скорость испарения увеличивается. В замкнутом пространстве (закрытом сосуде) испарение происходит при заданной постоянной температуре до тех пор, пока пространство над оставшимся избытком жидкости (или твёрдого тела) не будет заполнено насыщенным паром. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и повышается с ее возрастанием. Кривая, изображающая давление насыщенного пара в зависимости от температуры, называется равновесной кривой испарения

Если давление насыщенного пара, заполняющего микрополости в жидкости, становится равным или несколько большим давления в газовой фазе над поверхностью жидкости, то испарение переходит в кипение. Наиболее высокой температурой кипения является критическая температура данного вещества. Критическая температура и давление определяют критическую точку - конечную точку на равновесной кривой испарения. Выше этой точки сосуществование в равновесии двух фаз - жидкости и пара - невозможно.

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внешнего давления уже образовавшегося пара совершается за счёт кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Поэтому, чтобы данный процесс был изотермическим, т. е. протекал при постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы вещества определённое количество теплоты l (дж/кг или дж/моль), называемое теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с ростом температуры, особенно быстро вблизи критической точки, обращаясь в этой точке в нуль. Теплота испарения связана с производной давления насыщенного пара по температуре Клапейрона - Клаузиуса уравнением, на основе которого определяются численные значения l для жидкостей.

Скорость испарения резко снижается при нанесении на поверхность жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего вещества. Испарение жидкости в газовой среде, например в воздухе, происходит медленнее, чем в разреженном пространстве (вакууме), так как вследствие соударений с молекулами газа часть частиц пара вновь возвращается в жидкость (конденсируется).

Испарение относится к фазовым переходам 1-го рода, которые характеризуются отличной от нуля теплотой фазового перехода. При процессе, обратном испарению, т. е. при образовании из пара жидкой фазы (конденсации), происходит выделение теплоты испарения.