Odparowanie
Parowanie nad kubkiem herbaty
Odparowanie- proces przejścia substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy, zachodzący na powierzchni substancji (pary). Proces parowania jest odwrotnością procesu kondensacji (przejścia ze stanu pary w stan ciekły). Parowanie (parowanie), przejście substancji z fazy skondensowanej (stałej lub ciekłej) do fazy gazowej (pary); przejście fazowe pierwszego rzędu.
W wyższej fizyce istnieje bardziej rozwinięta koncepcja parowania.
Odparowanie- jest to proces, w którym cząsteczki (cząsteczki, atomy) wylatują (odrywają się) z powierzchni cieczy lub ciała stałego, przy czym E k > E p.
ogólna charakterystyka
Parowanie ciała stałego nazywa się sublimacją, a tworzenie się pary w objętości cieczy nazywa się wrzeniem. Zazwyczaj przez parowanie rozumie się powstawanie pary na swobodnej powierzchni cieczy w wyniku termicznego ruchu jej cząsteczek w temperaturze poniżej temperatury wrzenia odpowiadającej ciśnieniu ośrodka gazowego znajdującego się nad określoną powierzchnią. W tym przypadku cząsteczki o odpowiednio dużej energii kinetycznej uciekają z powierzchniowej warstwy cieczy do środowiska gazowego; część z nich jest odbijana i wychwytywana przez ciecz, a reszta jest przez nią bezpowrotnie tracona.
Parowanie jest procesem endotermicznym, w którym pochłaniane jest ciepło przemiany fazowej – ciepło parowania zużywane na pokonanie sił spójności molekularnej w fazie ciekłej oraz na pracę rozprężania podczas przekształcania cieczy w parę. Ciepło właściwe parowania odnosi się do 1 mola cieczy (molowe ciepło parowania, J/mol) lub na jednostkę jej masy (masowe ciepło parowania, J/kg). Szybkość parowania określa się na podstawie gęstości powierzchniowej strumienia pary jп przenikającej w jednostce czasu do fazy gazowej z jednostkowej powierzchni cieczy [w mol/(s.m2) lub kg/(s.m2)]. Największą wartość jp osiąga się w próżni. Jeżeli nad cieczą znajduje się stosunkowo gęsty ośrodek gazowy, parowanie ulega spowolnieniu ze względu na to, że szybkość usuwania cząsteczek pary z powierzchni cieczy do ośrodka gazowego staje się mała w porównaniu z szybkością ich emisji z cieczy. W tym przypadku na granicy faz tworzy się warstwa mieszaniny para-gaz, prawie nasycona parą. Ciśnienie cząstkowe i stężenie pary w tej warstwie są wyższe niż w większości mieszaniny para-gaz.
Proces parowania zależy od intensywności ruchu termicznego cząsteczek: im szybciej cząsteczki się poruszają, tym szybciej następuje parowanie. Ponadto ważnymi czynnikami wpływającymi na proces parowania jest szybkość zewnętrznej (w stosunku do substancji) dyfuzji, a także właściwości samej substancji. Mówiąc najprościej, gdy jest wiatr, parowanie zachodzi znacznie szybciej. Jeśli chodzi o właściwości substancji, na przykład alkohol odparowuje znacznie szybciej niż woda. Istotnym czynnikiem jest także powierzchnia płynu, z której następuje parowanie: z wąskiej karafki będzie ono zachodzić wolniej niż z szerokiego talerza.
Poziom molekularny
Rozważmy ten proces na poziomie molekularnym: cząsteczki, które mają wystarczającą energię (prędkość), aby pokonać przyciąganie sąsiednich cząsteczek, wyrywają się z granic substancji (cieczy). W tym przypadku ciecz traci część swojej energii (ochładza się). Na przykład bardzo gorącą ciecz: nadmuchujemy na jej powierzchnię, aby ją schłodzić, przyspieszając jednocześnie proces parowania.
Równowaga termodynamiczna
Naruszenie równowagi termodynamicznej pomiędzy cieczą i parą zawartą w mieszaninie para-gaz tłumaczy się skokiem temperatury na granicy faz. Jednakże skok ten można zwykle pominąć i przyjąć, że ciśnienie cząstkowe i stężenie pary na granicy faz odpowiadają ich wartościom dla pary nasyconej mającej temperaturę powierzchni cieczy. Jeżeli mieszanina cieczy i pary i gazu jest stacjonarna, a wpływ swobodnej konwekcji w nich jest niewielki, usunięcie pary powstałej podczas parowania z powierzchni cieczy do ośrodka gazowego następuje głównie w wyniku dyfuzji molekularnej i pojawienia się interfejsu faza-masa spowodowanego przez tę ostatnią z półprzepuszczalną (nieprzepuszczalną dla gazu) powierzchnią (tzw. Stefanovsky'ego) przepływu mieszaniny para-gaz skierowanej z powierzchni cieczy do ośrodka gazowego (patrz Dyfuzja). Rozkład temperatur w różnych trybach chłodzenia wyparnego cieczy. Przepływy ciepła kierowane są: a - z fazy ciekłej na powierzchnię parowania do fazy gazowej; b - od fazy ciekłej tylko do powierzchni parowania; c - do powierzchni odparowania obu faz; d - do powierzchni parowania tylko od strony fazy gazowej.
Baro-, dyfuzja termiczna
W obliczeniach inżynierskich zwykle nie uwzględnia się skutków ciśnienia i dyfuzji cieplnej, jednak wpływ dyfuzji cieplnej może być znaczący, gdy mieszanina para-gaz jest wysoce niejednorodna (z dużą różnicą mas molowych jej składników) i znaczna gradienty temperatury. Kiedy jedna lub obie fazy poruszają się względem ich granicy faz, wzrasta rola konwekcyjnego przenoszenia materii i energii mieszaniny para-gaz i ciecz.
W przypadku braku zasilania energią do układu ciecz-gaz z zewnątrz. źródła ciepła Odparowanie może być doprowadzone do powierzchniowej warstwy cieczy z jednej lub obu faz. W przeciwieństwie do powstałego przepływu materii, który podczas parowania z cieczy do ośrodka gazowego jest zawsze kierowany, przepływy ciepła mogą mieć różne kierunki w zależności od stosunków temperaturowych masy cieczy tl, granicy faz tgr i ośrodka gazowego tg. Kiedy pewna ilość cieczy styka się z półnieskończoną objętością lub strumieniem ośrodka gazowego przemywającego jej powierzchnię i przy temperaturze cieczy wyższej od temperatury gazu (tl > tg > tg), następuje przepływ ciepła od cieczy do interfejs fazowy: (Qlg = Ql - Qi, gdzie Qi jest ciepłem parowania, Qlg jest ilością ciepła przekazanego z cieczy do ośrodka gazowego. W tym przypadku ciecz jest chłodzona (tzw. chłodzenie wyparne). Jeżeli w wyniku takiego chłodzenia zostanie osiągnięta równość tgr = tg, przekazywanie ciepła z cieczy do gazu zatrzymuje się ( Qlg = 0), a całe ciepło dostarczone od strony cieczy do granicy faz jest zużywane na parowanie (Ql = Qi).
W przypadku ośrodka gazowego nienasyconego parą, ciśnienie cząstkowe tego ostatniego na granicy faz oraz przy Ql = Qi pozostaje wyższe niż w masie gazu, w wyniku czego następuje parowanie i schładzanie przez odparowanie cieczy nie zatrzymuje się i tgr staje się niższy niż tl i tg. W tym przypadku ciepło jest dostarczane do granicy faz z obu faz, aż w wyniku zmniejszenia tl zostanie osiągnięta równość tgr = tl i ustanie przepływ ciepła od strony cieczy, a od ośrodka gazowego Qgl stanie się równe Qi. Dalsze parowanie cieczy następuje w stałej temperaturze tm = tl = tgr, która nazywana jest granicą chłodzenia cieczy podczas chłodzenia wyparnego lub temperaturą mokrego termometru (jak pokazuje psychrometr mokrego termometru). Wartość tm zależy od parametrów ośrodka parowo-gazowego oraz warunków wymiany ciepła i masy pomiędzy fazą ciekłą i gazową.
Jeżeli ośrodek ciekły i gazowy o różnych temperaturach znajdują się w ograniczonej objętości, która nie otrzymuje energii z zewnątrz i nie oddaje jej na zewnątrz, to parowanie zachodzi do momentu osiągnięcia równowagi termodynamicznej pomiędzy obiema fazami, w której temperatury obie fazy są wyrównywane przy stałej entalpii układu, a faza gazowa jest nasycana parą wodną o temperaturze układu tad. Ta ostatnia, zwana adiabatyczną temperaturą nasycenia gazu, jest wyznaczana jedynie przez parametry początkowe obu faz i nie zależy od warunków wymiany ciepła i masy.
Szybkość parowania
Szybkość parowania izotermicznego [kg/(m 2 s)] przy jednokierunkowej dyfuzji pary do stacjonarnej warstwy binarnej mieszaniny para-gaz o grubości d, [m] znajdującej się nad powierzchnią cieczy można obliczyć ze wzoru Stefana: , gdzie D jest współczynnikiem wzajemnego przenikania, [m 2 /With]; - gazowa para stała, [J/(kg K)] lub [m 2 /(s 2 K)]; T - temperatura mieszaniny, [K]; p - ciśnienie mieszaniny para-gaz, [Pa]; - cząstkowe ciśnienie pary na granicy faz i na zewnętrznej granicy warstwy mieszaniny, [Pa].
W ogólnym przypadku (ruch cieczy i gazu, warunki nieizotermiczne) w granicznej warstwie cieczy sąsiadującej z granicą międzyfazową przenoszeniu pędu towarzyszy wymiana ciepła, a w granicznej warstwie gazu (mieszanina para-gaz) ciepło jest ze sobą powiązane i następuje transfer masy. W tym przypadku do obliczenia szybkości parowania wykorzystuje się eksperymentalne współczynniki przenikania ciepła i masy, a w stosunkowo prostszych przypadkach przybliżone metody numerycznych rozwiązań układu równań różniczkowych dla sprzężonych warstw granicznych fazy gazowej i ciekłej.
Intensywność przenoszenia masy podczas parowania zależy od różnicy potencjałów chemicznych pary na granicy faz oraz w masie mieszaniny para-gaz. Jeśli jednak można pominąć dyfuzję baro- i termiczną, różnicę potencjałów chemicznych zastępuje się różnicą ciśnień cząstkowych lub stężeń par i przyjmuje się, co następuje: jп = bp (рп, gr - рп, basic) = bpp(уп , гр - уп, podstawowy) lub jп = bc( cп, gr - sp, główny), gdzie bp, bc - współczynnik przenikania masy, p - ciśnienie mieszaniny, rp - cząstkowe ciśnienie pary, yп = pп/p - stężenie molowe pary, cп = rп/r – stężenie masowe par, rп, r – lokalne gęstości par i mieszanin; indeksy oznaczają: „gr” - na granicy faz, „podstawowy” - w głównym. masa mieszanki. Gęstość strumienia ciepła wydzielanego przez ciecz podczas parowania wynosi [w J/(m2 s)]: q = azh(tl - tg) = rjп + ag (tg - tg), gdzie azh, ag - współczynnik przenikania ciepła z cieczy i gaz, [W/(m 2 K)]; r - ciepło parowania, [J/kg].
W przypadku bardzo małych promieni krzywizny powierzchni parowania (na przykład podczas odparowywania małych kropel cieczy) uwzględnia się wpływ napięcia powierzchniowego cieczy, co prowadzi do tego, że równowagowe ciśnienie pary nad granicą międzyfazową jest wyższa niż prężność pary nasyconej tej samej cieczy nad płaską powierzchnią. Jeśli tgr ~ tl, to przy obliczaniu parowania można uwzględnić tylko wymianę ciepła i masy w fazie gazowej. Przy stosunkowo małej intensywności wymiany masy, w przybliżeniu obowiązuje analogia pomiędzy procesami wymiany ciepła i masy, z której wynika: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, gdzie Nu = ag l/lg jest liczbą Nusselta, l to charakterystyczna wielkość powierzchni parowania, lg to współczynnik przewodzenia ciepła mieszaniny para-gaz, Sh* = bpyг, grl/Dp = bccг, grl/D - liczba Sherwooda dla składnika dyfuzyjnego strumienia pary, Dp = D/ RпT – współczynnik dyfuzji związany ze gradientem ciśnienia cząstkowego pary. Z powyższych zależności obliczane są wartości bp i bс, liczby Nu0 i Sh0 odpowiadają jп: 0 i można je wyznaczyć na podstawie danych dla oddzielnie zachodzących procesów wymiany ciepła i masy. Liczbę Sh0 dla całkowitego (dyfuzyjnego i konwekcyjnego) przepływu pary oblicza się, dzieląc Sh* przez stężenie molowe (yg, g) lub masowe (cr, g) gazu na granicy faz, w zależności od tego, która siła napędowa przenoszenia masy jest współczynnikiem b jest przypisany.
Równania
Równania podobieństwa dla Nu i Sh* podczas odparowania obejmują, oprócz zwykłych kryteriów (liczby Reynoldsa Re, Archimedesa Ar, Prandtla Pr lub Schmidta Sc oraz parametry geometryczne), parametry uwzględniające wpływ poprzecznego przepływu pary i stopnia heterogeniczności mieszaniny para-gaz (stosunki mas molowych lub stałych gazowych jej składników) na profile, prędkości, temperatury czy stężenia w przekroju warstwy granicznej.
Przy małych jп, które nie naruszają znacząco hydrodynamicznego reżimu ruchu mieszaniny para-gaz (na przykład podczas odparowywania wody do powietrza atmosferycznego) i podobieństwa warunków brzegowych pól temperatury i stężenia, wpływ dodatkowych argumentów w równaniach podobieństwa jest nieistotna i można ją pominąć, zakładając, że Nu = Sh. Kiedy mieszaniny wieloskładnikowe odparowują, wzory te stają się znacznie bardziej skomplikowane. W tym przypadku ciepło parowania składników mieszaniny oraz skład fazy ciekłej i parowo-gazowej, które są ze sobą w równowadze, są różne i zależą od temperatury. Gdy odparowuje dwuskładnikowa mieszanina cieczy, powstała mieszanina par jest stosunkowo bogatsza w bardziej lotny składnik, z wyłączeniem jedynie mieszanin azeotropowych, które odparowują w skrajnych punktach (maksimum lub minimum) krzywych stanu jako czysta ciecz.
Projekty urządzeń
Całkowita ilość parującej cieczy wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni styku fazy ciekłej i gazowej, dlatego konstrukcje urządzeń, w których zachodzi parowanie, przewidują zwiększenie powierzchni parowania poprzez utworzenie dużego zwierciadła cieczy, rozbijając ją na strumienie i krople lub tworzące cienki film spływający po powierzchni dysz. Zwiększenie intensywności wymiany ciepła i masy podczas parowania osiąga się także poprzez zwiększenie prędkości ośrodka gazowego względem powierzchni cieczy. Jednakże zwiększenie tej prędkości nie powinno prowadzić do nadmiernego porywania cieczy przez środowisko gazowe i znacznego wzrostu oporów hydraulicznych aparatu.
Aplikacja
Odparowanie jest szeroko stosowane w praktyce przemysłowej do oczyszczania substancji, suszenia materiałów, rozdzielania mieszanin ciekłych i klimatyzacji. Chłodzenie wyparne wodą stosowane jest w systemach zaopatrzenia w wodę obiegową przedsiębiorstw.
Zobacz też
Literatura
- // Słownik encyklopedyczny Brockhausa i Efrona: w 86 tomach (82 tomy i 4 dodatkowe). - Petersburgu. , 1890-1907.
- Berman L.D., Chłodzenie wyparne wody obiegowej, wyd. 2, M.-L., 1957;
- Fuks N.A., Odparowanie i wzrost kropelek w ośrodku gazowym, M., 1958;
- Bird R., Stewart W., Lightfoot E., Transfer Phenomena, przeł. z języka angielskiego, M., 1974;
- Berman L.D., „Teoretyczne podstawy chemii. technologia”, 1974, t. 8, nr 6, s. 20-20. 811-22;
- Sherwood T., Pigford R., Wilkie C., Przeniesienie masy, przeł. z języka angielskiego, M., 1982. L. D. Berman.
Spinki do mankietów
Fundacja Wikimedia. 2010.
Synonimy:Zobacz, co oznacza „parowanie” w innych słownikach:
Przejście w wodzie ze stanu ciekłego lub stałego skupienia do stanu gazowego (pary). Zazwyczaj przez fluidyzację rozumie się przejście cieczy w parę, które następuje na swobodnej powierzchni cieczy. I. nazywa się ciała stałe. sublimacja lub sublimacja. Zależność od ciśnienia... ... Encyklopedia fizyczna
Parowanie zachodzące na swobodnej powierzchni cieczy. Parowanie z powierzchni ciała stałego nazywa się sublimacją... Wielki słownik encyklopedyczny
Istnieją dwa sposoby przejścia cieczy w stan gazowy: parowanie i wrzenie.
Te dwie metody różnią się tym, że parowanie następuje z powierzchni cieczy, a wrzenie zachodzi w całej objętości.
Gotowanie jest procesem szybkim, po wrzącej wodzie w krótkim czasie nie zostaje ślad, zamienia się ona w parę.
Parowanie zachodzi w dowolnej temperaturze, niezależnie od ciśnienia, które w normalnych warunkach jest zawsze bliskie 760 mmHg. Sztuka. Parowanie, w przeciwieństwie do wrzenia, jest procesem bardzo powolnym. Butelka wody kolońskiej, którą zapomnieliśmy zamknąć, za kilka dni będzie pusta; Spodek z wodą posiedzi dłużej, ale prędzej czy później okaże się, że jest suchy.
Szybkość parowania zależy od kilku powodów:
A) Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy.
Ciecz, której cząsteczki przyciągają się z mniejszą siłą, paruje szybciej. Rzeczywiście w tym przypadku większa liczba cząsteczek może pokonać przyciąganie i wylecieć z cieczy.
B) Parowanie zachodzi tym szybciej, im wyższa jest temperatura cieczy.
Im wyższa temperatura cieczy, tym większa jest liczba szybko poruszających się w niej cząsteczek, które są w stanie pokonać siły przyciągania otaczających cząsteczek i odlecieć od powierzchni cieczy.
C) Szybkość parowania cieczy zależy od jej powierzchni.
Powód ten tłumaczy się faktem, że ciecz odparowuje z powierzchni, a im większa jest powierzchnia cieczy, tym większa jest liczba cząsteczek jednocześnie wylatujących z niej do powietrza.
D) Parowanie cieczy następuje szybciej przy wietrze.
Równolegle z przejściem cząsteczek z cieczy do pary zachodzi również proces odwrotny. Poruszając się losowo po powierzchni cieczy, część cząsteczek, które ją opuściły, powraca do niej ponownie. Dlatego masa cieczy w zamkniętym pojemniku nie zmienia się, chociaż ciecz nadal paruje.
Do badania będziesz potrzebować:
A) naczynia szklane o różnych przekrojach, zlewki
B) wagi szkolne
C) ciecze o różnej gęstości (woda słodka, alkohol, olej słonecznikowy)
D) marchew, ziemniaki, jabłka, czarny chleb
D) termometr
A) Badanie zależności szybkości parowania od rodzaju odparowywanych cieczy.
Aby zbadać tę zależność, uczniowie biorą 3 identyczne naczynia, napełniają je alkoholem, świeżą wodą, olejem słonecznikowym i obserwują parowanie. Zanotuj datę i godzinę rozpoczęcia doświadczenia, zapisując kolejno czas całkowitego odparowania każdej badanej cieczy. Na podstawie wyników pomiarów sporządzana jest tabela, w której rejestruje się szybkość parowania cieczy w zależności od stopnia redukcji.
Rodzaj cieczy 24. 11. 25. 11. 27. 11. 1. 12. 10. 12. 15. 12. 20. 12.
2006 2006 2006 2006 2006 2006 2006
Świeża woda 10 mg 8 mg 5 mg 2 mg 1 mg 0 mg 0 mg
Alkohol 10 mg 7 mg 4 mg 0 mg 0 mg 0 mg 0 mg
Solone masło 10 mg 9,5 mg 9 mg 8 mg 7 mg 6 mg 5 mg
Ponieważ proces odparowania jest szeroko stosowany w suszeniu owoców, jagód, warzyw i grzybów, zadanie to ma ogromne znaczenie praktyczne. Studenci eksperymentalnie wyznaczają procentowy plon suszu każdego rodzaju i sporządzają tabelę plonu suszu rolnego:
Rodzaj produktu Masa produktu świeżego Masa produktu suszonego Wydajność suszu w % masy początkowej
Jabłka 207g 300mg 31g 15%
Marchew 34g 300mg 4g 900mg 14%
Ziemniaki 80g 710mg 16g 9mg 21%
Chleb (czarny) 46g 100mg 25g 250mg 55%
Praktyczne zastosowanie wyników teorii i eksperymentu.
Na podstawie uzyskanych danych uczniowie postanowili obliczyć realny zysk z jednego bochenka czarnego chleba przeznaczonego na zrobienie krakersów.
1. bochenek chleba (750g) – 10 rubli.
1. paczka krakersów (50 g) – 6 rubli.
Korzystając z danych tabelarycznych, obliczyliśmy, ile krakersów uzyskuje się z jednego bochenka chleba:
46,1 g – 25,25 g Razem: 411 g
Obliczmy, ile paczek tych krakersów możemy przygotować:
411/50 = 8,2 (opakowania)
Zatem koszt jednego opakowania:
8,2 * 6 = 49,2 (rub.)
49,2 – 10 = 39,2 (rub.)
Musimy jednak wziąć pod uwagę koszty produkcji, płace pracowników i opakowanie. Chociaż część kwoty można zrekompensować faktem, że chleb nie został zakupiony świeży i nie został sprzedany na czas.
Zgodnie z uzyskanymi danymi parowanie cieczy zależy od ich gęstości: im większa gęstość, tym wolniej ciecz paruje.
Rodzaj cieczy Gęstość cieczy, kg/ml. m Czas parowania, godziny.
Świeża woda 1000 580
Alkohol 800 145
Olej słonecznikowy 1000 5800
Na uwagę zasługuje fakt, że przy tej samej gęstości świeżej wody i oleju słonecznikowego szybkość parowania tych cieczy jest różna (uczniowie sami obliczyli gęstość oleju za pomocą zlewki i wagi studenckiej). Korzystając z dodatkowej literatury i wiedzy zdobytej już na kursie chemii, fakt ten można wytłumaczyć faktem, że woda jest substancją nieorganiczną, a pomiędzy cząsteczkami istnieje specjalne wiązanie - wodór. To połączenie jest bardzo słabe. Olej jest substancją organiczną. Są to estry alkoholu trójwodorotlenowego, gliceryny i kwasów karboksylowych. Dzięki swojej złożonej strukturze połączenie to będzie znacznie stabilniejsze.
B) Badanie parowania od temperatury cieczy.
Naczynie z wodą postaw na kuchence gazowej i zagotuj. Następnie uczniowie opuszczają naczynia z płynami: alkoholem i świeżą wodą. Z tabeli temperatur wrzenia substancji wynika, że temperatura wrzenia wody wynosi 100 stopni, a alkoholu 78 stopni. Objętość cieczy i powierzchnia parowania są takie same.
Nazwa substancji Parowanie w temperaturze pokojowej, godziny. Parowanie w temperaturze wrzenia, godziny.
Alkohol 30 0,07
Woda słodka 120 0,25
Badania wykazały, że w podwyższonych temperaturach parowanie następuje szybciej niż w temperaturze pokojowej. Zjawisko to tłumaczy się faktem, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość cząsteczek i łatwo opuszczają one powierzchnię cieczy.
C) Badanie zależności szybkości parowania od powierzchni odparowanych cieczy.
Do eksperymentu potrzebne będą:
A) 3 rodzaje płynów (woda słodka, alkohol, olej słonecznikowy)
B) 3 zestawy zlewek, każdy zawierający 3 zlewki o różnych wolnych powierzchniach.
Obliczamy pola powierzchni odparowanych cieczy:
Rodzaj cieczy Średnica zlewki, cm Pole przekroju, cm
Duży 6,6 34.1946
Średnia 3,5 9,61625
Mały 3 7065
Rodzaj cieczy Czas odparowania, godziny, duży Czas odparowania, godziny, średni Czas odparowania, godziny, mały
Świeża woda 120 420 580
Alkohol 30 105 145
Olej słonecznikowy 1200 4100 5800
(Studenci obliczyli doświadczenie z olejem na podstawie stosunku odparowanej części oleju do czasu jego odparowania)
Po zakończeniu eksperymentu doszliśmy do wniosku: szybkość parowania jest wprost proporcjonalna do wolnej powierzchni. W eksperymencie należy wziąć pod uwagę niedokładność i błąd pomiaru.
D) Badanie zależności szybkości parowania od wiatru.
Do eksperymentu potrzebne będą:
A) 2 rodzaje płynów (alkohol, słodka woda)
B) 4 identyczne naczynia.
Nazwa substancji Bez wiatru, zegar Z wiatrem, zegar
Świeża woda 120 19
Doświadczenie pokazuje, że przy wietrze parowanie zachodzi szybciej niż przy braku wiatru. To doświadczenie wyjaśnia szybkie suszenie prania i kałuż po deszczu.
Odparowanie cieczy zachodzi w dowolnej temperaturze i im szybciej im wyższa jest temperatura, tym większa jest wolna powierzchnia odparowującej cieczy i tym szybciej usuwane są pary powstałe nad cieczą.
W określonej temperaturze, w zależności od charakteru cieczy i ciśnienia, pod jakim się ona znajduje, rozpoczyna się parowanie w całej masie cieczy. Proces ten nazywa się gotowaniem.
Jest to proces intensywnego odparowania nie tylko z powierzchni swobodnej, ale także w objętości cieczy. W objętości tworzą się pęcherzyki wypełnione parą nasyconą. Pod wpływem siły wyporu unoszą się do góry i pękają na powierzchni. Ośrodkami ich powstawania są maleńkie pęcherzyki obcych gazów lub cząstki różnych zanieczyszczeń.
Jeżeli pęcherzyk ma wymiary rzędu kilku milimetrów lub więcej, wówczas drugi człon można pominąć i dlatego w przypadku dużych pęcherzyków przy stałym ciśnieniu zewnętrznym ciecz wrze, gdy ciśnienie pary nasyconej w pęcherzykach zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym .
W wyniku chaotycznego ruchu nad powierzchnią cieczy cząsteczka pary, wpadając w sferę działania sił molekularnych, ponownie powraca do cieczy. Proces ten nazywa się kondensacją.
Parowanie i wrzenie
Parowanie i wrzenie to dwa sposoby, w jakie ciecz może zmienić się w gaz (parę). Proces takiego przejścia nazywa się parowaniem. Oznacza to, że parowanie i gotowanie są metodami odparowywania. Istnieją znaczne różnice pomiędzy tymi dwiema metodami.
Parowanie zachodzi tylko z powierzchni cieczy. Wynika to z faktu, że cząsteczki dowolnej cieczy stale się poruszają. Co więcej, prędkość cząsteczek jest inna. Cząsteczki poruszające się z odpowiednio dużą prędkością, gdy znajdą się na powierzchni, mogą pokonać siłę przyciągania innych cząsteczek i wylądować w powietrzu. Cząsteczki wody, pojedynczo w powietrzu, tworzą parę. Nie da się zobaczyć par ich oczami. To, co postrzegamy jako mgłę wodną, jest już wynikiem kondensacji (procesu odwrotnego do parowania), gdy po ochłodzeniu para gromadzi się w postaci drobnych kropelek.
W wyniku parowania sama ciecz ochładza się, gdy opuszczają ją najszybsze cząsteczki. Jak wiadomo, temperaturę dokładnie określa prędkość ruchu cząsteczek substancji, czyli ich energia kinetyczna.
Szybkość parowania zależy od wielu czynników. Po pierwsze, zależy to od temperatury cieczy. Im wyższa temperatura, tym szybsze parowanie. Jest to zrozumiałe, ponieważ cząsteczki poruszają się szybciej, co oznacza, że łatwiej im uciec z powierzchni. Szybkość parowania zależy od substancji. W niektórych substancjach cząsteczki są przyciągane silniej i przez to trudniej im wylecieć, w innych są słabsze i przez to łatwiej opuszczają ciecz. Parowanie zależy również od powierzchni, nasycenia powietrza parą i wiatru.
Najważniejszą rzeczą odróżniającą parowanie od wrzenia jest to, że parowanie zachodzi w dowolnej temperaturze i zachodzi tylko z powierzchni cieczy.
W przeciwieństwie do parowania, wrzenie zachodzi tylko w określonej temperaturze. Każda substancja w stanie ciekłym ma swoją własną temperaturę wrzenia. Na przykład woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym wrze w temperaturze 100°C, a alkohol w temperaturze 78°C. Jednakże wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego temperatura wrzenia wszystkich substancji nieznacznie spada.
Kiedy woda się zagotuje, uwalnia się rozpuszczone w niej powietrze. Ponieważ naczynie jest zwykle podgrzewane od dołu, temperatura w dolnych warstwach wody jest wyższa i tam najpierw tworzą się pęcherzyki. Woda paruje do tych pęcherzyków, które nasycają się parą wodną.
Ponieważ bąbelki są lżejsze od samej wody, unoszą się do góry. Ponieważ górne warstwy wody nie nagrzały się do temperatury wrzenia, pęcherzyki ochładzają się, a zawarta w nich para ponownie skrapla się w wodę, pęcherzyki stają się cięższe i ponownie toną.
Kiedy wszystkie warstwy cieczy zostaną podgrzane do temperatury wrzenia, pęcherzyki nie opadają, lecz wypływają na powierzchnię i pękają. Para z nich unosi się w powietrzu. Zatem podczas wrzenia proces parowania zachodzi nie na powierzchni cieczy, ale na całej jej grubości w tworzących się pęcherzykach powietrza. W przeciwieństwie do parowania, gotowanie jest możliwe tylko w określonej temperaturze.
Należy rozumieć, że gdy ciecz wrze, następuje również normalne parowanie z jej powierzchni.
Od czego zależy szybkość parowania cieczy?
Miarą szybkości parowania jest ilość substancji wydostającej się w jednostce czasu z jednostki swobodnej powierzchni cieczy. Angielski fizyk i chemik D. Dalton na początku XIX wieku. odkryli, że szybkość parowania jest proporcjonalna do różnicy między ciśnieniem pary nasyconej w temperaturze parującej cieczy a rzeczywistym ciśnieniem pary rzeczywistej znajdującej się nad cieczą. Jeśli ciecz i para są w równowadze, wówczas szybkość parowania wynosi zero. Dokładniej, tak się dzieje, ale z tą samą prędkością zachodzi również proces odwrotny - kondensacja(przejście substancji ze stanu gazowego lub parowego w ciecz). Szybkość parowania zależy również od tego, czy zachodzi ono w spokojnej, czy ruchomej atmosferze; jego prędkość wzrasta, jeśli powstała para zostanie wydmuchana przez strumień powietrza lub wypompowana za pomocą pompy.
Jeśli parowanie następuje z ciekłego roztworu, wówczas różne substancje odparowują z różną szybkością. Szybkość parowania danej substancji maleje wraz ze wzrostem ciśnienia obcych gazów, takich jak powietrze. Dlatego parowanie do pustki następuje z największą prędkością. Wręcz przeciwnie, dodając do naczynia obcy, obojętny gaz, parowanie można znacznie spowolnić.
Czasami parowanie nazywane jest także sublimacją, czyli sublimacją, czyli przejściem ciała stałego w stan gazowy. Prawie wszystkie ich wzory są naprawdę podobne. Ciepło sublimacji jest większe od ciepła parowania o mniej więcej ciepło topnienia.
Zatem szybkość parowania zależy od:
- Rodzaj płynu. Ciecz, której cząsteczki przyciągają się z mniejszą siłą, paruje szybciej. Rzeczywiście w tym przypadku większa liczba cząsteczek może pokonać przyciąganie i wylecieć z cieczy.
- Parowanie zachodzi tym szybciej, im wyższa jest temperatura cieczy. Im wyższa temperatura cieczy, tym większa jest liczba szybko poruszających się w niej cząsteczek, które są w stanie pokonać siły przyciągania otaczających cząsteczek i odlecieć od powierzchni cieczy.
- Szybkość parowania cieczy zależy od jej powierzchni. Powód ten tłumaczy się faktem, że ciecz odparowuje z powierzchni, a im większa jest powierzchnia cieczy, tym większa jest liczba cząsteczek jednocześnie wylatujących z niej do powietrza.
- Parowanie cieczy następuje szybciej przy wietrze. Równolegle z przejściem cząsteczek z cieczy do pary zachodzi również proces odwrotny. Poruszając się losowo po powierzchni cieczy, część cząsteczek, które ją opuściły, powraca do niej ponownie. Dlatego masa cieczy w zamkniętym pojemniku nie zmienia się, chociaż ciecz nadal paruje.
wnioski
Mówimy, że woda paruje. Ale co to oznacza? Parowanie to proces, w wyniku którego ciecz znajdująca się w powietrzu szybko zamienia się w gaz lub parę. Wiele płynów odparowuje bardzo szybko, znacznie szybciej niż woda. Dotyczy to alkoholu, benzyny i amoniaku. Niektóre ciecze, takie jak rtęć, odparowują bardzo powoli.
Co powoduje parowanie? Aby to zrozumieć, trzeba zrozumieć naturę materii. O ile nam wiadomo, każda substancja składa się z cząsteczek. Na te cząsteczki działają dwie siły. Jednym z nich jest spójność, która przyciąga ich do siebie. Drugim jest ruch termiczny poszczególnych cząsteczek, który powoduje ich rozbicie.
Jeżeli siła przyczepności jest większa, substancja pozostaje w stanie stałym. Jeżeli ruch termiczny jest tak silny, że przekracza spójność, wówczas substancja staje się lub jest gazem. Jeśli obie siły są w przybliżeniu zrównoważone, mamy ciecz.
Woda jest oczywiście cieczą. Ale na powierzchni cieczy znajdują się cząsteczki, które poruszają się tak szybko, że pokonują siłę przyczepności i odlatują w przestrzeń kosmiczną. Proces opuszczania cząsteczek nazywa się parowaniem.
Dlaczego woda wyparowuje szybciej, gdy jest wystawiona na działanie słońca lub podgrzana? Im wyższa temperatura, tym intensywniejsze ruchy termiczne w cieczy. Oznacza to, że coraz więcej cząsteczek zyskuje prędkość wystarczającą do odlotu. Gdy najszybsze cząsteczki odlatują, prędkość pozostałych cząsteczek średnio maleje. Dlaczego pozostała ciecz ochładza się poprzez parowanie?
Kiedy więc woda wysycha, oznacza to, że zamieniła się w gaz lub parę i stała się częścią powietrza.
W przyrodzie substancje mogą znajdować się w jednym z trzech stanów skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Przejście z pierwszego do drugiego i odwrotnie można zaobserwować każdego dnia, zwłaszcza zimą. Jednak przemiana cieczy w parę, znana jako proces parowania, jest często niewidoczna dla oka. Mimo pozornej znikomości odgrywa ważną rolę w życiu człowieka. Dowiedzmy się więc więcej na ten temat.
Parowanie – co to jest?
Za każdym razem, gdy zdecydujesz się zagotować w czajniku herbatę lub kawę, możesz zaobserwować, jak woda po osiągnięciu 100°C zamienia się w parę. To jest właśnie praktyczny przykład procesu parowania (przejścia określonej substancji w stan gazowy).
Istnieją dwa rodzaje waporyzacji: wrzenie i parowanie. Na pierwszy rzut oka są one identyczne, ale jest to powszechne błędne przekonanie.
Parowanie to powstawanie pary z powierzchni substancji, a wrzenie to powstawanie pary z całej jej objętości.
Parowanie i wrzenie: jaka jest różnica
Chociaż zarówno proces parowania, jak i wrzenia powoduje zmianę cieczy w stan gazowy, warto pamiętać o dwóch istotnych różnicach między nimi.
- Gotowanie jest procesem aktywnym, zachodzącym w określonej temperaturze. Dla każdej substancji jest ona wyjątkowa i może się zmieniać jedynie wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego. W normalnych warunkach woda musi wrzeć w temperaturze 100°C, dla rafinowanego oleju słonecznikowego – 227°C, dla nierafinowanego oleju słonecznikowego – 107°C. Wręcz przeciwnie, alkohol potrzebuje niższej temperatury wrzenia – 78°C. Temperatura parowania może być dowolna i w przeciwieństwie do wrzenia zachodzi stale.
- Drugą istotną różnicą pomiędzy procesami jest to, że podczas gotowania następuje parowanie na całej grubości cieczy. Natomiast parowanie wody lub innych substancji następuje tylko z ich powierzchni. Nawiasem mówiąc, procesowi wrzenia zawsze towarzyszy jednocześnie parowanie.
Proces sublimacji
Uważa się, że parowanie to przejście ze stanu skupienia ciekłego do gazowego. Jednak w rzadkich przypadkach, z pominięciem stanu ciekłego, możliwe jest bezpośrednie odparowanie ze stanu stałego do stanu gazowego. Proces ten nazywa się sublimacją.
To słowo zna każdy, kto kiedykolwiek zamówił w salonie fotograficznym kubek lub koszulkę ze swoim ulubionym zdjęciem. Aby trwale nanieść obraz na tkaninę lub ceramikę, stosuje się ten rodzaj odparowania, na cześć którego ten rodzaj druku nazywa się sublimacją.
Takie odparowanie jest również często wykorzystywane do przemysłowego suszenia owoców i warzyw oraz do produkcji kawy.
Chociaż sublimacja jest zjawiskiem znacznie rzadszym niż parowanie cieczy, czasami można ją zaobserwować w życiu codziennym. Tak więc wyprane, mokre pranie wywieszone do suszenia zimą natychmiast zamarza i staje się twarde. Jednak stopniowo ta sztywność zanika i wszystko staje się suche. W tym przypadku woda ze stanu lodowego, omijając fazę ciekłą, przechodzi bezpośrednio do pary.
Jak zachodzi parowanie?
Podobnie jak większość procesów fizycznych i chemicznych, cząsteczki odgrywają główną rolę w procesie parowania.
W cieczach znajdują się one bardzo blisko siebie, ale nie mają stałego położenia. Dzięki temu mogą „przemieszczać się” po całym obszarze cieczy i to z różnymi prędkościami. Osiąga się to dzięki temu, że podczas ruchu zderzają się one ze sobą i w wyniku tych zderzeń zmienia się ich prędkość. Stając się wystarczająco szybkie, najbardziej aktywne cząsteczki są w stanie wznieść się na powierzchnię substancji i pokonując siłę przyciągania innych cząsteczek, opuścić ciecz. W ten sposób odparowuje woda lub inna substancja i tworzy się para. Czy to nie przypomina trochę lotu rakietą w kosmos?
Chociaż najbardziej aktywne cząsteczki przechodzą z cieczy do pary, ich pozostali „bracia” nadal pozostają w ciągłym ruchu. Stopniowo nabywają prędkość niezbędną do pokonania przyciągania i przejścia do innego stanu skupienia.
Stopniowo i stale opuszczając ciecz, cząsteczki wykorzystują do tego swoją energię wewnętrzną i ta maleje. A to bezpośrednio wpływa na temperaturę substancji - maleje. Dlatego ilość schładzającej herbaty w filiżance nieznacznie się zmniejsza.
Warunki parowania
Obserwując kałuże po deszczu, zauważysz, że niektóre z nich wysychają szybciej, a inne dłużej. Ponieważ ich suszenie jest procesem parowania, możemy posłużyć się tym przykładem, aby zrozumieć warunki niezbędne do tego.
- Szybkość parowania zależy od rodzaju odparowywanej substancji, ponieważ każda z nich ma unikalne cechy, które wpływają na czas, w którym jej cząsteczki całkowicie przechodzą w stan gazowy. Jeśli zostawisz otwarte 2 identyczne butelki wypełnione taką samą ilością płynu (jedna zawiera alkohol C2H5OH, druga zawiera wodę H2O), to pierwszy pojemnik opróżni się szybciej. Ponieważ, jak wspomniano powyżej, temperatura parowania alkoholu jest niższa, co oznacza, że odparuje szybciej.
- Drugą rzeczą, od której zależy parowanie, jest temperatura otoczenia i temperatura wrzenia odparowanej substancji. Im wyższy pierwszy i niższy drugi, tym szybciej ciecz może do niego dotrzeć i przejść w stan gazowy. Dlatego podczas przeprowadzania niektórych reakcji chemicznych polegających na parowaniu substancje są specjalnie podgrzewane.
- Innym warunkiem, od którego zależy parowanie, jest powierzchnia substancji, z której następuje. Im jest większy, tym szybciej zachodzi proces. Biorąc pod uwagę różne przykłady parowania, ponownie możemy pomyśleć o herbacie. Często wylewa się go na spodek do ostygnięcia. Tam napój schładzał się szybciej, ponieważ zwiększała się powierzchnia płynu (średnica spodka była większa niż średnica filiżanki).
- I znowu o herbacie. Innym znanym sposobem na szybsze schłodzenie jest dmuchanie. Jak można zauważyć, że parowanie zależy również od obecności wiatru (ruchu powietrza). Im większa prędkość wiatru, tym szybciej cząsteczki cieczy zamienią się w parę.
- Ciśnienie atmosferyczne wpływa również na szybkość parowania: im jest niższe, tym szybciej cząsteczki przechodzą z jednego stanu do drugiego.
Kondensacja i desublimacja
Po przemianie w parę cząsteczki nie przestają się poruszać. W nowym stanie skupienia zaczynają zderzać się z cząsteczkami powietrza. Z tego powodu mogą czasami powrócić do stanu ciekłego (kondensacja) lub stałego (desublimacja).
Kiedy procesy parowania i kondensacji (desublimacji) są sobie równoważne, nazywa się to równowagą dynamiczną. Jeżeli substancja gazowa znajduje się w równowadze dynamicznej z cieczą o podobnym składzie, nazywa się ją parą nasyconą.
Parowanie i człowiek
Rozważając różne przykłady parowania, nie sposób nie przypomnieć sobie wpływu tego procesu na organizm ludzki.
Jak wiadomo, w temperaturze ciała wynoszącej 42,2°C białko znajdujące się we krwi człowieka ulega krzepnięciu, co prowadzi do śmierci. Organizm człowieka może się nagrzewać nie tylko w wyniku infekcji, ale także podczas pracy fizycznej, uprawiania sportu czy przebywania w gorącym pomieszczeniu.
Organizmowi udaje się utrzymać temperaturę akceptowalną do normalnego funkcjonowania dzięki systemowi samochłodzenia – poceniu się. Jeśli temperatura ciała wzrasta, pot wydostaje się przez pory skóry, a następnie odparowuje. Proces ten pomaga „spalić” nadmiar energii, a także pomaga schłodzić organizm i normalizować jego temperaturę.
Swoją drogą, dlatego nie należy bezwarunkowo wierzyć reklamom przedstawiającym pot jako główną katastrofę współczesnego społeczeństwa i próbować sprzedawać naiwnym nabywcom najróżniejsze substancje, aby się go pozbyć. Nie da się zmusić organizmu do mniejszego pocenia się bez zakłócania jego normalnego funkcjonowania, a dobry dezodorant może jedynie zamaskować nieprzyjemny zapach potu. Dlatego stosując antyperspiranty, różne proszki i pudry, możesz wyrządzić nieodwracalne szkody dla organizmu. Przecież substancje te zatykają pory lub zwężają kanały wydalnicze gruczołów potowych, przez co pozbawiają organizm możliwości kontrolowania swojej temperatury. W przypadku, gdy stosowanie antyperspirantów jest nadal konieczne, należy najpierw skonsultować się z lekarzem.
Rola parowania w życiu roślin
Jak wiadomo, nie tylko ludzie składają się w 70% z wody, ale także rośliny, a niektóre, jak rzodkiewki, w 90%. Dlatego ważne jest dla nich również parowanie.
Woda jest jednym z głównych źródeł korzystnych (i szkodliwych) substancji dostających się do organizmu rośliny. Aby jednak te substancje mogły się wchłonąć, niezbędne jest światło słoneczne. Ale w upalne dni słońce może nie tylko nagrzać roślinę, ale także ją przegrzać, niszcząc w ten sposób.
Aby temu zapobiec, przedstawiciele flory są w stanie samoochłodzić się (podobnie jak proces pocenia się człowieka). Innymi słowy, gdy rośliny się przegrzeją, odparowują wodę i w ten sposób ochładzają się. Dlatego tak dużą wagę przywiązuje się do podlewania ogrodów i warzywników latem.
Jak wykorzystuje się parowanie w przemyśle i w domu
W przemyśle chemicznym i spożywczym parowanie jest procesem niezbędnym. Jak wspomniano powyżej, nie tylko pomaga odwodnić wiele produktów (odparować z nich wilgoć), co zwiększa ich trwałość; ale także pomaga w wytwarzaniu idealnych produktów dietetycznych (mniejsza waga i kaloryczność, przy większej zawartości składników odżywczych).
Odparowanie (zwłaszcza sublimacja) stosuje się również do oczyszczania różnych substancji.
Kolejnym obszarem zastosowań jest klimatyzacja.
Nie zapomnij o medycynie. Przecież proces inhalacji (wdychanie pary nasyconej lekami) również opiera się na procesie parowania.
Niebezpieczne opary
Jednak, jak każdy proces, ma to również negatywne strony. W końcu nie tylko przydatne substancje mogą zamienić się w parę i zostać wdychane przez ludzi i zwierzęta, ale także śmiercionośne. A najsmutniejsze jest to, że są niewidoczne, co oznacza, że człowiek nie zawsze wie, że został narażony na działanie toksyny. Dlatego należy unikać przebywania bez maseczek i kombinezonów ochronnych w fabrykach i przedsiębiorstwach pracujących z substancjami niebezpiecznymi.
Niestety szkodliwe opary mogą czaić się także w domu. W końcu, jeśli meble, tapety, linoleum lub inne przedmioty są wykonane z tanich materiałów i słabej technologii, są w stanie uwalniać do powietrza toksyny, które stopniowo „zatruwają” ich właścicieli. Dlatego przy zakupie dowolnego przedmiotu warto zwrócić uwagę na certyfikat jakości materiałów, z których jest wykonany.