§ 13. Испарение и конденсация

Почему, выходя из реки в жаркий летний день, мы ощущаем прохладу? Куда исчезают лужи после дождя? Для чего в жару собака высовывает язык? Почему, если нужно остудить руки, мы на них дуем, а если хотим согреть — дышим? и таких вопросов можно поставить множество. В этом параграфе вы найдете ответы на некоторые из них.

знакомимся с процессом испарения

Любое вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое. При определенных условиях твердое тело может превратиться в жидкость, жидкость может снова затвердеть или превратиться в газ.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием.

Есть два способа парообразования: испарение и кипение. Знакомство с парообразованием начнем с процесса испарения.

Если разлить воду, то через некоторое время лужа исчезнет; вещи, намокшие под дождем, обязательно высохнут; даже масляный след, оставшийся на асфальте от неисправного автомобиля, со временем становится почти незаметным. Все эти явления можно объяснить испарением жидкости.

Испарение — это процесс парообразования со свободной поверхности жидкости⁴.

Объясняем процесс испарения и делаем выводы

Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулы жидкости непрерывно движутся, постоянно изменяя как значение, так и направление скорости своего движения. Среди молекул поверхностного слоя жидкости всегда есть такие, которые «пытаются» покинуть ее. Молекулы, которые в определенный момент движутся медленно, не смогут преодолеть притяжение соседних молекул и останутся в жидкости. Но если вблизи поверхности окажется «быстрая» молекула, то ее кинетической энергии будет достаточно, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылететь за пределы жидкости (рис. 13.1).

Ознакомившись с механизмом испарения, можно сделать несколько выводов.

Во-первых, тот факт, что в жидкости всегда есть молекулы, движущиеся сравнительно быстро, позволяет утверждать, что испарение жидкости происходит при любой температуре.

Во-вторых, поскольку в процессе испарения жидкость покидают самые быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Поэтому, если жидкость не получает энергии извне, она охлаждается.

Кроме того, при испарении выполняется работа против сил межмолекулярного притяжения и против сил внешнего давления, поэтому процесс испарения сопровождается поглощением энергии (рис. 13.2).

Выясняем, от чего зависит скорость испарения

Чем выше температура жидкости, тем быстрее жидкость испаряется: с увеличением температуры жидкости увеличивается число «быстрых» молекул, поэтому все больше молекул могут преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылететь за пределы жидкости.

Чтобы высушить вещи, мы иногда кладем их на горячую батарею (рис. 13.3) или гладим. Почему в таких случаях вещи высыхают сравнительно быстро?

Обратим внимание еще на один момент. Стараясь быстро высушить одежду, мы не положим ее на батарею комом, а расправим, так как из опыта знаем, что смятая одежда высыхает намного медленнее. Почему? Потому что скорость испарения зависит от площади свободной поверхности жидкости: чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше на этой поверхности «быстрых» молекул и тем быстрее жидкость испаряется (рис. 13.4).

Нарисуем на стекле или классной доске три фигурки. Одну нарисуем салфеткой, смоченной в спирте, вторую — салфеткой, смоченной в воде, третью — салфеткой, смоченной в растительном масле (рис. 13.5). «Спиртовая» фигурка мгновенно испарится, «водяная» продержится немного дольше, а вот «масляная» будет радовать нас несколько дней. Дело в том, что у разных жидкостей силы притяжения между молекулами разные, а значит, скорость испарения зависит от рода жидкости. Очевидно, что медленнее испаряются те жидкости, молекулы которых сильнее взаимодействуют друг с другом.

Жизненный опыт также подсказывает, что скорость испарения зависит от движения воздуха. Действительно, чтобы быстрее высушить волосы, мы переключаем фен на более мощный режим (рис. 13.6); чтобы охладить обожженную руку, дуем на нее; белье, вывешенное на ветру, сохнет быстрее, чем в безветренном месте. Такую зависимость тоже легко объяснить с точки зрения движения и взаимодействия молекул. Около поверхности жидкости всегда существует «облако» молекул, вылетевших из нее (рис. 13.7). Эти молекулы хаотично движутся, сталкиваются друг с другом и с молекулами других газов, входящих в состав воздуха. В результате молекула жидкости может так близко подлететь к ее поверхности, что будет «захвачена» силами межмолекулярного взаимодействия и возвращена в жидкость. А если есть ветер, то он относит молекулы, вылетевшие из жидкости, и не дает им возможности вернуться.

Если бы молекулы, покидая жидкость, совсем не возвращались в нее, то скорость испарения была бы огромной. Например, при комнатной температуре полный стакан воды испарился бы за 4 минуты, ведь при этих условиях с 1 см² воды ежесекундно вылетает 10²¹ молекул.

Знакомимся с процессом конденсации

Молекулы постоянно вылетают из жидкости, и некоторые из них возвращаются. Таким образом, наряду с испарением, в ходе которого жидкость преобразуются в пар, существует обратный процесс, при котором вещество из газообразного состояния переходит в жидкое.

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Процесс конденсации (от латин. condensatio — сгущение, уплотнение) воды в природе мы наблюдаем каждый день. Так, летним утром на листьях растений мы видим прозрачные капельки росы (рис. 13.8, а). Это сконденсировавшийся водяной пар, который днем вследствие испарения скапливается в воздухе, а ночью, охлаждаясь, конденсируется.

Когда влажный воздух поднимается в высокие слои атмосферы, то, охлаждаясь, он образует облака (рис. 13.8, б). Облака состоят из мелких капелек воды, образовавшихся вследствие конденсации водяного пара. Из таких же мелких капелек воды состоит и туман, который образуется в результате охлаждения влажного воздуха у поверхности Земли (рис. 13.8, в). Поскольку процесс конденсации сопровождается выделением энергии, образование тумана сдерживает снижение температуры воздуха.

Подводим итоги

Тепловой процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Процесс парообразования со свободной поверхности жидкости называют испарением.

Испарение происходит при любой температуре, и оно тем интенсивнее, чем выше температура жидкости. Скорость испарения увеличивается также с увеличением площади свободной поверхности жидкости и вследствие движения воздуха вблизи этой поверхности. Кроме того, интенсивность испарения зависит от рода жидкости.

Тепловой процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Испарение происходит с поглощением энергии. Конденсация, наоборот, сопровождается выделением энергии.

Контрольные вопросы    —

1. Что такое парообразование? 2. Какие способы парообразования вы знаете? 3. Что такое испарение? 4. От каких факторов и почему зависит скорость испарения? Приведите примеры. 5. Что такое конденсация? Приведите примеры конденсации в природе.

Упражнение № 13

1.    Когда лужи после дождя высыхают быстрее — в теплую или прохладную погоду? Почему?

2.    Почему после смачивания руки спиртом ощущение холода сильнее, чем после смачивания водой?

3.    Оставаясь продолжительное время в мокрой одежде или обуви, можно простудиться. Почему?

4.    Для чего в жару собака высовывает язык?

5.    Находясь на улице в морозный день, вы можете наблюдать «пар», идущий изо рта. Что вы видите на самом деле?

6.    Весной, когда интенсивно тает снег, над полями иногда образуется туман. После его рассеяния можно заметить, что количество снега значительно уменьшилось. В народе говорят: «Весенний туман снег съедает». Объясните это утверждение с точки зрения физики.

7. Более 4500 лет тому назад египтяне использовали кувшины, в которых вода оставалась прохладной даже в жаркий день. В средние века охлаждающие кувшины (алькарацца) были распространены у народов Юга. В конце ХХ в. похожее изобретение сделал житель Нигерии Мохаммед Ба Абба. Его «холодильник» называют «pot-in-pot» («горшок в горшке»), он работает без электричества и позволяет продолжительное время сохранять продукты (см. рисунок). Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об охлаждающих сосудах больше. Подготовьте сообщение.

Экспериментальное задание

Возьмите хорошо увлажненную и отжатую хлопчатобумажную салфетку, положите ее на блюдце, а блюдце поставьте в морозильную камеру. Убедитесь, что через некоторое время салфетка затвердеет, а через несколько дней высохнет. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и подготовьте отчет об испарении твердых тел.

Физика и техника в Украине

Михаил Петрович Авенариус (1835-1895) в течение 18651891 гг. работал в Киевском университете. Ученый стал основателем и руководителем киевской школы физиков-эксперимента-торов — первой физической школы в Украине.

основные научные работы М. П. Авенариуса касаются термоэлектрических явлений и молекулярной физики. Ученый предложил и обосновал одну из основных формул термоэлектричества (закон Авенариуса). В области молекулярной физики М. П. Авенариус изучал жидкое и газообразное состояния веществ при изменении температуры и давления. В течение 1873-1877 гг. Μ. П. Авенариус вместе со своими учениками измерил критические температуры многих веществ, вошедшие в физические справочники того времени. Ученый первым указал на то, что в критической точке удельная теплота испарения равна нулю; предложил оригинальную систему распределения переменных токов, был инициатором изучения солнечной радиации и атмосферного электричества.

Усовершенствованная Авенариусом система освещения демонстрировалась на Парижской электротехнической выставке в 1881 г., где получила серебряную медаль, а сам Михаил Петрович был награжден высшей наградой Французской Республики — орденом Почетного легиона.