Что такое парообразование в химии
Химическое испарение, в чем оно состоит, приложения и примеры
химическое испарение это процесс, при котором молекулы жидкости отделяются от ее поверхности и переходят в газообразное состояние. Это процесс, который поглощает энергию и, следовательно, является эндотермическим. Молекулы вблизи поверхности жидкости увеличивают свою кинетическую энергию для испарения.
В результате этого увеличения энергии силы когезии или межмолекулярного притяжения между этими молекулами ослабевают и уходят из жидкой фазы в газовую фазу. В отсутствие границы, где газообразные молекулы оживают и снова проникают в жидкость, все это в итоге полностью испаряется.
В отличие от кипения, испарение может происходить при любой температуре до того, как жидкость закипит. Это явление является причиной, по которой можно наблюдать выбросы водяных паров из лесов, которые при контакте с холодным воздухом конденсируют микро-капли воды, придавая им белый цвет..
Конденсация является обратным процессом, который может или не может установить равновесие с испарением, которое происходит в жидкости.
Существуют факторы, которые влияют на испарение, такие как: скорость процесса или количество молекул, которые могут испаряться из жидкости; природа или тип жидкости; температура, при которой жидкость подвергается воздействию, или если она находится в закрытом или открытом контейнере, подверженном воздействию окружающей среды.
Еще один пример химического испарения происходит в нашем организме: при потоотделении часть потовой жидкости испаряется. Испарение пота оставляет холодное ощущение в организме из-за испарения охлаждения.
Из чего состоит испарение??
Он состоит из способности или свойства молекул, расположенных на поверхности жидкости, превращаться в пар. С термодинамической точки зрения поглощение энергии требуется для того, чтобы произошло испарение.
Кинетическая энергия или энергия, которая является продуктом движения частиц тела, максимальна в газообразном состоянии.
Силы сцепления
Чтобы эти молекулы вышли из жидкой фазы, они должны увеличить свою кинетическую энергию, чтобы они могли испариться. С увеличением кинетической энергии сила сцепления молекул вблизи поверхности жидкости уменьшается.
Обратный процесс испарения называется конденсацией: молекулы, находящиеся в газообразном состоянии, возвращаются в жидкую фазу. Это происходит, когда молекулы в газообразном состоянии сталкиваются с поверхностью жидкости и снова оказываются в ловушке в жидкости.
Факторы, участвующие в химическом испарении
Существует множество факторов, которые влияют на процесс испарения, способствуя или препятствуя этому процессу. Этот тип жидкости, температура, наличие воздушных потоков, влажность окружающей среды, среди многих других факторов.
природа жидкости
У каждого типа жидкости будет своя сила сцепления или притяжения, которая существует между молекулами, которые ее составляют. В маслянистых жидкостях, таких как масло, испарение обычно происходит в меньшей пропорции, чем в этих водных жидкостях..
Например, в воде силы когезии представлены водородными мостиками, которые установлены между их молекулами. Атомы H и O, составляющие молекулу воды, удерживаются вместе полярными ковалентными связями.
Кислород является более электроотрицательным, чем водород, что облегчает для молекулы воды установление водородных связей с другими молекулами.
Температура
Температура является фактором, который влияет на кинетическую энергию молекул, которые образуют жидкости и газы. Для выхода молекул с поверхности жидкости требуется минимальная кинетическая энергия..
При низкой температуре доля молекул жидкости, которые обладают достаточной кинетической энергией для испарения, мала. То есть, при низкой температуре испарение, которое дает жидкость, будет меньше; и, следовательно, испарение будет медленнее.
Напротив, испарение будет увеличиваться с повышением температуры. С повышением температуры также будет увеличиваться доля молекул жидкости, которые приобретают кинетическую энергию, необходимую для испарения.
Закрытый или открытый контейнер
Химическое испарение будет различным в зависимости от того, закрыт ли контейнер, в котором находится жидкость, или открыт для воздуха..
Если жидкость находится в закрытом контейнере, молекулы, которые испаряются, быстро возвращаются в жидкость; то есть они конденсируются при столкновении с физической границей, такой как стены или крышка.
В этом закрытом сосуде устанавливается динамическое равновесие между процессом испарения, которому подвергается жидкость, и процессом конденсации..
Если контейнер открыт, жидкость может непрерывно испаряться даже до ее общего количества в зависимости от времени пребывания на воздухе. В открытом контейнере нет возможности установить баланс между испарением и конденсацией..
Когда контейнер открыт, жидкость подвергается воздействию окружающей среды, которая способствует диффузии испаренных молекул. Кроме того, воздушные потоки вытесняют испаренные молекулы, заменяя их другими газами (в основном азотом и кислородом)..
Концентрация испаренных молекул
Концентрация, которая существует в газовой фазе испаряющихся молекул, также является определяющей. Этот процесс испарения будет уменьшаться при высокой концентрации испаряющегося вещества в воздухе или окружающей среде..
Также, когда в воздухе присутствует высокая концентрация различных испаряемых веществ, скорость испарения любого другого вещества уменьшается.
Такая концентрация испаряемых веществ возникает в основном в тех случаях, когда отсутствует адекватная рециркуляция воздуха..
Давление и площадь поверхности жидкости
Если на поверхности жидкости оказывается меньше давления, испарение этих молекул будет более благоприятным. Чем шире площадь открытой поверхности жидкости для воздуха, тем быстрее произойдет испарение.
приложений
Испарительное охлаждение
Уже ясно, что только молекулы жидкости, которые увеличивают свою кинетическую энергию, изменяют свою жидкую фазу на газовую фазу.. Одновременно в молекулах жидкости, которые не уходят, происходит уменьшение кинетической энергии с понижением температуры..
Температура жидкости, которая все еще сохраняется в этой фазе, понижается, охлаждается; Этот процесс называется испарительным охлаждением. Это явление позволяет объяснить, почему жидкость, не испаряющаяся при охлаждении, может поглощать тепло из окружающей среды.
Как уже упоминалось выше, этот процесс позволяет регулировать температуру тела нашего тела. Этот процесс испарительного охлаждения также используется для охлаждения сред за счет использования испарительных охладителей..
Сушка материалов
-Испарение на промышленном уровне используется для сушки различных материалов, сделанных из ткани, бумаги, дерева и других..
-Процесс испарения также служит для разделения растворенных веществ, таких как соли, минералы, среди других растворов жидких растворов..
-Испарение используется для сушки предметов, образцов.
-Позволяет восстанавливать многие химические вещества или продукты.
Сушка веществ
Этот процесс необходим для сушки веществ в большом количестве биомедицинских и исследовательских лабораторий в целом..
Существуют центробежные и роторные испарители, которые используются для максимального удаления растворителей нескольких веществ одновременно. В этих устройствах или специальном оборудовании концентрируются образцы, которые медленно подвергаются вакууму до процесса испарения..
примеров
-Пример химического испарения происходит в организме человека, когда представлен процесс потоотделения. Потоотделение испаряется, тело имеет тенденцию к охлаждению и наблюдается снижение температуры тела.
Этот процесс испарения пота и последующего охлаждения тела способствует регуляции температуры тела.
-Сушка белья также осуществляется благодаря процессу испарения воды. Одежда уложена так, что воздушный поток вытесняет газообразные молекулы и, таким образом, происходит большее испарение. Также влияет здесь температура или тепло окружающей среды и атмосферное давление.
-При производстве лиофилизированных продуктов, которые хранятся и продаются в сухом виде, таких как сухое молоко, лекарственные средства, среди прочего, также происходит испарение. Однако это испарение происходит в вакууме, а не при повышении температуры..
Виды изменений жидкости при нагревании
Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое. Понятие это более общее, чем положение о твёрдой, жидкой и газообразной формах. Различные фазы могут находиться в пределах одного физического положения воды и называются сообразно физике процесса. Определения переходов жидкости под влиянием температуры:
Переход вещества из газообразной формы в жидкость — обратное превращению воды в пар действие, называется конденсацией. При этом всегда выделяется энергия, почему и требуется отводить теплоту от вещества для поддержания процесса. Температура перехода совпадает с точкой кипения.
Процессы парообразования и испарения
Причиной распада жидкости с выветриванием из вещества лёгких фракций считается разница температур на границе фазного перехода: воздух обычно теплее жидкости, что и вызывает испарение. Процесс протекает медленно, когда ему не способствуют внешние факторы, отличается от кипения тем, что отделение пара происходит только с водной поверхности.
Если естественное парообразование с зеркальной глади озера может быть незаметным, то процесс перехода в пар кипением всегда является интенсивным. Наглядный пример бурного природного парообразования — гейзер, выбрасывающий из недр под давлением горячую воду с паром. На способность жидкости испаряться быстрее или медленнее влияют несколько факторов:
Для определения количества теплоты, необходимого для превращения 1 кг жидкости в пар, используется физическая величина, обозначаемая в физике буквой L. У воды при температуре 0ºС этот показатель равен 2500 кДж/кг, а в стадии кипения удельная теплота парообразования меньше — 2260. Для сравнения: у этилового спирта L =906, у эфира — 356 кДж на кг. Величина L =0 у воды при 374,15ºС.
Рассчитать кипящую жидкость на нужное для перехода в пар количество теплоты можно по формуле Q = L *m.
Образование конденсата как завершение цикла
Одновременно с испарением при температуре кипения вещества происходит его превращение в жидкость. Хаотичное движение молекул над поверхностью воды или другого текучего субстрата приводит к их столкновению, а при совпадении векторов скорости в направлении к жидкости происходит возврат капель в кипящую среду. Конденсация длится на протяжении всего времени кипения, то есть пока температура остаётся равной 100ºС, если это вода. Другая часть испарившихся молекул улетучивается в атмосферу. В разных обстоятельствах взаимодействие парообразования и конденсации отличается:
Парообразование, составляющими которого являются испарение и кипение, всегда завершается конденсацией. В природе благодаря этим процессам непрерывно осуществляется водообмен между морями, реками, сушей, атмосферой.
Круговорот воды обеспечивает окружающий человека мир и его самого полезными веществами, способствует сохранению естественной среды обитания живых организмов.
Парообразование и конденсация
Жидкости могут превращаться в пар – такой процесс называют парообразованием. Существует и обратный процесс – конденсация, во время которого молекулы пара возвращаются в жидкость. Разберем эти процессы подробнее.
Процесс образования пара — парообразование
Жидкости имеют свойство переходить из жидкого состояния в газообразное — пар. Превращение жидкости в пар называется парообразованием.
Примечание: Словосочетание «Образование пара» физики часто заменяют словом «Парообразование».
Парообразование – это превращение жидкости в пар (газ).
Нальем в емкость какую-либо жидкость — например, воду, эфир, спирт, бензин, и т. п. Если не накрывать емкость крышкой, то через некоторое время количество жидкости в емкости уменьшается. Это происходит из-за парообразования.
Когда парообразование происходит на поверхности, его называют испарением.
Испарение – это образование пара на поверхности жидкости. Жидкости испаряются при любой температуре.
Примечание: Жидкости могут превращаться в пар с помощью двух процессов – испарения и кипения (ссылка).
Что происходит во время испарения
Во время испарения:
Почему при быстром испарении температура жидкости ощутимо понижается
Мы знаем, что температура влияет на скорость движения молекул.
При одной и той же температуре скорости соседних молекул немного различаются. Одни молекулы будут двигаться несколько быстрее других.
Часть молекул будет двигаться насколько быстро, что преодолеет притяжение соседних молекул жидкости и покинет ее. Такие молекулы испаряются и уносят с собой энергию.
Испарение – это эндотермический процесс. Он происходит с поглощением энергии.
Куда тратится полученная энергия? Ее забирают с собой испарившиеся молекулы, вылетевшие из жидкости.
Примечание: Из-за потерь тепловой энергии при испарении температура жидкости понижается. Чем быстрее испаряется жидкость, тем сильнее понижается ее температура.
Если же испарение происходит медленно, то потери теплоты успевают восполниться. Молекулы окружающего воздуха будут отдавать часть своей (тепловой) энергии молекулам жидкости и ее температура значительно понижаться не будет.
При быстром испарении температура жидкости понижается, а при медленном –значительно понижаться не успевает, так как теплопотеря восполняется из окружающей среды.
Могут ли испаряться твердые тела
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела.
Жителям северных районов известно, что кусочки льда, не прикрытые снегом, со временем уменьшаются в размерах. Происходит выветривание льда. Лед испаряется даже при минусовой температуре воздуха.
Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение твердых тел физики называют словом «сублимация» (или взгонка).
От чего зависит скорость испарения
Скорость, с которой вещество испаряется, зависит от:
Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.
Как влияет на испарение род вещества
Из жизненного опыта известно, что некоторые жидкости испаряются быстрее, другие — медленнее.
Возьмем воду и ацетон при одинаковой температуре и сравним скорости их испарения.
Если капнуть ацетон на руку, он начнет быстро испаряться и в месте контакта мы будем ощущать холод.
Примечание: Ощущение холода возникает из-за того, что испаряющиеся молекулы уносят с собой тепловую энергию.
А если руку смочить водой, то значительного ощущения холода не возникает.
Вода будет испаряться медленнее, потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы ацетона. Из-за этого, скорость испарения воды меньше скорости, с которой испаряется ацетон.
Примечание: Обычно, вместо фразы «Молекулы притягиваются сильно» физики говорят: «Потенциальная энергия взаимодействия молекул велика».
Быстро испаряющиеся вещества химики иногда называют летучими. Примерами таких летучих веществ могут служить медицинский спирт, бензин, ацетон и т. п. Такие вещества хорошо испаряются, потому, что невелики силы притяжения между их молекулами.
Скорость испарения зависит от рода вещества. В быстро испаряющихся веществах малы силы притяжения между молекулами.
Как влияет на испарение движение воздуха над поверхностью
Скорость испарения жидкости возрастает, когда воздух над ее поверхностью приходит в движение.
Некоторые испаряющиеся молекулы не имеют запаса кинетической энергии, чтобы улететь подальше от своей жидкости. Они остаются близко к поверхности и спустя какое-то время возвращаются назад в жидкость. Движение воздуха эти вылетевшие молекулы подхватывает и уносит, не давая им вернуться назад. Из-за этого, скорость испарения жидкости увеличивается.
Если подуть на мокрую руку, мы почувствуем ощущение прохлады отчетливее. Возникшее движение воздуха увеличило количество испаряющихся молекул. И теперь из жидкости уходит больше тепловой энергии. Это повлияло на усиление ощущения холода.
Когда над поверхностью жидкости движется воздух, жидкость испаряется быстрее.
Как влияет на испарение площадь поверхности жидкости
Нальем одинаковое количество воды в стакан и в блюдечко. Оставим эти емкости на столе на некоторое время. Через несколько дней мы заметим, что в стакане количество воды уменьшилось, а из блюдца вода испарилась полностью. Вода из блюдца испарилась быстрее, потому, что имела большую площадь поверхности.
Процесс испарения происходит у поверхности жидкости. Поэтому, чем больше поверхность жидкости, тем быстрее будет испаряться жидкость.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем быстрее испаряется жидкость.
Как влияет на испарение температура
Жидкости испаряются при любой температуре. А с ростом температуры скорость испарения возрастает. Потому, что возрастает количество молекул, обладающих энергией, достаточной, чтобы покинуть жидкость.
Примечание: Зависимость испарения от температуры в некоторых учебниках описывают так: При повышении температуры все большее количество молекул жидкости имеют кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию взаимодействия с соседними молекулами. Поэтому, с ростом температуры, скорость испарения жидкости возрастает.
Скорость испарения жидкости зависит от ее температуры. Чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость.
Примечание: Процесс образования пара в одних случаях называют испарением, а в других – кипением (ссылка).
Какой пар называют насыщенным
Из-за испарения воздух над жидкостью всегда содержит какое-то количество молекул, вылетевших из жидкости. Некоторые из испарившихся молекул могут вернуться обратно в жидкость. Рассмотрим процесс испарения и возвращения молекул подробнее. Для этого сопоставим, как происходит испарение в закрытом и открытом сосудах.
Сравним испарение в открытом и закрытом сосудах
Рассмотрим сосуд, например, кастрюльку, в которой происходит испарение жидкости.
Поначалу накрывать крышкой ее не будем. Молекулы, вылетевшие из открытого сосуда, будут уноситься движением окружающего кастрюльку воздуха. Благодаря этому масса жидкости в открытом сосуде со временем уменьшится.
Если же емкость накрыта крышкой (пробкой), то часть испарившихся молекул будет возвращаться обратно в жидкость. Потому, что в закупоренном сосуде нет движения больших масс воздуха над жидкостью. Поэтому, некоторые из испарившихся молекул вернутся из воздуха обратно в жидкость.
Масса жидкости, находящейся в закупоренном сосуде, со временем не меняется. Поэтому, жидкости хранят в сосудах, плотно закупоренных пробками.
Что такое динамическое равновесие пара и жидкости
Пусть жидкость находится в закрытом сосуде и испаряется. Поначалу, количество испаряющихся молекул увеличивается. Плотность пара, находящегося над жидкостью, возрастает.
Некоторые из вылетевших молекул возвращаются обратно в жидкость. Но при этом число вылетевших молекул, больше числа вернувшихся обратно.
Пар над жидкостью ненасыщенный, когда число вылетевших молекул больше числа вернувшихся в жидкость.
Время течет и плотность пара над жидкостью продолжает возрастать. Будет возрастать и количество вернувшихся в жидкость молекул.
А когда число вылетевших молекул сравняется с числом вернувшихся, плотность пара станет максимальной.
Теперь, если несколько молекул вылетит из жидкости, то такое же количество других молекул из пара вернется обратно в жидкость.
Такое состояние пара и жидкости называют динамическим равновесием. А пар называют насыщенным.
Пар над жидкостью насыщенный, когда число вылетевших молекул равно числу вернувшихся в жидкость. Такое состояние пара и жидкости — динамическое равновесие. Плотность насыщенного пара – самая высокая при любой выбранной температуре. Чем выше температура, тем больше будет плотность насыщенного пара.
Примечание: Плотность – это масса в объеме. Плотность измеряют в килограммах, деленных на кубический метр. Плотность отвечает на вопрос: «Какова масса одного кубометра вещества?».
Где применяется испарение
Благодаря испарению высыхают развешенные для просушки постиранные вещи.
На электро- и теплостанциях используются большие испарительные колонны – градирни. Они, благодаря испарению, охлаждают большое количество воды, использующейся там для технических нужд.
В кондиционерах и холодильниках применяют высоко летучие жидкости. Испаряясь, эти жидкости охлаждают воздух в помещениях или продукты, хранящиеся внутри холодильника.
И даже в космонавтике процесс испарения играет важную роль. Корпуса спускаемых космических аппаратов покрывают веществами, способными быстро испаряться. Проходя через атмосферу, оболочка капсулы разогревается. А вещество покрытия, испаряясь, охлаждает капсулу и спасает находящихся внутри космонавтов от действия высоких температур.
Что такое конденсация
Если закупоренный прозрачный сосуд с водой из теплого места переместить в прохладное, то через некоторое время на стенках этого сосуда появятся капельки.
Капли жидкости на стенках появляются потому, что существует процесс, обратный испарению. Во время такого процесса молекулы из пара возвращаются обратно в жидкость.
Свое название – конденсация — этот процесс получил от латинского слова «Конденсаре» — сгущать.
Конденсация – это переход молекул из пара в жидкость, процесс обратный парообразованию.
Круговорот воды в природе происходит благодаря процессам конденсации и испарения. Конденсация – это причина появления росы и осадков.
Что происходит во время конденсации
Во время конденсации происходит смена агрегатного состояния вещества:
Дело в том, что молекулы, находящиеся в жидкости, будут двигаться медленнее молекул пара. Когда молекулы пара конденсируются в жидкость, их кинетическая энергия уменьшается. Излишки энергии передаются в окружающую среду.
Процесс конденсации – экзотермический процесс, потому, что при конденсации в окружающую среду выделяется энергия.