Evaporare

Evaporarea  este procesul de tranziție de fază a unei substanțe de la starea lichidă la starea de vapori sau gazos , care are loc pe suprafața unei substanțe [1] . În timpul evaporării, particulele (molecule, atomi) zboară (se rup) de pe suprafața unui lichid sau solid, în timp ce energia lor cinetică trebuie să fie suficientă pentru a efectua munca necesară pentru a depăși forțele de atracție de la alte molecule ale lichidului [2]. ] . În timpul procesului de evaporare, energia extrasă din lichidul evaporat scade temperatura lichidului, rezultând răcirea evaporativă [3] .

În medie, doar o fracțiune din moleculele lichide au suficientă energie termică pentru a ieși din lichid. Procesul de evaporare este inversul procesului de condensare (tranziția de la vapori la lichid). Evaporarea va continua până la atingerea unui echilibru, timp în care evaporarea lichidului este egală cu condensarea acestuia. Într-un spațiu închis, lichidul se va evapora până când aerul din jur devine saturat.

Caracteristici generale

Un lichid rămas într-o farfurie se va evapora complet deoarece în orice moment există în el molecule care sunt suficient de rapide (cu suficientă energie cinetică ) pentru a depăși forțele intermoleculare de atracție de pe suprafața lichidului și a-l părăsi. Temperatura lichidului care se evaporă trebuie să scadă, deoarece moleculele care îl părăsesc iau energie cinetică. Viteza de evaporare crește odată cu creșterea temperaturii.

Evaporarea este însoțită de procesul invers - condensarea vaporilor . Dacă vaporii de deasupra suprafeței lichidului sunt saturati , atunci se stabilește un echilibru dinamic între procese, în care numărul de molecule care părăsesc lichidul pe unitatea de timp este egal cu numărul de molecule care se întorc la acesta. Dacă vaporii de deasupra lichidului sunt nesaturați, atunci evaporarea va continua până când vaporii devin saturati sau până când lichidul este complet uscat.

Evaporarea este însoțită de o scădere a temperaturii, deoarece moleculele cu o energie care depășește energia medie zboară din lichid. Cantitativ, calorimetria de vaporizare se caracterizează prin căldura specifică de vaporizare .

Vântul contribuie la creșterea ratei de evaporare . Îndepărtează moleculele de vapori de pe suprafața lichidului, împiedicând stabilirea echilibrului dinamic. Pentru evaporarea rapidă a lichidului și uscarea asociată acestuia, se folosesc fluxuri de aer cald. Un exemplu de utilizare ar fi un uscător de păr de uz casnic .

Viteza de evaporare este determinată de densitatea de suprafață a fluxului de vapori care pătrunde pe unitatea de timp în faza gazoasă dintr-o suprafață unitară a lichidului. Cea mai mare valoare a densității fluxului de vapori la suprafață este obținută în vid . În prezența unui mediu gazos relativ dens deasupra lichidului, evaporarea încetinește.

Evaporarea unui corp solid se numește sublimare (sublimare), iar vaporizarea în volum și pe suprafața liberă a unui lichid se numește fierbere. Evaporarea este un proces endotermic în care este absorbită căldura de tranziție de fază - căldura de evaporare cheltuită pentru depășirea forțelor de coeziune moleculară în faza lichidă și pentru munca de dilatare în timpul transformării lichidului în vapori.

Procesul de evaporare depinde de intensitatea mișcării termice a moleculelor : cu cât moleculele se mișcă mai repede, cu atât mai rapid are loc evaporarea. În plus, evaporarea este afectată de viteza de difuzie externă (în ceea ce privește substanța) , precum și de proprietățile substanței în sine: de exemplu, alcoolii se evaporă mai repede decât apa. Un factor important este, de asemenea, suprafața lichidului din care are loc evaporarea: dintr-un pahar îngust va apărea mai lent decât dintr-o placă largă.

Descriere matematică

Cel mai simplu model de evaporare a fost creat de Dalton. Conform ecuației sale, cantitatea de substanță evaporată dintr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp este [4] :

unde  este viteza de evaporare molară (mol/m² s), și  sunt concentrațiile de vapori pe suprafața substanței și în spațiul înconjurător, și  sunt presiunile parțiale de vapori de pe suprafața lichidului și în spațiul înconjurător, și  sunt coeficienții de proporționalitate.

Dacă lichidul tocmai a început să se evapore sau aerul uscat intră constant în stratul de suprafață, atunci , iar viteza de evaporare este maximă. Coeficienții la rândul lor pot fi exprimați ca [5] :

unde  este numărul Nusselt , și  sunt coeficienții de difuzie legați de gradienții de presiune și, respectiv, de concentrație, - dimensiunea caracteristică (de exemplu, diametrul picăturilor).

Presiunea în cel mai simplu model este egală cu presiunea vaporilor de saturație la temperatura lichidului. Dependența sa de temperatură este descrisă aproximativ de o lege exponențială [6] :

Această dependență este încălcată pentru temperaturi ridicate (aproape de punctul de fierbere) [7] .

Mai precis, viteza de evaporare poate fi determinată din ecuația Hertz-Knudsen [8] :

unde  este greutatea moleculară (în SI, apoi mol \ kg),  este un coeficient mai mic sau egal cu unul legat de probabilitatea ca o moleculă să fie reflectată de la suprafața unui lichid atunci când aceasta cade pe ea din aer.

depinde puternic de contaminarea pe suprafața lichidului și poate fi de ordinul 10 −4 dacă contaminarea este semnificativă [9] .

Ecuația a fost scrisă de Hertz după studii efectuate în anii 1880 și rafinată de Knudsen în 1915. În 1913, Irving Langmuir a arătat că aceeași ecuație descrie și evaporarea de pe suprafața solidelor ( sublimare ) [9] .

Istorie

Fenomenul de evaporare este cunoscut din cele mai vechi timpuri. Hesiod a mai scris că ploaia se formează din apa care iese din râuri [10] . Autorii de mai târziu au interpretat corect norii ca rezultat al evaporării apei din mări și au indicat Soarele drept cauza evaporării și au atras atenția și asupra faptului că vântul accelerează rata de evaporare [11] . Heraclit și Diogenes Laertes au făcut distincția între cei care emit evaporare de la suprafața apei și suprafața corpurilor umede [12] . Filosofii antici au recurs adesea la concepte spiritualiste care explică procesele fizice, de exemplu, au scris că sufletul întregii lumi se formează prin evaporare. Se mai știa că la evaporare, sarea dizolvată rămâne [12] .

Aristotel este considerat cel mai influent filosof antic . În lucrarea sa „Meteorologie” ( greacă Τα μετεωρολογικά ) el a dezvoltat teoria a doi vapori ai lui Heraclit și a susținut că evaporarea de la suprafața mării și suprafața pământului sunt fundamental diferite: prima este cauza ploii și a doua este cauza vântului. Această concluzie surprinzătoare s-a datorat faptului că Aristotel nu credea că vântul este doar mișcarea aerului. El a scris că, la fel cum orice apă în mișcare nu se numește râu, așa cum vântul nu este o simplă mișcare a aerului. Atât râul, cât și vântul trebuie să aibă o scurgere , iar în cazul vântului, el a considerat că o astfel de scurgere este „fumul” format când pământul se usucă [13] .

Pe de altă parte, Teofrast , un adept al lui Aristotel, a evaluat mai corect legătura dintre vânt, Soare și evaporare. Astfel, a presupus corect că vântul accelerează evaporarea, deoarece îndepărtează aburul deja format din apă. De asemenea, nu a susținut părerile lui Aristotel cu privire la semnificația specială a evaporării de pe pământ și a scris că „mișcarea aerului este vânt” [14] .

Autori romani precum Pliniu și Lucretius au scris și despre natura evaporării și relația ei cu vremea, dar în mare parte au dezvoltat doar teoriile filozofilor greci [14] . Pe lângă explicarea vremii, oamenii de știință greci și romani au apelat la evaporare pentru a explica o altă problemă - de ce mările nu se revarsă, deși râurile toarnă în mod continuu apă în ele [15] .

Susținută de autoritatea lui Aristotel, teoria dublei evaporări a dominat știința europeană până la începutul Renașterii [16] . Unul dintre primii oameni de știință care a încercat să o respingă a fost Rene Descartes . În Meteora (1637), el a scris că lumina soarelui ridică particule de apă în același mod în care praful se ridică în timpul mersului. În același timp, el a considerat evaporarea de la suprafața corpurilor umede în același mod, deoarece credea că corpurile solide devin umede atunci când particulele de apă pătrund între particulele mari ale unui corp solid. Descartes a negat și natura specială a vântului și a considerat că este mișcarea obișnuită a aerului. Motivul pentru care lichidele se evaporă și solidele nu, a văzut el în suprafața mai netedă a particulelor de apă, ceea ce le face ușor de separat unele de altele, în timp ce particulele de solide se agață mai puternic unele de altele [17] .

Primul studiu experimental al evaporării a fost făcut de Pierre Perrault . În iarna rece a anilor 1669-1670, a pus afară 7 kilograme de apă rece. După 18 zile, a înregistrat că o liră a dispărut. Aceasta nu a fost prima observație că evaporarea ar putea avea loc și la frig, dar a fost prima măsurare experimentală a intensității acestui proces. Perrault a investigat, de asemenea, evaporarea altor lichide decât apa, cum ar fi uleiul [17] . Un alt fizician care a studiat evaporarea a fost Edmond Halley . A măsurat viteza cu care apa iese din tuburile subțiri. Rezultatele sale (0,1 inch în 12 ore) i-au permis să afirme că această apă formează ploaie, rouă etc. [18] . Ipotezele lui Halley despre mecanismul evaporării diferă de cele ale lui Descartes. Deci, el a scris că, dacă atomii de apă cresc în diametru de 10 ori, densitatea lor va deveni mai mică decât densitatea aerului și vor începe să „plutească”. De asemenea, a comparat procesele de evaporare a apei în aer cu procesul de dizolvare a sării în apă [18] . Halley a scris că acțiunea combinată a soarelui și a vântului este cauza evaporării.

Abordările lui Halley și Descartes au dat naștere la două abordări populare pentru a explica evaporarea. Potrivit unuia, apa s-a „dizolvat” în aer (ceea ce însemna că în absența aerului nu ar avea loc evaporarea), iar după altul, particulele de apă pur și simplu s-au desprins din masa principală [19] .

Matematicianul francez Sédille a făcut mult pentru a studia experimental evaporarea, deoarece avea nevoie de aceste date pentru a rezolva o problemă de inginerie - calculând cât de repede se va evapora apa din fântânile Versailles. A experimentat timp de 3 ani, din 1688 până în 1690. Conform măsurătorilor sale, aproximativ 88 de centimetri de apă s-au evaporat în acea zonă într-un an și doar aproximativ două treimi din această cantitate s-au întors sub formă de precipitații. El a remarcat, de asemenea, că apa s-a evaporat dintr-un recipient lat mai repede decât dintr-unul îngust (Sedili a folosit mai multe recipiente de cupru pentru experiment) [20] .

În 1744, Desaguliers a sugerat că evaporarea este de natură electrostatică (particulele lichide sunt respinse din masa principală, deoarece au aceeași sarcină), dar experimentele nu au demonstrat un efect puternic al electricității [19] .

În a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, s-a demonstrat că evaporarea în vid este mai lentă decât în ​​aer și, de asemenea, că umiditatea aerului reduce intensitatea evaporării, ceea ce a sporit popularitatea teoriei dizolvării [21] .

În 1757, Franklin a descris efectul de răcire al evaporării (a observat că un termometru umezit cu alcool arăta o temperatură cu 6 grade sub cea uscată) [21] .

În 1802, John Dalton a fost primul care a scris o ecuație care a făcut posibilă calcularea cantității de apă care se evapora de la suprafață într-un anumit timp [21] .

În 1862, Thomas Tate a construit dispozitivul „Evaporametru” ( greacă evaporametru ) pentru a măsura viteza de evaporare și a arătat că aceasta este proporțională cu viteza vântului peste apă [22] . Ulterior, Wilenmann a corectat ecuația Dalton, ținând cont de faptul că temperatura apei este mai mică decât temperatura aerului ambiant datorită faptului că evaporarea o răcește [23] .

Ecuații și mai precise au fost scrise după o serie de experimente de înaltă precizie ale lui Stefan (1873), Hertz (1882) și Knudsen (1915) [24] și datorită descoperirii legii Stefan-Boltzmann [25] .

Evapotranspirația

Evapotranspirația  este evaporarea de pe suprafața pământului , inclusiv transpirația plantelor . Recent, termenul „ evapotranspirație ” a început să fie folosit pentru evapotranspirație. Evapotranspirația este exprimată în mm de coloană de apă și se corelează cu bioproductivitatea ecosistemelor . Evapotranspirație potențială - cantitatea de apă care ar putea fi eliberată prin evapotranspirație într-un anumit regim de temperatură și umiditate cu o cantitate în exces de apă. Evapotranspirația reală este masa de apă care este returnată în atmosferă de plante într-un loc dat. Tratat ca opusul precipitațiilor (în general sub evapotranspirația potențială). Evapotranspirația reală oriunde în lume este determinată de temperatură.

Există o altă caracteristică a evaporării - volatilitatea. Evaporarea este înțeleasă ca evaporarea potențială (nelimitată de rezervele de apă) într-o zonă dată în condițiile atmosferice existente.

Viteza de evaporare a apei

Evaporarea apei de la 1 m² (în kg/h) în funcție de temperatura apei și de condițiile de mediu
Temperatura apei aer calm Mișcarea medie a aerului Extracție puternică a aerului
cincisprezece 0,425 0,546 0,670
treizeci 1.056 1.365 1.664
cincizeci 3.081 3.955 4.853
75 9.666 12.405 15.597
100 25.463 32.077 40.105

Note

  1. ↑ definiția deșeurilor . Dictionary.com . Preluat la 23 ianuarie 2018. Arhivat din original la 22 ianuarie 2018.
  2. ↑ The New Student's Reference Work (1914) . - 1914. - P. 636. Arhivat la 9 decembrie 2021 la Wayback Machine
  3. ↑ Lohner, Science Buddies, Svenja . Chilling Science : Răcire prin evaporare cu lichide  , Scientific American . Arhivat din original pe 24 martie 2022. Preluat la 8 februarie 2022.
  4. ↑ Bolşakov, Gulin, Torichnev, 1965 , p. 95.
  5. ↑ Bolşakov, Gulin, Torichnev, 1965 , p. 96.
  6. ↑ Bolşakov, Gulin, Torichnev, 1965 , p. 99.
  7. ↑ Bolşakov, Gulin, Torichnev, 1965 , p. 100.
  8. ↑ Meissel, Glang, 1977 , p. 37.
  9. ↑ 1 2 Meissel, Glang, 1977 , p. 38.
  10. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 12.
  11. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 13.
  12. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. paisprezece.
  13. ↑ Brutsaert, 1982 , p. cincisprezece.
  14. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 16.
  15. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 19.
  16. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 25.
  17. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 26.
  18. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 27.
  19. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 29.
  20. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 28.
  21. ↑ 1 2 3 Brutsaert, 1982 , p. treizeci.
  22. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 32.
  23. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 33.
  24. ↑ Evaporation Mechanism Arhivat 19 iulie 2018 la Wayback Machine  (rusă)
  25. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 36.

Literatură

Link -uri