Випаровування

Розвісили білизну, а вона й висохла. Чай розлили, калюжа довго висихає, а якщо “розмазати” – процес піде швидше. Загалом у житті багато чого випаровується, хочемо ми цього чи ні.

Випаровування: що це за процес

Процес переходу з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням. Цей процес має два різновиди: випар та кипіння.

Наприклад, ми заварили собі гарячий чай. Над чашкою ми точно побачимо пару, тому що вода щойно взяла участь у процесі кипіння.

Зачекайте, адже ми щойно сказали, що кипіння і випаровування — різні речі. Це дійсно так, при цьому ці два процеси можуть відбуватися паралельно.

• Випарювання — це перетворення або перехід рідини на газ (пар) з вільної поверхні рідини за температури нижче температури кипіння. Якщо поверхня рідини відкрита і з неї починається перехід речовини з рідкого стану в газоподібний, це буде називатися випаровуванням.
• Кипіння — процес інтенсивного пароутворення, що відбувається в рідині за певної температури.

Випаровування може відбуватися і без кипіння, просто тоді воно не буде для нас помітним. Наприклад, вода в озері випаровується, хоча ми цього й не помічаємо. Кипіння по суті — це інтенсивне випаровування, яке викликали зовнішніми умовами — довівши речовину до температури кипіння.

Фізика пояснює випаровування тим, що рідина зазвичай дещо холодніша за навколишнє повітря — через різницю температур відбувається випаровування. Начебто це фазовий перехід, про який ми говоримо в статті про агрегатні стани.

Якщо немає якихось зовнішніх впливів, випаровування рідин відбувається вкрай повільно. Молекули залишають рідину через явища дифузії.

Цікаво те, що напрям теплових потоків при випаровуванні може йти в різній послідовності та комбінаціях:

• з глибини рідини до поверхні, а потім у повітря;
• тільки з рідини до поверхні;
• до поверхні з води та газового середовища одночасно;
• до площі поверхні тільки від повітря.

Підсумуємо, щоб не заплутатися: у чому головна різниця між випаром і кипінням:

Випаровування	Кипіння
За будь-якої температури, з поверхні рідини	При певній температурі у всьому об’ємі рідини

Випарювання на рівні молекул

Згадаймо про особливості різних агрегатних станів речовини.

Агрегатні стани	Властивості	Розташування молекул	Відстань між молекулами	Рух молекули
Твердий	зберігає форму та об’єм	в кристалічній решітці	співвідноситься з розміром молекул	вагається біля свого положення в кристалічній решітці
Рідкий	зберігає об’єм	хаотично	близько один до одного	малорухливі, при нагріванні швидкість руху молекул збільшується
Гази	займають наданий об’єм	хаотично	більше розмірів молекул	хаотичний та безперервний

З цієї таблиці видно, що молекули в рідинах знаходяться близько один одному, але хаотично, тобто не мають кристалічних ґрат, як у твердих тілах. Ці молекули рухаються (причому, що стоїть температура, тим швидше рухаються) і під час руху зіштовхуються. Зіткнення змінюють напрямок і швидкість руху – через це молекули іноді швидко прямують до поверхні рідини і вилітають із неї. Це і є випаровування.

У попередньому абзаці ми не випадково помітили, що молекули рухаються швидше при збільшенні температури — адже через це випаровування йде інтенсивніше. В цьому випадку відбувається охолодження: нагріту рідину вже залишили всі найшвидші молекули і температура рідини знижується.

Чому якщо облити людину теплою водою — їй стає холодніше? Саме тому, що нагріту рідину швидко залишають швидкі молекули, і температура рідини знижується.

Інтенсивність випаровування

Інтенсивністю випаровування називають кількість води, яка випаровується з поверхні площею 1 см2 за одну секунду.

Інтенсивність випаровування залежить від таких факторів:

• Температура поверхні. Що температура, тим більше випаровування. Після дощу у Санкт-Петербурзі вулиці довгий час залишаються вологими, а ось у Таїланді навіть у сезон дощів все висихає швидко – через високу температуру. Але це тільки якщо в сезон дощів дощ примудрився припинитися 🙂
• Вітер. Чим більше швидкість вітру, тим більше випаровування. Фен для волосся працює на цьому принципі – по суті, він створює портативний вітер, який допомагає висушити ваше волосся.
• Дефіцит вологості. Інтенсивність випаровування буде вищою там, де більший дефіцит вологості. Навряд чи багато хто з нас був Сахаре, але що це таке уявляють усі. У будь-якій пустелі колосально низька вологість — через це випаровування йде інтенсивніше.
• Тиск.Чим більший тиск, тим менше випаровування. Ми вже з’ясували, що не дивлячись на різницю між кипінням та випаром, ці два процеси між собою пов’язані. Таким чином, температура кипіння води на вершині Евересту дорівнює 69 градусів Цельсія. У той час, як у нашому повсякденному житті вона дорівнює 100. Це повертає нас до першого фактора – температури.

Здається, правильніше говорити “швидкість випаровування” замість інтенсивності? Чи ні?

Швидкість випаровування — кількість рідини, що випаровується з вільної поверхні в одиницю часу.

Інтенсивність випаровування — кількість рідини, що випаровується з одиниці площі поверхні за одиницю часу.

По суті, це два дуже близькі поняття, тому різниця буде лише в величинах і одиницях вимірювання, а суть процесу відображають обидві формулювання.

Насичена пара

Процес випаровування безпосередньо пов’язаний з кругообігом води в природі. Вода, випаровуючись, перетворюється на водяну пару і піднімається вгору, де відбувається конденсація пари, утворюються хмари, і вода повертається на землю у вигляді опадів.

Внаслідок конденсації водяної пари, яка живе в повітрі, утворюються хмари та туман. З цієї ж причини холодне скло запотіває, стикаючись з теплим повітрям.

На малюнку — процеси випаровування та конденсації у щільно закритій посудині, коли рідина та пара перебувають у динамічній рівновазі. Це означає, що одночасно конденсується та випаровується однакова кількість речовини.

Вологість повітря говорить нам про те, скільки в повітрі міститься водяна пара. Але нескінченна кількість пари в повітря не запхнеш. Тому, по-перше, його там дуже мало, а по-друге, відбувається конденсація – це коли утворюється роса.

Допустимо, взимку при температурі -20 градусів в 1 літрі повітря міститься 1 міліграм пари. Відносна вологість у такому разі дорівнює 100% – випаровування не буде, більше пари в це повітря вже не запхнеш.

Але якщо ми те саме повітря помістимо в коробку об’ємом 1 м³ температурою +20 градусів, то він може випаруватися вже до 17 міліграм пари. Значить його вологість дорівнюватиме 1/17 = 6%. Людині комфортніше перебувати при значенні вологості 40-50%.

Випарування у житті

І справді: чого в цьому житті тільки не випаровується — ми зустрічаємося із цим щодня. Давайте дізнаємося, навіщо цей процес взагалі потрібен, і як люди навчилися отримувати з нього користь.

Випарювання в організмі людини і тварин

Вище ми розбирали питання, чому якщо облитися теплою водою, нам все одно стане холодно. За цим принципом працює відчуття холоду після того, як ми спітніли — в якийсь момент нам стає холодно.

Саме потовиділення – важливий процес терморегуляції організму. Якщо ми досягаємо високої температури (через зовнішні впливи або через хворобу), то організм прагне себе охолодити, щоб не померти через перетворення білків у нашому організмі в яєчню.

Піт виділяється через пори шкіри, а потім випаровується – все це дозволяє нашому організму швидко позбутися зайвої енергії, охолодити тіло і нормалізувати температуру.

При високій вологості холод і тепло сприймаються чутливіше. Це пов’язано з пітливістю людини за високої температури. Такий механізм допомагає нам боротися зі спекою і «скинути» надлишкове тепло, але при високій вологості піт не може випаруватися. При низькій вологості відбувається щось схоже. Як не дивно, у мороз ми теж потіємо (набагато менше, але все-таки це відбувається). Якщо вологість на вулиці низька, то піт випарується з під куртки і нам буде комфортно. А за високої вологості — він там затримається і проводитиме тепло назовні, забираючи у нас дорогоцінне тепло Джоулі.

У тварин цей механізм працює подібним чином. Але, наприклад, собакам випаровування зі шкіри недостатньо, тому вони часто відкривають пащу, висовують язик і дихають часом ну дуже смішно.

Саме гортань та мова собаки ідеально підходять для випаровування вологи та охолодження тіла тварини.

Випарювання рослин

Дивно, але у рослин механізм випаровування теж працює схожим чином. Рослини дуже люблять воду, тому домашні рослини ми поливаємо, а у пустелях їх просто немає.

Ту воду, яку квіти поглинули, можуть випаровувати, щоб не перегрітися під жарким сонцем. Так, вода потрібна, щоб рослини харчувалися, але у спекотні дні ще й для температурної саморегуляції. Тому не забувайте поливати квіти, а в дуже спекотні дні робіть це ще інтенсивніше.

Випарювання в природі та навколишньому середовищі

Процес випаровування безпосередньо пов’язаний з кругообігом води в природі. Саме кругообігом води в природі забезпечується життя на Землі — оскільки волога розноситься по всьому світу, рослини в дикій природі здатні жити без наших спроб полити велику пальму з лієчки.

Випаровування води з поверхні річок, озер, морів і океанів створює дощові хмари, які потім, проливаючись дощем, поливають рослини та дерева. Багато дощ не люблять, мовляв, він мокрий, мерзенний і затікає в черевики, але він дуже потрібен посушливим регіонам — Північній Африці або Центральній Індії, які часто страждають від посухи.

Випаровування в промисловості та побуті

З побутом зовсім все просто: ми сушимо речі, готуємо їжу, купуємо зволожувачі повітря або розмазуємо розлиту калюжу по підлозі.

У випадку з промисловістю для нас все не так очевидно. Промислова техніка, що працює на основі випаровування, розробляється за схожою схемою: у ній завжди максимально збільшена площа поверхні рідини, щоб випаровування йшло інтенсивно.

Наприклад, випарник, зображений на схемі, складається з сукупності з’єднаних між собою випарників. В основі його дії – пара, отримана в одному ступені, який використовують як джерело тепла для наступного рівня. У міру того, як температура зменшується від одного ступеня до іншого, вакуум збільшується, тому температура кипіння стає нижчою і випаровування підтримується. Він призначений для того щоб очистити воду від відходів.