Введение
Тип фазового перехода жидкости, происходящий с её поверхности; поверхностное явление.
Испарение – это тип фазового перехода, происходящий на поверхности жидкости при её переходе в газообразное состояние. Высокая концентрация испаряющегося вещества в окружающем газе значительно замедляет испарение, например, когда влажность влияет на скорость испарения воды. При столкновении молекул жидкости они передают друг другу энергию в зависимости от характера столкновения. Когда молекула, находящаяся вблизи поверхности, поглощает достаточно энергии для преодоления давления пара, она покидает жидкость и переходит в окружающий воздух в виде газа. В процессе испарения энергия, отбираемая у испаряющейся жидкости, приводит к снижению её температуры, вызывая испарительное охлаждение. В среднем, лишь часть молекул в жидкости обладает достаточной тепловой энергией для выхода из жидкости. Испарение продолжается до установления равновесия, когда скорость испарения жидкости равна скорости её конденсации. В замкнутом пространстве жидкость будет испаряться до тех пор, пока окружающий воздух не станет насыщенным. Испарение является важной частью круговорота воды в природе. Солнце (солнечная энергия) обеспечивает испарение воды из океанов, озер, влаги в почве и других источников воды. В гидрологии испарение и транспирация (испарение, происходящее через устьица растений) совместно называются эвапотранспирацией. Испарение воды происходит при открытой поверхности жидкости, позволяя молекулам покидать её и образовывать водяной пар, который затем может подниматься и формировать облака. При достаточном количестве энергии жидкость переходит в парообразное состояние.
Теория
Для того чтобы молекулы жидкости испарялись, они должны находиться вблизи поверхности, двигаться в нужном направлении и обладать достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил в жидкой фазе. Если лишь небольшая доля молекул соответствует этим критериям, скорость испарения будет низкой. Поскольку кинетическая энергия молекулы пропорциональна её температуре, испарение протекает быстрее при более высоких температурах. Когда более быстрые молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул снижается, и температура жидкости уменьшается. Это явление также называют испарительным охлаждением. Именно поэтому испарение пота охлаждает тело человека. Испарение также происходит быстрее при более высокой скорости обмена между газообразной и жидкой фазами, а также в жидкостях с более высоким давлением пара. Например, белье на веревке для сушки высохнет (путем испарения) быстрее в ветреную погоду, чем в безветренную. Три ключевых фактора, влияющих на испарение, – это тепло, атмосферное давление (определяющее процентную влажность) и движение воздуха. На молекулярном уровне нет чёткой границы между жидким и газообразным состояниями. Вместо этого существует слой Кнудсена, где фаза неопределена. Поскольку этот слой имеет толщину всего в несколько молекул, на макроскопическом уровне чёткий интерфейс фазового перехода не наблюдается. Жидкости, которые не испаряются заметно при заданной температуре в заданном газе (например, растительное масло при комнатной температуре), содержат молекулы, которые не передают энергию друг другу в узоре, достаточном для того, чтобы часто придавать молекуле тепловую энергию, необходимую для перехода в газообразное состояние. Однако эти жидкости всё же испаряются, просто этот процесс происходит намного медленнее и, следовательно, менее заметен.
Испаряющееся равновесие
Если испарение происходит в замкнутом пространстве, вырывающиеся молекулы накапливаются в виде пара над жидкостью. Многие из этих молекул возвращаются в жидкость, при этом частота возвращающихся молекул увеличивается с ростом плотности и давления пара. Когда процессы испарения и конденсации достигают равновесия,
Термодинамика
Испарение — это эндотермический процесс, так как тепло поглощается при испарении.
Приложения
Промышленные применения включают множество процессов печати и нанесения покрытий, извлечение солей из растворов, а также сушку различных материалов, таких как древесина, бумага, ткань и химические вещества. Использование испарения для сушки или концентрирования образцов является распространенным подготовительным этапом для многих лабораторных анализов, например, спектроскопии и хроматографии. К системам, используемым для этих целей, относятся роторные испарители и центрифужные испарители. Даже если температура окружающей среды ниже точки кипения воды, вода испаряется, когда одежду развешивают на веревке для сушки. Этот процесс ускоряется такими факторами, как низкая влажность, тепло (от солнца) и ветер. В сушильной машине горячий воздух продувается через одежду, что позволяет воде испаряться очень быстро. Матки/матка – традиционный индийский пористый глиняный сосуд, используемый для хранения и охлаждения воды и других жидкостей. Ботихо – традиционный испанский пористый глиняный сосуд, предназначенный для охлаждения содержащейся в нем воды за счет испарения. Испарительные охладители способны значительно охлаждать здания, просто продувая сухой воздух через фильтр, насыщенный водой.
Испарение при сгорании
Капли топлива испаряются, поглощая тепло при смешивании с горячими газами в камере сгорания. Тепло (энергия) также может поступать посредством излучения от любой горячей огнеупорной стенки камеры сгорания.
Испарение перед сгоранием
Двигатели внутреннего сгорания зависят от испарения топлива в цилиндрах для формирования топливовоздушной смеси, необходимой для эффективного сгорания. Химически точное соотношение воздуха и топлива для полного сгорания бензина установлено как 15 частей воздуха на одну часть бензина, или 15/1 по массе. Перевод этого в объемное соотношение дает 8000 частей воздуха на одну часть бензина, или 8000/1 по объему.
Осаждение пленки
Тонкие пленки могут быть получены путем испарения вещества с последующей конденсацией его на подложке, либо путем растворения вещества в растворителе, нанесения полученного раствора тонким слоем на подложку и последующего испарения растворителя. Уравнение Герца — Кнудсена часто используется для оценки скорости испарения в подобных случаях.