Випаровування
Випаро́вування — процес переходу рідини в газоподібний стан, відбувається при будь-якій температурі (на відміну від кипіння, що відбувається при певній температурі).
Загальний опис
ред.Рідина, залишена в блюдці, повністю випарується, тому що в будь-який час у ній є молекули, досить швидкі (з достатньою кінетичною енергією), щоб перебороти міжмолекулярні сили притягання на поверхні рідини і покинути її. Температура рідини, що випаровується, повинна знижуватися, тому що молекули, що її покидають, забирають кінетичну енергію. Швидкість випаровування зростає зі зростанням температури.
Випаровування супроводжується оберненим процесом — конденсацією пари. Якщо пара над поверхнею рідини насичена, то між процесами встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість молекул, що покидає рідину в одинцю часу дорівнює кількості молекул, що повертаються в неї. Якщо пара над рідиною ненасичена, то випаровування продовжуватиметься доти, доки пара не стане насиченою, або до повного висихання рідини.
Випаровування супроводжується зниженням температури, оскільки з рідини вилітають молекули з енергією, яка перевищує середню. Кількісно калориметрія випаровування характеризується питомою теплотою випаровування.
Зростанню швидкості випаровування сприяє вітер. Він забирає молекули пари з-понад поверхні рідини, заважаючи встановленню динамічної рівноваги. Для швидкого випаровування рідини, і пов'язаного з ним висушування, використовують потоки теплого повітря. Прикладом може бути побутовий фен.
Швидкість випаровування визначається поверхневою щільністю потоку пари, проникаючої за одиницю часу в газову фазу з одиниці поверхні рідини. Найбільше значення поверхневої щільності потоку пари досягається у вакуумі. При наявності над рідиною відносно щільного газового середовища випаровування сповільнюється.
Випаровування відбувається не лише з поверхні рідини, але і з поверхні усіх твердих тіл. Цей процес називають узгін або сублімація. При сублімації, як і при випаровуванні, речовина охолоджується.
Математичний опис
ред.Найпростіша модель випаровування була створена Дальтоном. Згідно його рівнянню, кількість речовини, що випаровується з одиничної площини за одиницю часу дорівнює[1]:
- ,
де — молярна швидкість випаровування (моль/м²·с), і — концентрації пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, і — парціальний тиск пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, і — коефіцієнти пропорційності. Якщо рідина тільки почала випаровуватись, або ж сухе повітря постійно надходить, то , і швидкість випаровування максимальна. Коефіцієнти в свою чергу можуть бути виражені як[2]:
- ,
де — число Нуссельта, і — коефіцієнт дифузії віднесений до градієнта тиску і концентрації відповідно, — характерний розмір (наприклад, діаметр крапель).
Тиск у найпростішій моделі дорівнює тиску насиченої пари за температури рідини. Його залежність від температури можна наближено описати експоненційним законом[3]:
- .
Така залежність порушується для високих температур (наближених до температури кипіння)[4].
Більш точно швидкість випаровування може бути визначення за рівнянням Герца—Кнудсена[5]:
- ,
де M — молекулярна маса, а — коефіцієнт, що менший або дорівнює одиниці, який пов'язаний з ймовірністю молекули відбитися від поверхні рідини, коли вона падає на неї з повітря. Цей коефіцієнт сильно залежить від забруднення на поверхні рідини, і може мати порядок величини 10−4, якщо забруднення значне[6].
Рівняння було записане Герцем після досліджень, проведених у 1880-ті, і уточнене Кнудсеном[en] у 1915. У 1913 році Ірвінг Ленгмюр показав, що це ж рівняння описує і випаровування з поверхні твердих тіл (сублімацію)[6].
Історія
ред.Явище випаровування відоме з давніх часів. Ще Гесіод писав про те, що дощ утворюється з води, яка випаровується з річок[7]. Пізніші автори правильно інтерпретували хмари як результат випаровування води з морів і вказували на Сонце як причину випаровування, а також звертали увагу, що вітер пришвидшує швидкість випаровування[8]. Геракліт і Діоген Лаертський розрізняли виокремлювали випаровування з поверхні води і поверхні вологих тіл[9]. Античні філософи часто пояснюючи фізичні процеси вдавалися до спіритуалістичних концепцій, наприклад, писали, що через випаровування утворюється душа усього світу. Також, було відомо, що при випаровуванні розчинена сіль лишається[9].
Найбільш впливовим античним філософом вважається Арістотель. У своїй праці "Метеорологія" (грец. Τα μετεωρολογικά) він розвинув теорію двох випаровувань Геракліта, і стверджував, що випаровування з поверхні моря і поверхні землі є принципово різними: перші є причиною дощу, а другі — причиною вітру. Такий дивний висновок пояснювався тим, що Арістотель не вважав, що вітер — це просто рух повітря. Він писав, що, як не називають річкою будь-яку воду, що рухається, так і вітром не є простий рух повітря. І у річки і у вітру має бути витік, і у випадку вітру таким витоком він вважав "дим", що утворюється при висиханні землі[10].
З іншого боку, Теофраст, послідовник Арістотеля, більш правильно оцінював зв'язок вітру, Сонця і випаровування. Так, він правильно припускав, що вітер пришвидшує випаровування, оскільки він прибирає пару, що вже утворилася, від води. Також він не підтримував погляди Арістотеля на особливе значення випаровування з землі, і писав, що "рух повітря — це вітер"[11].
Римські автори, такі як Пліній і Лукрецій теж писали про природу випаровування і його зв'язок з погодою, проте в основному лише розробляли теорії грецьких філософів[11]. Окрім пояснення погоди, грецькі і римські вчені зверталися до випаровування щоб пояснити ще одну проблему — чому моря не переповнюються, хоча ріки безперервно вливають в них воду[12].
Підтримувана авторитетом Арістотеля, теорія подвійного випаровування домінувала у європейській науці аж до початку Ренесансу[13]. Одним з перших вчених, хто спробував її відкинути був Рене Декарт. У своїй праці "Метеори" (1637) він писав, що сонячне світло підіймає частинки води подібно до того як пил підіймається під час ходьби. При цьому, випаровування з поверхні вологих тіл він розглядав таким же чином, оскільки вважав, що тверді тіла стають вологими коли частинки води проникають між більшими частинками твердого тіла. Декарт також заперечував особливу природу вітру, і вважав ним звичайний рух повітря. Причину, з якої рідини випаровуються а тверді тіла — ні, він вбачав у більш гладенькій поверхні частинок води, через що їх легко відокремити одна від одної, тоді як частинки твердих тіл сильніше чіпляються одна за одну[14].
Перше експериментальне дослідженням випаровування було зроблене П'єром Перро[en]. Холодної зими 1669-1670 року він виставив надвір 7 фунтів холодної води. Через 18 днів він зафіксував, що один фунт випарувався. Це не було першим спостереженням щодо того, що випаровування може відбуватися і на холоді, але було першим експериментальним вимірюванням інтенсивності цього процесу. Також Перро досліджував випаровування інших рідин крім води, наприклад, олії[14]. Іншим фізиком, що досліджував випаровування був Едмонд Галлей. Він заміряв швидкість, з якою вода випаровується з тонких трубочок. Його результати (0,1 дюйма за 12 годин) дозволили йому стверджувати, що саме ця вода утворює дощі, росу тощо[15]. Гіпотези Галлея щодо механізму випаровування відрізнялися від гіпотез Декарта. Так, він писав, що якщо атоми води збільшаться у діаметрі у 10 разів, їх густина стане меншою, ніж густина повітря, і вони почнуть "спливати". Також ,він порівнював процеси випаровування води у повітря з процесом розчинення солі у воді[15]. Галлей писав, що спільна дія Сонця і вітру є причиною випаровування.
Підходи Галлея і Декарта породили два популярних підхода до пояснення випаровування. Згідно одного, вода "розчинялася" у повітрі (що означало, що за відсутності повітря випаровування не буде відбуватися), а згідно іншого, частинки води просто відриваються від основної маси[16].
Французький математик Седілю[fr], багато зробив для експериментального дослідження випаровування, оскільки йому були необхідні ці дані для вирішення інженерної задачі — обчислення, як швидко буде випаровуватися вода з фонтанів Версалю. Він ставив експерименти протягом 3 років, з 1688 по 1690-й рік. За його вимірами, за рік у тій місцевості випаровувалося близько 88 сантиметрів води, і лише близько двох третин з цієї кількості поверталося у вигляді опадів. Також він зазначив, що вода випаровувалася з широкої ємності швидше, ніж з вузької (Седілю використовував кілька мідних ємностей для досліду)[17].
У 1744 році Дезаґульє припустив, що випаровування має електростатичну природу (частинки рідини відштовхуються від основної маси, бо мають однаковий заряд), проте експерименти не продемонстрували сильного впливу електрики [16].
У другій половині 18 століття було показано, що випаровування у вакуумі відбувається повільніше ніж у повітрі, а також, що вологість повітря зменшує інтенсивність випаровування, що підвищило популярність теорії розчинення[18].
У 1757 році Франклін описав охолоджуючий ефект випаровування (він зазначив, що змочений спиртом термометр показував температуру, на 6 градусів нижчу ніж сухий)[18].
У 1802 році Джон Дальтон першим записав рівняння, що дозволяло обчислити кількість води, що випаровується з поверхні за деякий час[18].
У 1862 році Томас Тейт[en] сконструював прилад "евапораметр" (грец. evaporameter) для вимірювання швидкості випаровування, і показав, що вона є пропорційною до швидкості вітру над водою[19]. Пізніше Йохан Віленманн[en] скоректував рівняння Дальтона, врахувавши той факт, що температура води є нижчою за температуру оточуючого повітря через те, що випаровування охолоджує її[20].
Ще більш точні рівняння були записані після серії високопрецизійних експериментів Стефана (1873), Герца (1882) і Кнудсена (1915)[21], та завдяки відкриттю закону Стефана — Больцмана[22].
Сумарне випаровування
ред.Сумарне випаровування — випаровування з земної поверхні, включає транспірацію рослин. Останнім часом для сумарного випаровування почали вживати термін «евапотранспірація». Евапотранспірація виражається в мм водяного стовпа і корелює з біопродуктивністю екосистем. Евапотранспірація потенційна — кількість води, яке могло б виділитися шляхом евапотранспірації при певному режимі температури і вологості при надрясній кількості води. Евапотранспірація фактична — маса води, яка в даному місці повертається рослинами в атмосферу. Розглядається як величина, протилежна кількості опадів (як правило, нижче потенційної евапотранспірації). Евапотранспірація фактична в будь-якій точці Земної кулі визначається температурою.
Розрізняють ще одну характеристику випаровування — випарність. Під випарністю розуміють потенційно можливе (не обмежене запасами води) випаровування в даній місцевості при існуючих атмосферних умовах.
Швидкість випаровування води
ред.
|
Випаровуваність (випаровність), (рос. испаряемость; англ. (e)vaporability, volatility; нім. Verdampfungsfähigkeit f) — потенційно можливе випаровування з поверхні рідини за даних умов.
Див. також
ред.Примітки
ред.- ↑ Большаков,Гулин,Торичнев, 1965, с. 95.
- ↑ Большаков,Гулин,Торичнев, 1965, с. 96.
- ↑ Большаков,Гулин,Торичнев, 1965, с. 99.
- ↑ Большаков,Гулин,Торичнев, 1965, с. 100.
- ↑ Майссел,Глэнг, 1977, с. 37.
- ↑ а б Майссел,Глэнг, 1977, с. 38.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 12.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 13.
- ↑ а б Brutsaert, 1982, с. 14.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 15.
- ↑ а б Brutsaert, 1982, с. 16.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 19.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 25.
- ↑ а б Brutsaert, 1982, с. 26.
- ↑ а б Brutsaert, 1982, с. 27.
- ↑ а б Brutsaert, 1982, с. 29.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 28.
- ↑ а б в Brutsaert, 1982, с. 30.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 32.
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 33.
- ↑ Механизм испарения [Архівовано 19 липня 2018 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Brutsaert, 1982, с. 36.
Джерела
ред.- Чолпан П. П. Фізика. К.: Вища школа, 2003. — 567 с.
- Мельничук С. П. Будівельна фізика. Конспект лекцій для студентів спеціальності 5.130406 «Зелене будівництво і садово-паркове господарство».- Львів: Львівський державний екологічний політехнікум, 2003. — 144 с.
- Большаков Г.Ф., Е.И. Гулин, Н.Н. Торичнев. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. — Ленинград : «Химия», 1965. — 260 с.
- Л.Майссел, Р.Глэнг. Технология тонких пленок. — Москва : «Советское радио», 1977. — Т. 2. — 768 с.
- Wilfried Brutsaert. Evaporation into the Atmosphere. Theory, History, and Applications. — Dordrecht : Springer, 1982. — 302 с. — ISBN 978-90-481-8365-4.
Посилання
ред.- Випаровування [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
- (англ.) Global Potential Evapo-Transpiration (Global-PET) and Aridity Index (Global-Aridity) — растрові геодані потенційної випаровуваності та дефіциту атмосферних опадів (індекс аридізації) від Консорціуму геопросторових даних (англ. Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI)). Роздільна здатність 30 кутових секунд (≈1 км на екваторі).