Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Испарение воды
Испаре́ние — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твёрдой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.
Парообразование в объёме жидкости — это кипение. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.
Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с•м2) или кг/(с•м2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.
Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.
Практика
И вот теория вся изложена и сейчас стоит перейти к практике. Зачем? (подумают многие). Я отвечу из личного опыта крайне часто возникают подобные (описанному ниже ) случаи в практике прудостроителей. Мы заключаем контракт на строительство водоёма , строим его усердно,вообщем из всех сил (но кто-то может здесь проколоться в прямом и переносном смысле, но это уже другая история). Завершаем строительство, набираем воду, запускаем насосы, тестируем водоём и сдаём его в эксплуатацию Заказчику. Но вдруг происходит следующее через 2 недели звонок от Заказчика и куча упрёков, и непонимания, и неодобрения от того, что вода в водоёме упала на 10-15-20 см. (согласитесь, что это бывало почти с каждым). И вы чтобы не ударить в грязь лицом и не запачкать горячолюбимый лейбл не менее любимой компании мчитесь к Заказчику. По причине того ,что (по словам Заказчика): это немыслимо? чтобы столько воды куда-то делось, это, несомненно, брак и надо что-то с этим делать. Вот такая щекотливая ситуация. И что дальше? А дальше я в этом случае привожу следующий расчёт (ведь против точных математических расчётов никуда не попрёшь), где чётко посчитано то количество воды, которое испарилось только с поверхности воды.
Количество испаряющейся с поверхности воды в основном зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, средней скорости ветра и определяется приближенно по формуле:
Нисп — слой испарения в водной чаше за месяц в мм;
11,6 — коэффициент учитывающий удельную всасывающую атмосферы в мм/мбмес.;
E1 — максимальная упругость водяных паров при заданной температуре поверхности воды (определяется по табл.1) в мб;
e0 — парциальное давление водяного пара в воздухе(определяется по форм.2) в мб;
В — коэффициент учитывающий силу ветра, В=1+0.134Vв;
Vв — средняя скорость ветра в м/с (за месяц);
t — расчетное время испарения , измеряется в месяцах.
Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по формуле:
где: μ — относительная влажность воздуха в %.
Если в системе оборотного водоснабжения предусматривается очистка воды на песчаном фильтре, то необходимо также учитывать расход воды на промывку зернистой загрузки фильтра, который может быть принят в пределах 2% от суточной производительности фильтра.
Пример расчета потерь воды на испарение
Средняя скорость ветра Vв =7 м/с, средняя относительная влажность воздуха в летний период составляет μ =75%, температура воды 18 и 22°С, при расчетах необходимо учитывать размерность (1мб=100Па). Таким образом, парциальное давление по формуле (2) равно:
e0(18°С) = 75 ∙20,654/100=15,491 мб;
e0(22°С) = 75 ∙26,460/100=19,845 мб;
Подставляем значение парциального давления e0 в формулу (1) и находим слой испарения воды за месяц:
Нисп (18°С) =11,6∙ (20,654-15,491)∙ (1+0,134∙7)∙ 1= 116 мм.
Нисп (22°С) =11,6∙ (26,460-19,845)∙ (1+0,134∙7)∙ 1= 149 мм.
3. Факторы, влияющие на испарение
При одинаковой температуре быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.
Через некоторый промежуток времени в первом стакане осталось жидкости меньше всего. В нашем случае это спирт.
2) От температуры жидкости .
Интенсивность и скорость испарения жидкости пропорциональны повышению температуры.
Рис. \(2\). Испарение происходит при любой температуре
При увеличении температуры жидкости кинетическая энергия каждой молекулы увеличивается настолько, что молекула может преодолеть потенциальную энергию притяжения соседних молекул и вылететь из жидкости, то есть испариться. Поэтому при нагревании жидкость испаряется быстрее. При увеличении температуры окружающей среды скорость испарения тоже увеличивается, так как жидкость меньше теряет энергию при охлаждении.
Рис. \(3\). Высыхающая лужа
3) От площади поверхности испарения .
Скорость испарения жидкости прямо пропорциональна площади поверхности: чем меньше площадь поверхности, тем меньшее количество молекул жидкости испаряется.
Рис. \(4\). Развешанное бельё быстрее высыхает, чем скомканное
4) От потока воздуха .
В ветреную погоду бельё высохнет быстрее, чем в безветренную, т. к. при испарении молекулы не только покидают жидкость, но и возвращаются обратно. А поток воздуха уносит вылетевшие молекулы, и они не могут вернуться снова в жидкость.
За сколько испаряется стакан воды?
Собственно, сабж.:idea::D Налита вода из крана. В гранёный стакан до дужки. Никаких подогреваний и вообще воздействий. Особо недогадливые — возьмите стакан как окружность, среднее между большой и меньшей диагоналями. То есть объём и площадь по такой формуле. Комнатную температуру — пусть +20. Поверьте мне будет незначительно. К чему спрашиваю? Нам такой вопрос задали за год до физики, в четвёртом классе. Не знаю из скольки учеников я смог это доказать, но я два раза в жизни проверял. Скажу так, хвизики правы. :dont::idea::dont: ЗЫ. А к чему спрашиваю? Да, племянница есть у меня. В сентябре пошла на подготовительные перед школой. Ей училка сказала, как испариццо стакан. (ДУРА)
На сайте с 24.02.2009
13 сентября 2010, 05:51
Все зависит от влажности, давлении, температуры в помещении.
Комнатную температуру — пусть +20. Поверьте мне будет незначительно.
Почему пусть, если брать НУ (нормальные условия) там по-моему +25, при 10 в 5 степени кПа.
На сайте с 01.12.2007
13 сентября 2010, 05:53
pauk:
Собственно, сабж.☝:D
Налита вода из крана. В гранёный стакан до дужки. Никаких подогреваний и вообще воздействий.
Особо недогадливые — возьмите стакан как окружность, среднее между большой и меньшей диагоналями. То есть объём и площадь по такой формуле. Комнатную температуру — пусть +20. Поверьте мне будет незначительно.
К чему спрашиваю? Нам такой вопрос задали за год до физики, в четвёртом классе. Не знаю из скольки учеников я смог это доказать, но я два раза в жизни проверял. Скажу так, хвизики правы. ��☝��
ЗЫ. А к чему спрашиваю? Да, племянница есть у меня. В сентябре пошла на подготовительные перед школой. Ей училка сказала, как испариццо стакан. (ДУРА)
Я не физик точно, но в школе учил физику неплохо — испаряться будет не одну неделю даже в жару, что была этим летом (спецы поправят). В свое время был вроде умным, но таких бестолковых вопросов нам не задавали и в конце школы — не то, что в садике. Вывод правильный: училка — дура. Налейте ей стакан водки лучше и посмотрите, за сколько он испарится.��