Почему испарение жидкости происходит при любой температуре? Добавить свою цену в базу Комментарий. Что такое испарение и как оно происходит

ученица 9 Б класса Чернышова Кристина МБОУ СОШ №27 г.Ставрополя.

Тема данной исследовательской работы - исследование зависимости скорости испарения от различных внешних условий. Эта проблема остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, в свою очередь, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 27

Исследовательская работа:

«Испарение и факторы, влияющие на этот процесс»

Выполнила: ученица 9 Б класса

Чернышова Кристина.

Учитель: Ветрова Л. И.

Ставрополь

2013

I.Введение…………………………………………………………………....…….3

II Теоретическая часть………………………………...………………………….4

1.Основные положения молекулярно-кинетической теории…………………4

2. Температура…………………………………………………………..………...6

3. Характеристика жидкого состояния вещества…………………………….....7

4. Внутренняя энергия …………………………………………………….……..8

5. Испарение……………………………………………………………………..10

III .Исследовательская часть………………………………..…………………..14

IV.Заключение……………………………………………………………….…..21

V.Литература…………………………………………………………………….22

Введение

Тема данной исследовательской работы - исследование зависимости скорости испарения от различных внешних условий. Эта проблема остается актуальной в различных технологических сферах и в окружающей нас природе. Достаточно сказать, что круговорот воды в природе происходит через фазы испарения и объемной конденсации. От круговорота воды, в свою очередь, зависят такие важнейшие явления, как солнечное воздействие на планету или просто нормальное существование живых существ в целом.

Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.

В карбюраторных и дизельных двигателях распределение по размерам частиц топлива определяет скорость их горения, а значит и процесс работы двигателя. Конденсационные туманы не только паров воды образуются при сгорании различных топлив, при этом образуется множество ядер конденсации, которые могут служить центрами конденсации для других паров. Эти сложные процессы определяют коэффициент полезного действия двигателей и потери топлива. Достижение наилучших результатов в исследовании этих явлений могло бы служить информацией для движения технического прогресса в нашей стране.

Итак , цель данной работы - исследовать зависимость скорости испарения от различных факторов среды и с помощью построения графиков и тщательных наблюдений заметить закономерности.

Гипотеза : скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.

При проведении исследования мы пользовались различными несложными приборами, такими как, термометр, а также интернет-ресурсами и другой литературой.

II Теоретическая часть.

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Многообразны и различны свойства встречающихся в природе и технике, веществ: стекло прозрачно и _хрупко, а сталь упруга и непрозрачна, медь и серебро - хорошие проводники тепла и электричества, а фарфор и шелк - плохие и т. д.

Каково внутреннее строение любого вещества? Является сплошным(непрерывным) или имеет зернистое (дискретное) строение, подобное строению кучи песка?

Вопрос о строении вещества был поставлен еще в Древней Греции, однако отсутствие экспериментальных данных делало его решение невозможным, и долгое время (свыше двух тысячелетий) не удавалось проверить гениальные догадки о строении вещества, высказанные древнегреческими мыслителями Левкиппом и Демокритом (460- 370 гг. до н. э.), которые учили, что все в природе состоит из атомов, находящихся в непрерывном движении. Их учение впоследствии было забыто, и в средние века вещество считали уже непрерывным, а изменение, состояния тел объясняли с помощью невесомых жидкостей, каждая из которых олицетворяла определенное свойство материи и могла как входить в тело, так и выходить из него. Например, считали, что добавление теплорода к телу вызывает его нагревание, наоборот - охлаждение тела происходит вследствие вытекания теплорода и т. п.

В середине XVII в. французский ученый П. Гассенди (1592-1655 гг.) вернулся к взглядам Демокрита. Он считал, что в природе имеются вещества, которые нельзя разложить на более простые составные части. Такие вещества теперь называют химическими элементами, например водород, кислород, медь и т. д. По Гассенди каждый элемент состоит из атомов определенного вида.

Различных элементов в природе сравнительно немного, но их атомы, соединяясь в группы (среди них могут быть и одинаковые атомы), дают мельчайшую частичку нового вида вещества - молекулу. В зависимости от числа и вида атомов в молекуле получаются вещества с разнообразными свойствами.

В XVIII в. появились работы М. В. Ломоносова, заложившие основы молекулярно-кинетической теории строения вещества. Ломоносов решительно боролся за изгнание из физики невесомых жидкостей, подобных теплороду, а также атомов холода, запаха и т. п., которыми широко пользовались в то время для объяснения соответствующих явлений. Ломоносов доказал, что все явления» естественно объясняются движением и взаимодействием молекул вещества. - |В начале XIX столетия английский ученый Д. Дальтон (1766-1844 гг.) показал, что, пользуясь лишь представлениями об атомах и молекулах, можно вывести и объяснить известные из опытов химические закономерности. Тем самым он научно обосновал молекулярное строение вещества. После работ Дальтона существование атомов и молекул было признано огромным большинством ученых.

К началу XX в. были измерены размеры, массы и скорости движения молекул вещества, выяснено расположение отдельных атомов в молекулах, словом, окончательно завершено построение молекулярно-кинетической теории строения вещества, выводы которой были подтверждены множеством опытов.

Основные положения этой теории следующие:

1) всякое вещество состоит из молекул, между которыми имеются межмолекулярные промежутки;

2) молекулы всегда находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении;

3) между молекулами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Эти силы зависят от расстояния между молекулами. Они имеют значительную величину лишь при очень малых расстояниях и быстро уменьшаются при удалении молекул друг от друга. Природа этих сил электрическая.

2. Температура.

Если все тела состоят из непрерывно и беспорядочно движущихся молекул, то в чем будет проявляться изменение скорости движения молекул, т. е. их кинетической энергии, и какие ощущения у человека вызовут эти изменения? Оказывается, что изменение средней кинетической энергии поступательного движения молекул связано с нагреванием или охлаждением тел.

Нередко человек определяет нагретость тела на ощупь, например, прикасаясь рукой к радиатору отопления, мы говорим: радиатор холодный, теплый или горячий. Однако определение нагретости тела на ощупь часто оказывается обманчивым. Когда зимой человек прикасается рукой к деревянному и металлическому телам, то ему кажется, что металлический предмет холоднее деревянного, хотя в действительности их нагретость одинакова. Следовательно, нужно установить такую величину, которая оценивала бы нагретость тела объективно, и создать прибор для ее измерения.

Величина, характеризующая степень нагретости тела, называется температурой. Прибор для измерения температуры называется термометром. Действие наиболее распространенных термометров основано на расширении тел при нагревании и сжатии при охлаждении. При соприкосновении двух тел с разной температурой между телами происходит обмен энергией. При этом более нагретое тело (с высокой температурой) теряет энергию, а менее нагретое (с низкой температурой) приобретает ее. Такой обмен энергией между телами ведет к выравниванию их температур и заканчивается, когда температуры тел становятся равными.

Ощущение тепла у человека возникает в том случае, когда он получает энергию от окружающих тел, т. е. когда их температура выше, чем температура человека. Ощущение холода связано с отдачей человеком энергии окружающим телам. В приведенном выше примере металлическое тело кажется человеку более холодным, чем деревянное, потому, что металлическим телам энергия от руки передается быстрее, чем деревянным, и в первом случае температура руки понижается быстрее.

3. Характеристика жидкого состояния вещества.

Молекулы жидкости в течение некоторого времени t колеблются около случайно возникшего положения равновесия, а затем перескакивают в новое положение. Время, в течение которого молекула колеблется около положения равновесия, называется временем «оседлой жизни» молекулы. Оно зависит от рода жидкости и ее температуры. При нагревании жидкости время «оседлой жизни» уменьшается.

Если в жидкости выделить достаточно малый объем, то в течение времени «оседлой жизни» в нем сохраняется упорядоченное расположение молекул жидкости, т. е. имеется подобие кристаллической решетки твердых тел. Однако если рассматривать расположение молекул жидкости относительно друг друга в большом объеме жидкости, то оно оказывается хаотическим.

Следовательно, можно сказать, что в жидкости существует «ближний порядок» в расположении молекул. Упорядоченное расположение молекул жидкости в малых объемах называется квазикристаллическим (кристаллоподобным). При кратковременных воздействиях на жидкость, меньших времени «оседлой жизни», обнаруживается большое сходство свойств жидкости со свойствами твердого вещества. Например, при резком ударе небольшого камня с плоской поверхностью о воду камень отскакивает от нее, т. е. жидкость проявляет упругие свойства. Если прыгающий с вышки пловец ударится о поверхность воды всем телом, то он сильно ушибется, так как при этих условиях жидкость ведет себя подобно твёрдому телу.

Если же время воздействия на жидкость оказывается больше времени «оседлой жизни» молекул, то обнаруживается текучесть жидкости. Например, человек свободно входит в воду с берега реки и т. п. Основными признаками жидкого состояния являются текучесть жидкости и сохранение объема. Текучесть жидкости тесно связана со временем «оседлой жизни» ее молекул. Чем меньше это время, тем большей подвижностью обладают молекулы жидкости, т. е. тем больше текучесть жидкости, а ее свойства ближе к свойствам газа.

Чем выше температура жидкости, тем больше ее свойства отличаются от свойств твердого вещества и становятся ближе к свойствам плотных газов. Таким образом, жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым и газообразным состоянием того же вещества.

4. Внутренняя энергия

Всякое тело представляет собой совокупность огромного множества частиц. В зависимости от структуры вещества этими частицами являются молекулы, атомы или ионы. Каждая из этих частиц, в свою очередь, имеет достаточно сложную структуру. Так, молекула состоит из двух или нескольких атомов, атомы состоят из ядра и электронной оболочки; ядро состоит из протонов и нейтронов и т. д.

Частицы, из которых состоит тело, находятся в непрерывном движении; кроме того, они определенным образом взаимодействуют друг с другом.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетических энергий частиц, из которых оно состоит, и энергий их взаимодействия друг с другом (потенциальных энергий).

Выясним, при каких процессах может меняться внутренняя энергия тела.

1. Прежде всего очевидно, что внутренняя энергия тела меняется при его деформации. В самом деле, при деформации меняется расстояние между частицами; следовательно, меняется и энергия взаимодействия между ними. Лишь в идеальном газе, где силами взаимодействия между частицами пренебрегают, внутренняя энергия от давления не зависит.

2. Внутренняя энергия меняется при тепловых процессах. Тепловыми называют процессы, связанные с изменением как температуры тела, так и его агрегатного состояния - плавлением или затвердеванием, испарением или конденсацией. При изменении температуры меняется кинетическая энергия движения его частиц. Однако следует подчеркнуть, что одновременно ме-

няется и потенциальная энергия их взаимодействия (за исключением случая разреженного газа). Действительно, повышение или понижение температуры сопровождается изменением расстояния между положениями равновесия в узлах кристаллической решетки тела, что мы регистрируем как тепловое расширение тел. Естественно, что при этом меняется энергия взаимодействия частиц. Переход же из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения молекулярной структуры тела, что вызывает изменение как энергии взаимодействия частиц, так и характера их движения.

3. Внутренняя энергия тела меняется при химических реакциях. В самом деле, химические реакции представляют собой процессы перестройки молекул, их распада на более простые части или, наоборот, возникновения более сложных молекул из более простых или из отдельных атомов (реакции анализа и синтеза). При этом существенно изменяются силы взаимодействия между атомами и соответственно энергии их взаимодействия. Кроме того, меняется характер как движения молекул, так и взаимодействия между ними, ибо молекулы вновь возникшего вещества взаимодействуют между собой иначе, чем молекулы исходных веществ.

4. При некоторых условиях ядра атомов испытывают превращения, которые называют ядерными реакциями. Независимо от механизма процессов, происходящих при этом (а они могут быть весьма различными), все они связаны со значительным изменением энергии взаимодействующих частиц. Следовательно, ядерные реакции сопровождаются изменением внутренней энергии тела, в состав которого входят эти ядра

5. Испарение

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое - конденсацией.

Одним из типов парообразования является испарение. Испарением называется парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой. Выясним, как объясняется испарение на основе молекулярно-кинетической теории.

Поскольку молекулы жидкости совершают хаотическое движение, среди молекул ее поверхностного слоя всегда найдутся такие молекулы, которые движутся по направлению от жидкости к газообразной среде. Однако далеко не все такие молекулы смогут вылететь из жидкости, так как на них действуют молекулярные силы, втягивающие их обратно в жидкость. Поэтому вырваться за пределы поверхностного слоя жидкости смогут только те из ее молекул, которые обладают достаточно большой кинетической энергией.

Действительно, когда молекула проходит через поверхностный слой, она должна выполнить работу против молекулярных сил за счет своей кинетической энергии. Те молекулы, кинетическая энергия которых меньше этой работы, втягиваются обратно в жидкость, а вырываются из жидкости только те молекулы, кинетическая энергия которых больше указанной работы. Вылетевшие из жидкости молекулы образуют пар над ее поверхностью. Поскольку вылетающие из жидкости молекулы приобретают кинетическую энергию в результате столкновений с другими молекулами жидкости, средняя скорость хаотического движения молекул внутри жидкости в процессе ее испарения должна уменьшаться. Таким образом, на превращение жидкой фазы вещества в газообразную должна затрачиваться определенная энергия. Находящиеся над поверхностью жидкости молекулы пара при своем хаотическом движении могут залететь обратно в жидкость и вернуть ей ту энергию, которую они унесли при испарении. Следовательно, при испарении всегда одновременно происходит и конденсация паров, сопровождающаяся увеличением внутренней энергии жидкости.

Какие причины влияют на скорость испарения, жидкости?

1. Если налить в одинаковые блюдца равные объемы воды, спирта и эфира и пронаблюдать за их испарением,то окажется,что первым испарится.эфир, затем спирт и последней испарится вода. Следовательно, быстрота

испарения зависит от рода жидкости.

2. Одна и та же жидкость испаряется тем быстрее, чем больше ее свободная поверхность. Например, если одинаковые объемы воды налить в блюдце и в стакан, то из блюдца вода испарится быстрее, чем из стакана.

3. Нетрудно заметить, что горячая вода испаряется быстрее холодной.

Причина этого ясна. Чем выше температура жидкости, тем больше средняя кинетическая энергия ее молекул и, следовательно, тем большее число их покидает жидкость за то же время.

4. Кроме того, скорость испарения жидкости тем больше, чем меньше внешнее давление на жидкость и чем меньше плотность пара этой жидкости над ее поверхностью.

Например, при ветре белье сохнет быстрее, чем в безветренную погоду, так как ветер уносит пары воды и этим способствует уменьшению конденсации пара на белье.

Поскольку на испарение жидкости затрачивается энергия за счет энергии ее молекул, температура жидкости в процессе испарения понижается. Именно поэтому заметно охлаждается рука, смоченная эфиром или спиртом. Этим же объясняется ощущение холода у человека, когда он после купанья в жаркий ветреный день выходит из воды.

Если жидкость испаряется медленно, то вследствие теплообмена с окружающими телами потери ее энергии компенсируются притоком энергии от окружающей среды, и ее температура фактически остается равной температуре среды. Однако при большой скорости испарения жидкости ее температура может оказаться значительно ниже температуры окружающей среды. С помощью «летучих» жидкостей, например эфира, можно получить значительное понижение температуры.

Отметим еще, что многие твердые вещества, минуя жидкую фазу, могут непосредственно переходить в газообразную фазу. Такое явление называется сублимацией, или возгонкой. Пахучесть твердых тел (например камфары, нафталина) объясняется их сублимацией (и диффузией). Сублимация характерна для льда, например, белье высыхает при температуре ниже 0° G.

6. Гидросфера и атмосфера Земли

1. Процессы испарения и конденсации воды играют определяющую роль в формировании погодно-климатических условий на нашей планете. В глобальном масштабе эти процессы сводятся к взаимодействию гидросферы и атмосферы Земли.

Гидросферу составляет вся имеющаяся на нашей планете вода во всех ее агрегатных состояниях; 94 % гидросферы приходится на Мировой океан, объем которого оценивается в 1,4 млрд. м3. Он занимает 71 % всей площади земной поверхности, и если бы твердая поверхность Земли была гладкой сферой, то вода покрывала бы ее сплошным слоем глубиной 2,4 км; 5,4 % гидросферы занимают подземные воды, а также ледники, атмосферная и почвенная влага. И только 0,6 % приходится на пресную воду рек, озер и искусственных водоемов. Отсюда ясно, какое значение имеет охрана пресной воды от загрязнений отходами промышленности и транспорта.

2. Атмосферу Земли принято делить на несколько слоев, каждый из которых обладает своими особенностями. Нижний, приземный, слой воздуха называют тропосферой. Ее верхняя граница в экваториальных широтах проходит на высоте 16-18 км, а в полярных - на высоте 10 км. В тропосфере содержится 90 % массы всей атмосферы, что составляет 4,8 1018 кг. Температура в тропосфере с высотой понижается. Сначала на 1 °С на каждые 100 м, а затем начиная с высоты 5 км температура опускается до -70 °С.

Давление и плотность воздуха непрерывно убывают. Самый внешний слой атмосферы на высоте около 1000 км постепенно переходит в межпланетное пространство.

3. Исследования показали, что каждые сутки с поверхности Мирового океана и других водоемов нашей планеты испаряется около 7·10 3 км 3 воды и примерно столько же выпадает в виде осадков.

Увлекаемый восходящими потоками воздуха водяной пар поднимается вверх, попадая в холодные слои тропосферы. По мере подъема пар становится насыщенным, а затем конденсируется, образуя дождевые капли и облака.

В процессе конденсации пара в атмосфере в среднем за сутки выделяется количество теплоты 1,6 ·10 22 Дж, что в десятки тысяч раз превосходит энергию, вырабатываемую на планете Земля за то же время. Эта энергия поглощается водой при ее испарении. Таким образом, между гидросферой и атмосферой Земли происходит непрерывный обмен не только веществом (круговорот воды), но и энергией.

III. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.

Для исследования процессов испарения и определения зависимости скорости испарения от различных условий был проведен ряд экспериментов.

Эксперимент 1. Исследование зависимости скорости испарения от температуры воздуха.

Материалы: Пластины стекла, 3% р-р перекиси водорода, растительное масло, спирт, вода, секундомер, термометр, холодильник.

Ход эксперимента: При помощи шприца мы наносим вещества на пластинки стекла и наблюдаем за испарением веществ.

Спирт Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 3 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 5 часов;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +24.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 40 часов;

Меняем температуру воздуха. Помещаем стекла в холодильник.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 8 часа;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 10 часов;

Р-р перекиси водорода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6.

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 15 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Температура воздуха: +6

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 72 часа;

Вывод: По результатам исследования видно, что при различной температуре количество времени, необходимое для испарения одних и тех же веществ различно. Для одной и той же жидкости процесс испарения протекает значительно быстрее при более высокой температуре. Это доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. При уменьшении температуры увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 2 . Исследование зависимости скорости процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от площади поверхности жидкости.

Материалы: Вода, спирт, часы, медицинский шприц, пластины стекла, линейка.

Ход эксперимента: Мы измеряем площадь поверхности по формуле: S=П·D 2 :4.

С помощью шприца наносим разные жидкости на пластину, придаем форму круга и наблюдаем за жидкостью до ее полного испарения. Температура воздуха в помещении остается неизменной (+24)

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности:0, 00422м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 1 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 2 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00422 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 30 часов;

Меняем условия. Наблюдаем за испарением этих же жидкостей при другой площади поверхности.

Спирт. Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался 3 час;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 4 часа;

Р-р перекиси водорода . Объем 0,5·10 -6 м 3

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 6 часов;

Растительное масло. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось 54 часов;

Вывод: Из результатов исследования следует, что из сосудов с различной площадью поверхности, испарение осуществляется в течении разного времени. Как видно из проведенных измерений, из сосуда с большей площадью поверхности данная жидкость испаряется быстрее, что доказывает зависимость исследуемого процесса от данного физического параметра. С уменьшением площади поверхности увеличивается продолжительность процесса испарения и наоборот.

Эксперимент 3. Исследование зависимости процесса испарения от рода вещества.

Цель: Исследовать зависимость процесса испарения от рода жидкости.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, раствор перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла.

Ход эксперимента. С помощью шприца мы наносим различные виды жидкости на пластины и наблюдаем за процессом до полного испарения. Температура воздуха остается неизменной. Температуры жидкостей одинаковы.

Результаты исследований разницы между испарением спирта, воды, 3% р-ра перекиси водорода, растительного масла мы получаем из данных предыдущих исследований.

Вывод: Для полного испарения различных жидкостей требуется разное количество времени. Из результатов видно, что процесс испарения протекает быстрее у спирта и воды, а медленнее у растительного масла, то есть служит доказательством зависимости процесса испарения от физического параметра- рода вещества.

Эксперимент 4. Исследование зависимости скорости испарения жидкости от скорости воздушных масс.

Цель: исследовать зависимость скорости процесса испарения от скорости ветра.

Приборы и материалы: Вода, спирт, растительное масло, р-р перекиси водорода, часы, медицинский шприц, пластины стекла, фен.

Ход работы. Создаем искусственное перемещение воздушных масс с помощью фена, наблюдаем за процессом, ждем до полного испарения жидкости. Фен имеет два режима: простой режим, турбо режим.

В случае простого режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовался около 2 минут;

Вода. Объем 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 4 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 7 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 10 минут;

В случае турбо режима:

Спирт. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 1минуты;

Вода. Объем:0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 3 минут;

Р-р перекиси водорода. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2 Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 5 минут;

Растительное масло. Объем: 0,5·10 -6 м 3

Площадь поверхности: 0, 00283 м 2

Результат эксперимента: для полного испарения жидкости потребовалось около 8 минут;

Вывод: Процесс испарения зависит от скорости перемещения воздушных масс над поверхностью жидкости. Чем больше скорость, тем данный процесс протекает быстрее и наоборот.

Итак, исследования показали,что интенсивность испарения жидкости различна у разных жидкостей и увеличивается при увеличении температуры жидкости, увеличении её площади свободной поверхности,наличия ветра над её поверхностью.

Заключение.

В результате выполнения работы были изучены различные источники информации по вопросу процесса испарения и условий его протекания. Определены физические параметры, оказывающие влияние на скорость протекания процесса испарения. Была исследована зависимость протекания процесса испарения от физических параметров, проведен анализ полученных результатов. Высказанная гипотеза оказалась справедливой. Теоретические предположения были подтверждены в процессе исследований - зависимость скорости протекания процесса испарения от физических параметров заключается в следующем:

С увеличением температуры жидкости увеличивается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

С уменьшением площади свободной поверхности жидкости уменьшается скорость протекания процесса испарения и наоборот;

Скорость протекания процесса испарения зависит от рода жидкости.

Таким образом, процесс испарения жидкостей зависит от таких физических параметров как температура, площадь свободной поверхности и род вещества.

Данная работа имеет практическое значение, так как в ней исследована зависимость интенсивности испарения - явления, с которым мы встречаемся в повседневной жизни, от физических параметров. Используя эти знания, можно контролировать протекание процесса.

Литература

Пинский А. А., Граковский Г.Ю.Физика:Учебник для студентов учреждений

Среднего прфессионального образования/Под общ. Ред. Ю.И.Дика, Н.С.Пурышевой.-М.:ФОРУМ:ИНФРА_М,2002.-560 с.

Милковская Л.Б.Повторим физику.Учеб.пособие для поступающих в вузы.М.,»Высшая школа»,1985.608 с.

Интернет-ресурсы: http://ru.wikipedia.org/wiki/ ;

http://class-fizika.narod.ru/8_l 3.htm ;

http://e-him.ru/?page=dynamic§ion=33&article=208 ;

Учебник по физике Г.Я. Мякишев « Термодинамика»

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования . (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимо­связанными явлениями – испарением и сгоранием паро­воздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и ки­пение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жид­кости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жид­костью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.

За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация . Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами ис­парения и конденсации.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.

Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде

Давление насыщенного пара (р н.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличива­ется. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказыва­ется обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.

Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всег­да существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равно­весия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщен­ных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:

, (4.1)

или в интегральной форме:

, (4.2)

где р н.п. – давление насыщенного пара, Па;

DН исп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;

Т – температура жидкости, К.

Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:

. (4.3)

Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над по­верхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).

Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.

Переход из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением .

Испарение - это парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или с вакуумом .

Испарением называют фазовый процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное или парообразное, происходящий на поверхности жидкости.

Испарение

ЖИДКОСТЬ ПАР

Экспериментально установлено что при испарении температура тела понижается.

При испарении веществом поглощается теплота. Она затрачивается на преодоление сил сцепления частиц (молекул или атомов) жидкости. Кинетическая энергия молекул, обладающих самой высокой скоростью, превышает их потенциальную энергию взаимодействия с другими молекулами жидкости. Благодаря этому они преодолевают притяжение соседних частиц и вылетают с поверхности жидкости. Средняя энергия оставшихся частиц становится меньше, и жидкость постепенно остывает, если её не подогревать извне.

Если смазать спиртом часть руки, то она будет охлаждаться, потому что, испаряясь, жидкость отнимает часть внутренней энергии руки, вследствие чего ее температура понижается.

А теперь выясним, от каких факторов зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от следующих факторов

:

Температура

Площадь поверхности

Род вещества

Наличие ветра

От влажности воздуха

Важнейший фактор, влияющий на скорость испарения – это температура. Наблюдения за лужами после дождя летом и осенью доказывают, что испарение происходит при любой температуре, так как частицы находятся в движении при любой температуре.

Смочим два одинаковых полотенца водой. Одно полотенце мы развешаем на солнце, а другое разместим в тени. На солнце полотенце высохнет быстрее, так как его нагрели солнечные лучи и испарение произошло быстрее.

Чем выше температура окружающей среды, тем больше скорость движения частиц и их энергия, и тем большее их количество покидает жидкость в единицу времени.

Следующий фактор, влияющий на скорость испарения – это площадь поверхности.

При одинаковом объёме жидкость, находящаяся в широкой тарелке, испарится гораздо быстрее жидкости, налитой в стакан. Это означает, что скорость испарения зависит от площади поверхности испарения. Чем больше эта площадь, тем большее количество молекул вылетает из жидкости в единицу времени.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарениеЕсли налить в одно блюдце растительное масло, а в другое – воду. То вода испарится намного быстрее. Смочив ватку спиртом, мы наблюдаем испарение за несколько минут.

Спирт испаряется с большей скоростью. Так происходит, потому что молекулы спирта слабее взаимодействуют друг с другом, чем молекулы воды.

Влияет на скорость испарения и наличие ветра. Мы знаем, что струя горячего воздуха в фене способна быстро высушить наши волосы. А листья деревьев после дождя высыхают быстрее в ветряную погоду.

Ветер уносит молекулы, вылетевшие из жидкости, и обратно они уже не возвращаются. Их место занимают новые молекулы, покидающие жидкость. Поэтому в самой жидкости их становится меньше. Следовательно, она испаряется быстрее.

Происходящее со свободной поверхности жидкости.

Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, так-же называют испарением.

Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования . Другой вид — это кипение.

Механизм испарения.

Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в не-прерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией , достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое пов-торится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поглощение энергии при испарении.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшает-ся. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).

Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и темпера-тура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.

Скорость испарения жидкости.

В отличие от кипения , испарение происходит при любой темпе-ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес-кую энергию , чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид-кости, и тем быстрее идет испарение.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото-рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап-нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид-кость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жид-кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя-зано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.

Применение испарения в технике.

Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начи-нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере-грева.

Конденсация.

Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообраз-ного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.

Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од-новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща-ется в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднима-ющиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака . Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начи-нает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.