Новостройки

Роль внешнего давления в процессах испарения и конденсации. Испарение жидкостей С ростом атмосферного давления процесс испарения жидкости

Использование явления охлаждения жидкости при ее испарении; зависимости температуры кипения воды от давления.

При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие - медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этоготемпература испаряющейся жидкости понижается : жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).

В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.

Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.

Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус-аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха,- психрометрах (от греческого «психрос» - холодный). Психрометр состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) - более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.

С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.

Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс - конденсация . Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося 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.

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100°С; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода,где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100°С.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, "как трудно сварить яйцо в кипятке" или "почему кипяток не обжигает". В этих условиях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°С.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100°С только при определенном давлении - 760 мм рт. ст. (или 1 атм).

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 4.2. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82°С.

Рис. 4.2

А вот водой, кипящей при 10-15 мм рт. ст., можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10-15°С.

Можно получить даже "кипяток", имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм рт. ст.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т. е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas - полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200°С, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300°С.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и "перевернуть", сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0°С (т. е. 273 К) упругость пара равна 4,6 мм рт. ст., при 100°С (373 К) она равна 760 мм рт. ст., т. е. возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0°С, т. е. 273 К, до 273°С, т. е. 546 К) упругость пара возрастает с 4,6 мм рт. ст. почти до 60 атм, т. е. примерно в 10 000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое от 0,5 атм до 1 атм температура кипения возрастает от 82°С (355 К) до 100°С (373 К) и при изменении вдвое от 1 до 2 атм - от 100°С (373 К) до 120°С (393 К).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл: это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы, на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз - область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар - жидкость, т. е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других - несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами "газ" и "пар". Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово "газ" мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Существует непосредственная зависимость между температурой насыщения жидкости и окружающим давлением . Как было отмечено ранее, увеличение давления жидкости поднимает температуру насыщения. И наоборот, сокращение давления жидкости понижает температуру насыщенности.

Рассмотрим закрытый сосуд с водой при температуре 22,2°С. На сосуд установлены дроссельный клапан, манометр и два термометра для контроля процесса. Клапан регулирует давление в сосуде. Манометр показывает давление в сосуде, а термометры измеряют температуру пара и жидкой воды. Атмосферное давление вокруг сосуда равно 101,3 кПа.

В сосуде образован вакуум , и закрыт клапан. При внутреннем давлении в 68,9 кПа температура насыщения воды 89,6°С. Это значит, что кипение не произойдет, пока давление пара не достигнет 68,9 кПа. Так как максимальное давление пара при температуре жидкости 22,2°С 2,7 кПа, кипения не будет, если жидкости не сообщить большое количество энергии.

Вместо кипения при данных условиях начнется испарение, так как давление пара жидкости ниже давления насыщенного пара , которое зависит от температуры воды. Так будет продолжаться до тех пор, пока объем над жидкостью не будет насыщенным водным паром. По достижении состояния равновесия температура жидкости и окружающей среды будет одинаковой, теплопередача прекратится, количество молекул пара, отделяющихся от воды и возвращающихся в нее, будет одинаковым, и давление пара будет равно давлению насыщения жидкости, которое зависит от ее температуры. По достижении состояния равновесия давление пара достигнет максимального значения 2,7 кПа, и объем жидкости останется постоянным.

Если по достижении начального состояния равновесия открыть клапан, давление в сосуде быстро вырастет до 101,3 кПа. Следовательно, температура кипения воды вырастет до 100°С . Так как температура воды останется 22,2°С, давление пара воды остается 2,7 кПа. Давление пара воды уменьшится, так как пар выходит из сосуда через клапан, и процесс испарения начинается снова.

При увеличении теплопередачи сосуду в результате сжигания топлива, температура воды начинает повышаться до 100°С. Повышение температуры воды вызывает выделение большего количества молекул пара в результате увеличения кинетической энергии, что повышает давление пара до 101,3 кПа. Увеличение давления пара - это следствие изменения температуры жидкой воды. При увеличении температуры жидкости давление насыщенного пара также повышается. Как только давление пара достигает атмосферного давления, начинается кипение . Основанный на потенциальной энергии процесс изменения состояния в результате кипения происходит при постоянной температуре. Вода будет принудительно изменять состояние на газообразное до тех пор, пока сосуд получает достаточно теплоты.

При отделении молекул пара от поверхности жидкости и движении в сосуде некоторые молекулы теряют кинетическую энергию в результате столкновений и падают в жидкость. Некоторые молекулы выходят из сосуда через открытый клапан и рассеиваются в атмосфере. Пока клапан выпускает пар, давление пара и давление в сосуде останется 101,3 кПа. При этом пар останется насыщенным, и его температура и давление будут такие же, как и у жидкости: 100°С при 101,3 кПа. Плотность пара при такой температуре и давлении 0,596 кг/м3, а его удельный объем обратный плотности, равен 1,669 мг/кг.

Испарение

Испарение - это тонкий термодинамический процесс, вызванный медленной передачей теплоты жидкости от окружающей среды. Процесс испарения производит быстрые изменения объема или массы жидкости. Испарение происходит в результате поглощения молекулами жидкости тепловой энергии из окружающей среды вследствие небольшой разницы температур. Данное увеличение энергии соответственно увеличивает кинетическую энергию жидкости. При передаче кинетической энергии в результате столкновений некоторые молекулы около поверхности достигают скоростей, которые намного выше, чем средняя скорость соседних молекул. При приближении некоторых молекул, обладающих высокой энергией, к поверхности жидкости они нарушают связи, преодолевают силу притяжения и переходят в атмосферу как молекулы пара.

Парообразование испарением происходит, если давление пара над жидкостью ниже, чем давление насыщения, которое соответствует температуре жидкости. Другими словами, испарение происходит, когда линии давления и температуры пара жидкости пересекаются на линии температуры насыщения в точке ниже атмосферного давления. Данные условия находятся на линии температуры насыщения ниже горизонтальной линии давления пара, которое соответствует температуре жидкости.

Объем испаряющейся жидкости непрерывно понижается при отделении молекул от поверхности и внедрении в окружающую атмосферу. После отделения некоторые молекулы пара сталкиваются с другими в атмосфере, передавая часть кинетической энергии. Когда сокращение энергии снижает скорость молекул пара ниже уровня отделения от жидкости, они попадают обратно и таким образом восстанавливают часть потерянного объема. Когда количество молекул, отделяющихся от жидкости, равняется количеству падающих обратно, возникает состояние равновесия . Как только возникает такое состояние, объем жидкости останется неизменным, пока изменения давления пара или температуры не произведут соответствующие изменения интенсивности испарения.

Давление пара

Величину давления пара в атмосферном воздухе можно наглядно иллюстрировать следующим опытом. Если в трубку ртутного барометра снизу впустить пипеткой несколько капель воды, всплывающей кверху, через некоторое время уровень ртути в барометре понизится из-за образования в торричеллиевой пустоте Водяного пара . Последний создает свое парциальное давление рн, действующее равномерно во все стороны, в том числе и на понижающуюся поверхность ртути.

При проведении аналогичного опыта в условиях с большей температурой пара в трубке барометра значение р увеличится (на поверхности ртути должно оставаться немного воды). Такие опыты показывают на повышение давления насыщенного пара с возрастанием его температуры. При температуре пара в трубке 100° С уровень ртути в ней опустится до ее уровня в чашке барометра, так как давление пара будет равно атмосферному давлению . Этим методом изучают функциональную зависимость между указанными параметрами пара.

Давление пара, как и всякого газа, может быть выражено в паскалях. При проведении измерений и расчетов в лесосушильной технике отсчитывают давление пара от нулевого значения давлений. Иногда за начало отсчета давлений принимают избыточное против барометрического. Первое больше второго на 0,1 МПа. Например, 0,6 МПа будет соответствовать 0,5 МПа, отсчитанным по манометру на паровом котле или паропроводе.

Температура насыщения

Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или наоборот, называют температурой насыщения . Жидкость при температуре насыщения называют насыщенной жидкостью , а пар при температуре насыщения называется насыщенным паром . Для любых условий окружающей среды или давления температура насыщения - это максимальная температура, при которой вещество остается в жидкой фазе. Также это минимальная температура, при которой вещество существует как пар. Температура насыщения различных жидкостей различна и зависит от давления жидкости . При стандартном атмосферном давлении железо испаряется приблизительно при 2454°С, медь - при 2343°С, свинец - при 1649°С, вода - при 100°С, а спирт - при 76,7°С. Другие жидкости испаряются при исключительно низких температурах . Аммиак испаряется при −33°С, кислород - при −182°С, а гелий при −269°С при стандартном атмосферном давлении.

Интенсивность испарения

Движение атмосферы над испаряющейся жидкостью напрямую связано с интенсивностью испарения . Если скорость атмосферы над поверхностью жидкости увеличивается, интенсивность испарения также растет, так как молекулы пара не накапливаются над поверхностью жидкости. Следовательно, давление пара над жидкостью остается более низким, что сокращает количество кинетической энергии, которая требуется молекуле для отделения от поверхности и таким образом увеличивает интенсивность испарения . Если поместить над сосудом с водой вентилятор, интенсивность испарения увеличится, и жидкость испарится за более короткое время.

Другой фактор, который затрагивает интенсивность испарения, это площадь поверхности жидкости , которая открыта в атмосферу. При увеличении площади поверхности интенсивность испарения возрастает, так как масса молекул пара распространяется по большей площади, что сокращает давление на жидкость. Сокращение давления пара уменьшает количество кинетической энергии , необходимой молекулам для отделения от поверхности жидкости, что увеличивает интенсивность испарения. Следовательно, если объем воды из сосуда, переместить в бутылку, площадь поверхности жидкости значительно сократится, и потребуется больше времени для испарения воды .

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.

Процесс интенсивного испарения жидкости начинается при температуре, когда упругость пара жидкости превысит внешнее давление газовой атмосферы над жидкостью. При температуре кипения образование пара идет во всей массе жидкости и течет практически при постоянной температуре до полного перехода жидкости (однокомпонентной) и пар. Искусственно понижая давление, можно заставить жидкость кипеть при более низких температурах, чем широко пользуются в технике, так как для работы при низких температурах легче найти подходящий материал для аппаратуры. Современная вакуумная техника имеет в своем распоряжении мощные ротационные насосы, способные создать вакуум, при котором остаточное давление не превышает 0,001 мм рт ст., и струйные диффузионные насосы, создающие вакуум до 10в-7-10в-8 MM рт. ст.
Перегонку в вакууме применяют для получения металлов высокой чистоты; Zn, Cd, Mg, Ca и др. Обычно работают при давлениях, немного превышающих упругость пара перегоняемого металла в точке его плавления. Тогда перегоняя жидкий металл, получают твердый конденсат, что позволяет применить очень простую конструкцию прибора для дистилляции, изображенную на рис. 24. Прибор представляет собою цилиндр, в нижней части которого находится сосуд с жидким перегоняемым металлом. Пары конденсируются в верхней части цилиндра на специальном составном металлическом цилиндре (конденсаторе) в виде кристаллической корки, которую после окончания процесса извлекают вместе с конденсатором. Перед нагревом металла сначала вакуумным насосом откачивают воздух из прибора, а затем время от времени восстанавливают вакуум, изменяющийся вследствие натекания извне воздуха через неплотности аппаратуры. Если прибор достаточно герметичен, то в процессе перегонки, поскольку при этом не выделяются неконденсирующиеся газы, постоянная работа вакуум-насоса не нужна.

Описанный прибор крайне прост, его изготовляют из стали пли жаростойких металлических сплавов. Что особенно важно, его крышка и все уплотняющие - герметизирующие детали охлаждаются водой, т. е. работают при комнатной температуре, допускающей применение весьма совершенных уплотнителей - резины, вакуумных замазок и т. д. Применение вакуума позволяет очищать перегонкой при сравнительно низких температурах (700-900°) такие химически активные и весьма агрессивные металлы, как кальций, магний, барий, перегонка которых при атмосферном давлении неосуществима из-за невозможности подбора материал для аппаратуры.
Рассмотрим особенности процесса испарения в вакууме.
Диаграмма состояния жидкость - пар с понижением давления имеют тот же характер, что и диаграммы для атмосферного давления, только линии жидкости и пара перемещаются в область более низких температур. Отсюда следует, что эффективность разделения компонентов при испарении их раствора в вакууме примерно такая же, как и при атмосферном давлении, но осуществляется при более низких температурах; температура тем ниже, чем глубже применяемый вакуум. Особенность работы в вакууме является отсутствие уноса мелких капель жидкости вместе с парами, всегда наблюдающееся при работе под атмосферным давлением. При бурном кипении жидкости лопающиеся пузырьки поднимающегося из глубины жидкости пара дают брызги, которые уносятся па рами в конденсатор и загрязняют дистиллят. В вакууме (достаточно глубоком) образования брызг не происходит, так как процесс кипения коренным образом отличается от кипения при атмосферном давлении. В вакууме образование пара идет только на поверхности жидкости, пузырьки внутри жидкости не образуются, поверхность спокойна, не бурлит, следовательно, нe могут возникнуть брызги. Поэтому вакуумная дистилляция дает более чистый дистиллят, чем дистилляция при атмосферном давлении.
Покажем на примере особенность процесса кипения в вакууме. Пусть в одном случае вода в сосуде с глубиной слоя 250 мм кипит при- атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Тогда пар, выделяющийся с поверхности воды, для преодоления внешнего давления должен иметь атмосферное давление (760 мм рт. ст.), которое развивается при температуре поверхности воды 100°. Пузырек пара, образующийся на дне сосуда, должен иметь большее давление, так как, кроме давления атмосферы, ему нужно преодолеть гидростатическое давление столба воды высотой 250 мм, что соответствует избытку давления в 18 мм рт. ст. Таким образом, пар, выделяющийся со дна сосуда, должен иметь давление 760 + 18 = 778 мм рт. ст.. чему соответствует температура воды на дне сосуда 100,6°. Такой небольшой перегрев воды на дне (0,6°) вполне реален, и процесс кипения идет так, что пар образуется во всей массе слоя. Вода энергично кипит.и образует брызги при разрушении пузырьков на поверхности.
Теперь рассмотрим кипение того же слоя воды в вакууме 4,58 мм рт. ст. Для кипения поверхностный слой воды должен иметь температуру 0°, при которой упругость насыщенного пара равна 4,58 мм рт. ст. Пузырек, образующийся на дне, должен преодолеть гидростатическое давление столба воды в 250 мм, что соответствует давлению 18 мм рт. ст., и иметь общее давление 4,58 + 18 = 22,58 мм рт. ст. Такое давление насыщенного пара вода будет иметь при температуре ~ 23°, т. е. чтобы пузырек пара мог образоваться на дне сосуда, необходимо иметь у дна температуру 23°. Такой разницы между температурами у дна и на поверхности получить невозможно, так как этому воспрепятствуют конвекционные токи. Следовательно, пузырьки в глубине слоя жидкости образовываться не будут и парообразование будет осуществляться только с поверхности жидкости.
Металлические расплавы имеют высокую теплопроводность, препятствующую местному перегреву жидкости, а следовательно, и кипению с образованием пузырьков.
Пока давление в приборе не станет очень малым, между поверхностью жидкости и паром идет обмен молекулами и устанавливается подвижное равновесие жидкость - пар. К конденсатору течет обычный газовый поток пара и результаты процесса перегонки определяются диаграммой состояния жидкость - пар.
Если давление в приборе настолько мало, что длина свободного пробега молекул становится больше размеров прибора, характер процесса перегонки коренным образом изменяется.
В этих условиях никакого обмена молекулами между парами и жидкостью нет, подвижное равновесие жидкость - пар не устанавливается и диаграмма состояния жидкость - пар процесс испарения не описывает. Обычной газовой струп между испарителем и конденсатором. He образуется, отделившиеся от поверхности жидкости молекулы пара следуют по прямолинейному пути, без столкновения с другими молекулами, попадают на холодную поверхность конденсатора и там остаются - конденсируются; процесс испарения полностью не обратим и имеет характер молекулярного испарения. Результат дистилляции определяется скоростью испарения, зависящей от рода испаряемого вещества и температуры и независящей от внешнего давления в системе, если это давление достаточно мало. Скорость испарения в этих условиях может быть рассчитана по формуле Ленгмюра:

Приняв за скорость испарения массу вещества, испаряющегося в секунду с единицы поверхности, выразив упругость пара р в миллиметрах ртутного столба и заменив величины R и π их численными значениями, получим уравнение (III, 13) в иной форме, удобной для практических расчетов:

При молекулярном испарении могут быть разделены вещества с одинаковой упругостью пара, если их молекулярные веса различны, что доказано опытами по разделению изотопов.

17.10.2019

В российском сегменте бизнес Hoffmann-group процветает. Партнерам группы компаний удается год от года увеличивать в РФ объемы реализации....

17.10.2019

Пластмасса является практичным и дешёвым материалом. Этим обуславливается её широкое применение в производстве вещей. Однако и у неё имеются недостатки....

17.10.2019

Нержавеющий металл широко применяется в различных сферах промышленности и строительства. Металлопрокат и изделия из него используют предприятия судостроения и...

17.10.2019

Вязальная проволока представляет собой строительный материал в виде тонкой нити, для изготовления которого применяется раскатную низкоуглеродистую сталь, подвергающуюся...

17.10.2019

Изготавливают пробковые панели из натурального материала. Для этого используется кора дуба (пробковый дуб произрастает на севере Африки и в некоторых районах южной...

17.10.2019

Хозяйственная деятельность человека зачастую усиливает процесс естественной эрозии почвы. Постепенно меняется рельеф, создаются каналы, меняют направление реки, кюветы...

17.10.2019

Функции этикеток могут быть разными. После наклейки на товар они становятся источником данных о производителе и продукции, используются как средство продвижения и...

Испарение

Испарение над кружкой чая

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 (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.

Испаре́ние - это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом E k > E п.

Общая характеристика

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости - кипением. 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.м 2) или кг/(с.м 2)]. 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 графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Молекулярный уровень

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения.

Термодинамическое равновесие

Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.

Баро-, термодиффузии

Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости.

При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота Испарение может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при испарении от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основной массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг. При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объёмом или омывающим её поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж - Qи, где Qи -теплота испарения, Qжг - количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемое испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на Испарение (Qж = Qи).

В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами.

Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена.

Скорость испарения

Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: , где D - коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; - газовая постоянная пара, [Дж/(кг К)] или [м 2 /(с 2 K)]; T - температура смеси, [К]; р - давление парогазовой смеси, [Па]; - парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па].

В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях - приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз.

Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр - рп, осн) = bpр(уп, гр - уп, осн) или jп = bc(cп, гр - сп, осн), где bp, bc - коэффициент массоотдачи, p - давление смеси, рп - парциальное давление пара, yп = pп/p - молярная концентрация паров, cп = rп/r - массовая концентрация паров, rп, r - локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» - у границы раздела фаз, «осн» - в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2 с)]: q = aж(tж - tгр) = rjп + aг (tгр - tг), где aж, aг - коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 К)]; r - теплота Испарение, [Дж/кг].

При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр ~ tж, то при расчете испарения могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = aг l/lг - число Нуссельта, l - характерный размер поверхности испарения, lг - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpyг, грl/Dp = bccг, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и bс вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп: 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг, гр) или массовую (сг, гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b.

Уравнения

Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя.

При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость.

Конструкции аппаратов

Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата.

Применение

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.

См. также

Литература

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957;
Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958;
Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974;
Берман Л. Д., «Теоретические основы хим. технологии», 1974, т.8, № 6, с. 811-22;
Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Испарение" в других словарях:

Переход в ва из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией. Зависимость давления… … Физическая энциклопедия

Парообразование, происходящее на свободной поверхности жидкости. Испарение с поверхности твердого тела называется сублимацией … Большой Энциклопедический словарь