Как найти скорость испарения жидкости

Что это за параметр?

Скорость испарения – это количество образующегося пара за 1 секунду. Параметр зависит от физических свойств жидкости и внешних факторов – температуры, площади испарения и др. В единой системе СИ скорость испарения измеряется в г/(м2·с).

Формула и правила расчета

Формула скорости испарения: u = m/St, где:

• u – скорость перехода жидкости в газ;
• m – количество испарившейся жидкости;
• S – испаряющая площадь;
• t – время.

Численно скорость определяется как отношение количества жидкости, превратившейся в пар, к площади испарения, умноженной на время, которое необходимо для завершения процесса.

Условия процесса парообразования

На скорость образования пара влияют:

1. Вид раствора – чем более тяжелая жидкость, тем медленнее происходит парообразование.
2. Температура – с увеличиением парообразование усиливается, с понижением — ослабевает.
3. Размер зеркала жидкости – чем площадь больше, тем интенсивнее испарение.
4. Движение воздуха (ветер).

Молекулы в растворах обладают разной энергией – есть более быстрые, которым хватит энергии выйти за пределы раствора, образуя пар. Количество таких молекул определяет скорость испарения.

При одинаковых условиях для различных типов жидкостей скорость улетучивания зависит от свойств вещества. Например, органические эфиры улетучиваются намного быстрее воды.

Факторы, которые влияют

Переход между фазами жидкость-газ происходит тем быстрее, чем больше в жидкости присутствует молекул с повышенной кинетической энергией.

Род жидкости

Скорость перехода из жидкости в пар зависит от свойств вещества: чем меньше плотность вещества, тем меньшая энергия требуется молекуле для выхода за границу жидкости и быстрее происходит процесс испарения.

Если в одну емкость налить воду, а в другую такую же – эфир, можно увидеть разницу в скорости испарения. Количество эфира в емкости будет уменьшаться на глазах, а чтобы заметить изменение объема воды потребуется время.

Жидкости со слабыми связями между молекулами называют летучими, настолько быстро они испаряются. К ним относят эфиры, кетоны, спирты, фенолы, растворители, бензин и др.

Имеющие в сравнении с водой больший удельный вес кислоты, щелочи, молоко, масла, мед улетучиваются значительно медленнее. Это связано с увлечением плотности, как результат – ближе расположенные друг к другу молекулы сильнее притягиваются и труднее отрываются.

Самой тяжелой жидкостью является ртуть – единственный металл, являющийся жидкостью при комнатной температуре. Скорость испарения ртути незначительна – чтобы небольшая горошина вещества, массой в 1 г, превратилась в пар, потребуется 3 года.

Температура

Наибольшая скорость испарения – перед кипением, наименьшая – перед замерзанием. Если воду комнатной температуры налить в одну емкость, а в другую такую же – очень горячую, то над горячей можно увидеть пар. Это быстрые молекулы жидкости улетучиваются в воздух.

С ростом температуры количество быстрых молекул жидкости увеличивается, и число переходов в воздух возрастает. Со снижением температуры скорость молекул снижается и уменьшается количество переходов.

По достижении точки замерзания жидкость переходит в твердое состояние, имеющее кристаллическую решетку. В нем испарения из-за прочных связей молекул не происходит.

Площадь свободной поверхности

Скорость испарения зависимость от площади – чем больше зеркало, тем быстрее она улетучивается. Если в широкий и узкий сосуд налить воду, то уровень жидкости в широком будет понижаться быстрее.

Испарение – это улетучивание молекул из жидкого состояния. С ростом площади перехода увеличивается число молекул, способных покинуть жидкость. Пример: из тарелки вода испаряется быстрее, чем из стакана – разная площадь поверхности.

Наличие ветра

Движение воздуха над жидкостью ускоряет переход молекул в воздух и не позволяет беспорядочно двигающимся частицам пара вернуться в жидкость.

Движение воздушных потоков помогает быстрым молекулам покинуть жидкость и не дает вернуться обратно. Так быстро освобождается доступ к поверхности для следующих молекул, способных перейти в воздух.

Если ветер имеет более высокую температуру, чем обдуваемая им жидкость, то процесс парообразования протекает еще быстрее.

Пример: мокрые волосы высушиваются горячим воздухом из фена в считанные минуты. Если обдувать холодным воздухом – будет медленнее. Без обдува сушка волос затянется на час.

Атмосферное давление

Воздух атмосферы давит на зеркало жидкости. Чем меньше такое давление, тем больше молекул отрываются от поверхности и выше скорость испарения. В сравнении с поверхностью земли, в высокогорной местности, где давление меньше, процесс идет быстрее

От чего скорость увеличится или уменьшится?

Жидкость будет испаряться быстрее:

• с увеличением зеркала жидкости;
• с повышением температуры воды;
• с ростом температуры окружающего воздуха;
• при обдувании ветром;
• от обдувания горячим воздухом.

Действия, приводящие к уменьшению количества быстрых молекул, снижают интенсивность испарения.

Факторы, снижающие скорость испарения:

• уменьшение площади жидкости;
• охлаждение раствора (уменьшение температуры);
• понижение температуры окружающей среды;
• отсутствие ветра над водой.

При равных условиях, статическое испарение всегда меньше динамического.

Примеры, где применяют знания в быту

Человек сталкивается с жидкостями постоянно и использует процесс испарения в самых разных сферах.

Для сушки белья

Хозяйки стараются стирать белья в жаркие и ветреные дни — вывешенное на улицу, белье быстро высыхает.

Процесс испарения влаги с поверхности расправленного белья ускоряют воздействие температуры (солнце) и горячего ветра.

К тому же у расправленного белья больше площадь испарения.

Для сбивания температуры

Бабушкин метод сбивать температуру маленьким детям и взрослым, если нежелательно пить лекарства. Влажную холодную салфетку кладут на лоб, держат до ее согревания и меняют на холодную.

Так как процесс испарения идет с потреблением энергии, температура тела понижается. Можно обтирать больного водой с уксусом или водкой – у этих веществ скорость испарения выше, и охлаждающий эффект будет больше.

В процессе приготовления пищи

Чтобы остудить горячий суп его достаточно налить в тарелку – испаряясь, вода отбирает некоторое количество теплоты у основной массы и еда охлаждается.

Чтобы получить густой соус блюдо подогревают на слабом огне, что позволяет выпарить излишнюю воду. При приготовлении грибов и овощей – жарят на среднем огне, выпаривая избыток воды. При варке варенья – варят до загустения, выпаривая излишки влаги.

При уборке

Появившуюся лужу вытирают и увеличивают влажную площадь – так быстрее остатки жидкости улетучатся. В зимнее время года в помещениях воздух пересушен системами обогрева. Его увлажняют, поставив в удобном месте емкость с водой.

Если нужно медленное испарение – используют неширокую и глубокую емкость, для быстрого увлажнения следует поставить несколько широких плоских мисок, увеличив этим площадь испарения.

Промышленное использование

Процесс применяют:

1. В оборотных системах водоснабжения.
2. Для высушивания деталей и материалов.
3. Для очищения изделий.
4. При разделении сложных многокомпонентных жидких составов.
5. В процессе кондиционирования помещений.
6. Для создания системы охлаждения ядерных реакторов и др.

Видео по теме статьи

Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости, рассмотрены в видео:

Заключение

На скорость испарения жидких соединений влияют природа вещества и воздействия внешних факторов.

Выводы:

1. Переход в воздух быстрых молекул жидкости осуществляется при любом температурном режиме. Энергию для перехода молекулы получают при столкновении друг с другом.
2. Чем больше площадь испарения, тем выше скорость образования пара.
3. С ростом температуры увеличивается скорость испарения.
4. Испарение под действием потока воздуха проходит быстрее.
5. При испарении жидкости из окружающей среды поглощается энергия.

Скорость испарения

Количественно
испарение характеризуется массой воды,
которая испаряется в единицу времени
с единицы поверхности. Эта величина
называется скоростью испарения. В
системе СИ она выражается в кг/(м^2.с),
в СГС – в г/(см^2.с).

Скорость
испарения увеличивается с повышением
температуры испаряющей поверхности. В
процессе испарения молекулы воды,
которые переходят в пар, тратят часть
своей энергии на преодоление сил
сцепления и на работу расширения,
связанную с увеличением объема жидкости,
которая переходит в газообразное
состояние. В результате средняя энергия
молекул, которые остаются в жидкости,
уменьшается, и жидкость охлаждается.
Для продолжения процесса испарения
необходимо дополнительное тепло, которое
называется теплотой испарения. Теплота
испарения уменьшается с увеличением
температуры испаряющей поверхности.

Если испарение проходит с поверхности
воды, то эта зависимость выражается
формулой:

Q = Q₀
— 0,65 ^.
t,
(5.9)

где Q
— теплота испарения, Дж/г;

t
– температура поверхности, которая
испаряет, ⁰С;

Q₀
= 2500 Дж/кг.

Если
испарение проходит из поверхности льда
или снега, то:

Q = Q₀
— 0,36 ^. t,
(5.10)

Для
практических целей скорость испарения
выражается высотой (в мм) слоя воды,
которая испаряется за единицу времени.
Слой воды, высотой 1мм, который испарится
с площади 1 м²,
отвечает ее массе в 1 кг.

Согласно
закону Дальтона, скорость испарения W
в кг/(м^2.с)
прямо пропорциональная дефициту
влажности, вычисленному по температуре
испаряющей поверхности, и обратно
пропорциональная атмосферному давлению:

,

где
Е₁
— упругость насыщения, взятая по
температуре испаряющей поверхности,
гПа;

е — упругость пара в окружающем воздухе,
гПа;

Р – атмосферное давление, гПа;

А – коэффициент пропорциональности,
который зависит от скорости ветра.

Из
закона Дальтона видно, что чем больше
разность (Е_1-е),
тем больше скорость испарения. Если
поверхность, которая испаряет, теплее
воздуха, то Е₁
большее, чем упругость насыщения Е при
температуре воздуха. В таком случае
испарение продолжается даже тогда,
когда воздух насыщен водяным паром, то
есть если е=Е (но Е<E₁).

Наоборот,
если испаряющая поверхность холоднее
воздуха, то при довольно большой
относительной влажности может оказаться,
что Е₁<e.
В этом случае W<0, то есть испарение
сменится конденсацией пара на поверхности,
несмотря на то, что пар в воздухе еще не
достиг насыщения.

Зависимость
скорости испарения от атмосферного
давления обусловлена
тем, что в неподвижном воздухе молекулярная
диффузия усиливается с уменьшением
внешнего давления: чем оно меньшее, тем
легче молекулам оторваться от испаряющей
поверхности. Однако атмосферное давление
у поверхности земли колеблется в
сравнительно небольших пределах.
Поэтому, оно не может существенным
образом изменять скорость испарения.
Но его приходится учитывать, например,
при сравнении скоростей испарения на
разных высотах в горной местности.

Скорость испарения
зависит от скорости ветра.
С увеличением скорости ветра увеличивается
турбулентная диффузия, от которой в
значительной мере зависит скорость
испарения. Чем интенсивнее турбулентное
перемешивание, тем быстрее протекает
перенос водяного пара в окружающую
среду. Если воздух переносится с суши
на водоем, то скорость испарения с
водоема увеличивается, так как в воздухе,
который натекает на сравнительно более
сухую поверхность, дефицит влажности
больше, чем он над водоемом. При переносе
воздуха с водной поверхности на сушу
скорость испарения постепенно уменьшается
в результате уменьшения дефицита
влажности в воздухе, который находится
над водой. На скорость испарения с
поверхностей морей и океанов влияет их
соленость, так как упругость насыщения
над раствором меньше, чем над пресной
водой.

На
испарение из поверхности грунта
значительно влияют физические
свойства, состояние деятельной
поверхности, рельеф
и др. факторы. Гладкая поверхность
испаряет меньше, чем шероховатая, так
как над ней слабее развито турбулентное
перемешивание, чем над шероховатой
поверхностью. Светлые почвы при прочих
равных условиях испаряют меньше, чем
темные, так как они меньше нагреваются.
Рыхлые почвы с широкими капиллярами
испаряют меньше, чем плотные почвы с
узкими капиллярами. Объясняется это
тем, что по узким капиллярам вода
поднимается ближе к поверхности почвы,
чем по широкой. Скорость испарения
зависит от степени увлажнения почвы:
чем суше почва, тем медленнее происходит
испарение. На скорость испарения влияет
рельеф местности. На возвышенностях,
над которыми имеет место интенсивное
турбулентное перемешивание, испарение
происходит быстрее, чем в низинах, балках
и долинах, где воздух менее подвижен.

На
скорость испарения влияет растительный
покров. Он значительно уменьшает
испарение непосредственно с поверхности
почвы. Однако сами растения испаряют
много влаги, которые берут из почвы.
Испарение влаги растениями является
физико-биологическим процессом и
называется транспирацией.

Полная
отдача водяного пара с определенной
поверхности с одинаковым растительным
покровом называется эвапотранспирацией.
Она включает испарение из поверхности
земли и от растений.

Испаряемость
– это испарение, максимально возможное
в данной местности с определенной
деятельной поверхности при достаточном
количестве влаги при существующих здесь
метеорологических условиях.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Вещества могут переходить из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное. При том они поглощают энергию. Вы уже познакомились с первым переходом — процессом плавления. Теперь мы будем рассматривать следующий переход вещества из одного состояния в другое. Это явление превращения жидкости в газ.

Повседневные наблюдения позволяют сказать, что количество жидкости, находящейся в открытом сосуде, со временем уменьшается. Но жидкость не может просто так исчезнуть. Что же с ней происходит? Она превращается в пар.

Парообразование — это явление превращения жидкости в пар.

Есть два способа превращения жидкости в газ:

• Испарение
• Кипение

На данном уроке мы рассмотрим первый способ — испарение.

Испарение

Испарение — это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Молекулы жидкости находятся в беспрерывном движении. Движутся они с разными скоростями.

Иногда достаточно “быстрые молекулы” могут оказаться у поверхности жидкости. Тогда они преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают из жидкости. Такие молекулы образуют над жидкостью пар (рисунок 1).

Другие молекулы при движении соударяются друг с другом и со стенками сосуда. При этом меняются их скорости. Так образуются новые “быстрые” молекулы, способные вылететь из жидкости. 

Этот процесс все время продолжается, поэтому жидкость испаряется постепенно.

Скорость испарения и род жидкости

Очевидно, что жидкости испаряются не всегда одинаково. Когда-то быстрее, когда-то медленнее. Скорость испарения зависит от определенных причин.

Наполним два одинаковых открытых сосуда водой и эфиром одинаковой массы (рисунок 2). 

Мы заметим, что эфир будет испаряться намного быстрее, чем вода. Мы можем фиксировать эти изменения, взвешивания воду или отмечая ее объем.

Скорость испарения зависит от рода жидкости.

Быстрее будет испаряться та жидкость, в которой молекулы притягиваются друг к другу с меньшей силой. В таких жидкостях большему количеству молекул проще преодолеть сопротивление и вылететь.

Скорость испарения и температура

В жидкостях всегда имеется некоторое число быстро движущихся молекул. Значит,

Испарение происходит при любой температуре.

Наполним два одинаковых сосуда водой одинаковой массы.  Но в один сосуд нальем воду комнатной температуры, а в другой — подогретую до высокой температуры (рисунок 3).

Наблюдения покажут, что количество подогретой жидкости в сосуде уменьшилось быстрее, чем жидкости комнатной температуры.

Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.

При увеличении температуры жидкости, увеличивается ее внутренняя энергия. При этом увеличивается средняя кинетическая энергия молекул и средняя скорость их движения. Значит, чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул, которыe способны вылететь с поверхности.

Например, после дождя на улице остаются лужи. Дождь может пройти и холодной осенью, и жарким летом. Когда лужи высыхают быстрее? Конечно же летом, когда на улице более высокая температура.

Скорость испарения и площадь поверхности жидкости

Возьмем два сосуда одинакового объема, но разной формы. Один широкий, а второй — узкий (рисунок 4). Заполним их водой одной и той же массы.

Наблюдения покажут, что вода из широкого сосуда будет испаряться быстрее, чем из узкого.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности.

Испарение происходит с поверхности жидкости. Значит, чем больше поверхность, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

Зачем мы развешиваем белье после стирки? Чтобы оно быстрее высохло. Ведь в скомканном состоянии его площадь намного меньше, чем в расправленном виде.

Скорость испарения и ветер

Быстро движущиеся молекулы вылетают из жидкости, образуя пар. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Некоторые молекулы пара, беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, снова возвращаются в нее. 

Очевидно, что если уменьшить количество возвращающихся в жидкость молекул, скорость испарения увеличится. Количество жидкости будет уменьшаться быстрее. Это возможно при наличии ветра (рисунок 5).

При наличии ветра испарение жидкости происходит быстрее.

Ветер уносит молекулы пара, не давая их части вернуться обратно в жидкость.

Примером может послужить использование фена для волос. Создавая такой «искусственный ветер», мы увеличиваем скорость испарения, что позволяет достаточно быстро высушить волосы.

Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью

Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 6).

Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.

С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным — наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.

В таком случае пар называют насыщенным.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, которое окружает рассматриваемую жидкость и содержит ее пары, может происходить дальнейшее испарение, то пар, находящийся в этом пространстве называют ненасыщенным.

Ненасыщенный пар — это пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью.

Так, в открытом сосуде масса жидкости будет постепенно уменьшаться. Большинство молекул пара будет оставаться в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.

Испарение твердых тел

Некоторые твёрдые тела тоже могут испаряться. Испарение твердых тел называют возгонкой (или сублимацией). 

Например, таким свойством обладает лёд. Это объясняет то, что белье после стирки высыхает и на зимнем морозе. Нафталин испаряется при комнатной температуре, поэтому мы чувствуем его запах. 

Запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Поэтому говорят, что всякое пахнущее твёрдое вещество возгоняется в значительной степени.

На самом деле испаряются все твердые тела (даже железо). Но плотность насыщенного пара оказывается настолько мала, что обнаружить его очень сложно, иногда практически невозможно.

Enter the weight of H2O lost by transpiration (kg) and the weight of dry material produced into the Transpiration Rate Calculator. The calculator will evaluate the Transpiration Rate. 

• Evaporation Rate (Water) Calculator
• Percolation Rate Calculator
• Drying Rate Calculator

Transpiration Rate Formula

The following two example problems outline the steps and information needed to calculate the Transpiration Rate.

Variables:

• TR is the Transpiration Rate (kg H2O:dry material)
• H2O is the weight of H2O lost by transpiration (kg) 
• DM is the weight of dry material produced 

To calculate the transpiration rate, divide the weight of H2O lost by transpiration by the weight of the dry material produced.

How to Calculate Transpiration Rate?

The following steps outline how to calculate the Transpiration Rate.

---

1. First, determine the weight of H2O lost by transpiration (kg). 
2. Next, determine the weight of dry material produced. 
3. Next, gather the formula from above = TR = H2O / DM.
4. Finally, calculate the Transpiration Rate.
5. After inserting the variables and calculating the result, check your answer with the calculator above.

---

Example Problem : 

Use the following variables as an example problem to test your knowledge.

weight of H2O lost by transpiration (kg) = 34

weight of dry material produced = 57

TR = H2O / DM = ?