Как найти время 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.

 
 Термодинамический расчет времени испарения высокодисперсных капель
жидкости.

    В самом начале процесса конденсации капли имеют очень малые размеры. А это
значит, что упругость паров над ними много больше нормальной. Поэтому капельки
испаряются еще до того, как они достигнут достаточного для выпадения, например,
дождя, размера. Рост образовавшихся капель возможен только в том случае, если
парциальное давление паров воды в воздухе больше не только упругости
насыщенного пара при той же температуре, но и упругости паров над поверхностью
капли малого размера. В противном случае для роста капель необходимо, чтобы они
с самого начала имели достаточно большие размеры.

    Этим объясняется тот факт, что находящиеся в атмосфере маленькие пылинки
существенно облегчают конденсацию паров и образование достаточно крупных
капель, выпадающих затем в виде дождя.

    Центрами конденсации могут служить, как показывает опыт, не только пылинки,
но и электрически заряженные частицы, в частности ионизированные атомы,
присутствующие в газе. Зная время испарения капель различных размеров можно управлять этим
процессом.

    Рассмотрим капельку воды с радиусом r =10^-9
м. Пусть эта капелька взвешена в воздухе при температуре 200 С.
Плотность насыщенного водяного пара при этой температуре, поверхностное натяжение:

       

                    Как  известно, давление пара над каплей описывается формулой
Томсона

где р∞ — давление паров над плоской поверхностью,

υм — удельный объем жидкости, М- молярная масса жидкости,

σ — поверхностное натяжение, R — газовая постоянная,

Т- термодинамическая температура, r-радиус капли.

Величина, стоящая в степени выражения (1) много меньше единицы. Это позволяет
разложить (1) ряд.

Ограничиваясь линейными членами разложения, формулу (1) можно представить в
виде

 (2)

    Будем считать что, скорости молекул в паре имеют распределение Максвелла, и
поэтому воспользовавшись формулой для частоты ударов молекул о стенки сосуда,
приходящаяся на единицу площади можно записать

 (3)

где nо — концентрация молекул в насыщенном паре.

    Если умножить (2) на площадь поверхности капли и на частоту ударов ν, найдем
число молекул испаряющихся с поверхности капли в одну секунду. Умножив еще на
время t, получим общее число молекул, испаряющихся за время t с поверхности
капли

 (4)

    Считая пар идеальным, имеем

 

    Подставляя (6) в (4), получим

 (7)

    Упростив (7), окончательно, имеем

 (8)

С другой стороны, число молекул капле можно найти, следующим образом

(9)

Подставляя (9) в (8) и разрешая последнее относительно времени t, получим

(10)

    Подстановка данных в формулу (10) дает для t = 1,25 · 10-7с.

    Итак, капля испаряется, не успев стать зародышем роста. Следовательно, малые
капли, как центры конденсации, неэффективны. Капля будет расти, если давление
пара над её поверхностью меньше давления окружающего пересыщенного пара. Это
будет иметь место для достаточно больших капель. Наличие пыли или других частиц
в пересыщенном паре способствует конденсации. Дело в том, что капелька
жидкости, образовавшаяся на пылинке, не будет иметь сферическую форму. Её форма
определяется формой и размерами самой пылинки. Ввиду этого кривизна поверхности
капли, даже при очень малых размерах последней, может быть невелика, такие
капли являются эффективными центрами конденсации.

    При размере капли r = 0,1мм время испарения равно 20 мин, а капля размером
1мм испаряется за 35 часов и т.д.

Теперь представим, что капля жидкости лежит на поверхности твердого тела
(например, на листьях растений или деревьев).

    Тогда формула (9) принимает вид

(11)

    Сравнивая (11) с формулой (8), после некоторых преобразований, получим для
времени испарения жидкости

(12)

Таким образом, возникает возможность управлять временем
испарения капель жидкости, взвешенных в
воздухе или лежащих на поверхности твердых тел.

Источники:

1) Успехи современного естествознания. Физико-математические науки.

2) А. В. Лыков. «Теория сушки», 1968.

Enter the velocity of air above the water surface, the water surface area, the maximum humidity ratio of saturated air, and the current humidity ratio of air to determine the evaporation rate of water from a surface.

• Dew Point Calculator
• Relative Humidity Calculator
• Atmospheric Pressure Calculator
• Rainwater Harvesting Calculator
• Drying Rate Calculator

Evaporation Rate Formula

The following formula is used to calculate the evaporation rate of water.

gh = (25+19*v)*(A)*(Xs-X)

• Where gh is the evaporation rate (kg/h)
• v is the velocity of air above the surface (m/s)
• A is the water surface area (m^2)
• Xs is the maximum humidity ratio of saturated air (at the same temperature as the water surface)
• X is the current humidity ratio air

Evaporation Rate Definition

An evaporation rate is defined as the speed at which water is evaporated into air typically measure in weight per unit of time.

Evaporation Rate Example

How to calculate an evaporation rate?

1. First, determine the velocity of air.

   Measure the speed of the air above the surface of the water.

2. Next, determine the surface area.

   Calculate the total water surface area exposes to air.

3. Next, determine the maximum humidity ratio.

   Calculate the maximum humidity ratio of saturated air at the same temperature as the surface of the water.

4. Next, determine the current humidity ratio.

   Calculate the current humidity ratio of the air.

5. Finally, calculate the rate of evaporation.

   Calculate the water evaporation rate using the equation above.

FAQ

What is an evaporation rate?

An evaporation rate is a speed at which water is evaporated from the surface of a body of water.

---

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]

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