Для чего нужно испарение
В природе вещества могут быть в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из первого во второе и наоборот можно наблюдать ежедневно, особенно зимой. Однако превращение жидкости в пар, которое известно как процесс испарения, часто не видно глазу. При кажущейся незначительности оно играет важную роль в жизни человека. Итак, давайте узнаем об этом подробнее.
Испарение – это что такое
Каждый раз, решив вскипятить чайник для чая или кофе, можно наблюдать, как, достигнув 100 °С, вода превращается в пар. Именно это и является практическим примером процесса парообразования (перехода определенного вещества в газообразное состояние).
Парообразование бывает двух видов: кипение и испарение. На первый взгляд они идентичны, но это распространенное заблуждение.
Испарение – это парообразование с поверхности вещества, а кипение – со всего его объема.
Испарение и кипение: в чем разница
Хотя и процесс испарения, и кипение, оба способствуют переходу жидкости в газообразное состояние, стоит помнить о двух важных отличиях между ними.
Процесс сублимации
Считается, что испарение – это переход из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Однако в редких случаях, минуя жидкое, возможно испарение прямо из твердого состояния в газообразное. Такой процесс называется сублимацией.
Это слово знакомо всем, кто хоть раз заказывал кружку или футболку с любимой фотографией в фотосалоне. Для перманентного нанесения изображения на ткань или керамику как раз и используется этот вид испарения, в честь него печать такого рода называется сублимационной.
Также такое испарение часто используется для промышленной сушки фруктов и овощей, изготовления кофе.
Хотя сублимация встречается намного реже, нежели испарение жидкости, иногда ее можно наблюдать в быту. Так, вывешенное сушиться зимой постиранное влажное белье – мгновенно замерзает и становится твердым. Однако постепенно эта жесткость уходит, и вещи становятся сухими. В данном случае вода из состояния льда, минуя жидкую фазу, переходит сразу в пар.
Как происходит испарение
Как и большинство физических и химических процессов, главную роль в процессе испарения играют молекулы.
В жидкостях они расположены очень близко друг к другу, но при этом они не имеют фиксированного места расположения. Благодаря этому они могут «путешествовать» по всей площади жидкости, причем с разными скоростями. Это достигается благодаря тому, что во время движения они сталкиваются между собой и от этих столкновений их скорость меняется. Став достаточно быстрыми, самые активные молекулы получают возможность подняться на поверхность вещества и, преодолев силу притяжения других молекул, покинуть жидкость. Так происходит испарение воды или другого вещества и образуется пар. Не правда ли, немного напоминает полет ракеты в космос?
Хотя из жидкости в пар переходят самые активные молекулы, однако оставшиеся их «собратья» продолжают пребывать в постоянном движении. Постепенно и они приобретают необходимую скорость, чтобы преодолеть притяжение и перейти в другое агрегатное состояние.
Постепенно и постоянно покидая жидкость, молекулы задействуют для этого ее внутреннюю энергию и она уменьшается. А это напрямую влияет на температуру вещества – она понижается. Именно поэтому количество остывающего чая в чашке немного уменьшается.
Условия испарения
Наблюдая за лужами после дождя, можно заметить, что некоторые из них высыхают быстрее, а некоторые дольше. Поскольку их высыхание является процессом испарения, то можно на данном примере разобраться с условиями, необходимыми для этого.
Конденсация и десублимация
Превратившись в пар, молекулы не перестают двигаться. В новом агрегатном состоянии они начинают сталкиваться с молекулами воздуха. Из-за этого иногда они могут возвращаться в жидкое (конденсация) или твердое (десублимация) состояние.
Когда процессы испарения и конденсации (десублимации) равносильны между собой, это называют динамическим равновесием. Если газообразное вещество находится в динамическом равновесии со своей жидкостью аналогичного состава, его называют насыщенным паром.
Испарение и человек
Рассматривая различные примеры испарения, нельзя не вспомнить влияние этого процесса на организм человека.
Как известно, при температуре тела 42,2 °С белок в крови человека сворачивается, что ведет к смерти. Нагреваться человеческое тело может не только из-за инфекции, но и при выполнении физического труда, занятий спортом или во время пребывания в жарком помещении.
Организму удается сохранить приемлемую для нормальной жизнедеятельности температуру, благодаря системе самоохлаждения – потоотделению. Если температура тела повышается, через поры кожи выделяется пот, а потом происходит его испарение. Этот процесс помогает «сжечь» лишнюю энергию и способствует охлаждению организма и нормализации его температуры.
Кстати, именно поэтому не стоит безоговорочно верить рекламам, которые преподносят пот как главное бедствие современного общества и пытаются продать наивным покупателям всевозможные вещества для избавления от него. Заставить организм меньше потеть, не нарушая его нормальной работы, нельзя, а хороший дезодорант способен лишь маскировать неприятный запах пота. Поэтому, используя антиперспиранты, различные присыпки и пудры, можно нанести организму непоправимый вред. Ведь эти вещества забивают поры или сужают выводные протоки потовых желез, а значит, лишают тело возможности контролировать свою температуру. В случаях, если использование антиперспирантов все же необходимо, предварительно стоит проконсультироваться с врачом.
Роль испарения в жизни растений
Как известно, не только человек на 70% состоит из воды, но и растения, а некоторые, вроде редиса, и на все 90%. Поэтому испарение также важно и для них.
Вода является одним из главных источников попадания полезных (и вредных тоже) веществ в организм растения. Однако, чтобы эти вещества могли усвоиться, необходим солнечный свет. Вот только в жаркие дни солнце способно не просто нагреть растение, но и перегреть, тем самым погубив его.
Чтобы этого не произошло, представители флоры способны самоохлаждаться (похоже на человеческий процесс потоотделения). Иными словами при перегреве растения испаряют воду и таким образом охлаждаются. Поэтому поливу садов и огородов уделяется летом так много внимания.
Как используют испарение в промышленности и в быту
Для химической и пищевой промышленности испарение – это незаменимый процесс. Как уже было сказано выше, оно не только помогает производить дегидратацию многих продуктов (испарять влагу из них), что увеличивает срок их хранения; но также помогает изготавливать идеальные диетические продукты (меньше веса и калорий, при большем содержании полезных веществ).
Также испарение (в особенности сублимация) используется для очистки различных веществ.
Еще одной сферой применения является кондиционирование воздуха.
Не стоит забывать и о медицине. Ведь процесс ингаляции (вдыхание пара, насыщенного лечебными препаратами) основан тоже на процессе испарения.
Опасные испарения
Однако, как и у всякого процесса, у этого есть и негативные стороны. Ведь превращаться в пар и вдыхаться людьми и животными могут не только полезные вещества, но и смертельно опасные. А самое печальное в том, что они – невидимы, а значит, человек не всегда знает, что подвергся воздействию токсина. Именно поэтому стоит избегать пребывания без защитных масок и костюмов, на заводах и предприятиях, работающих с опасными веществами.
К сожалению, вредные испарения могут подстерегать и дома. Ведь если мебель, обои, линолеум или другие предметы изготовлены из дешевых материалов с нарушениями технологии, они способны выделять токсины в воздух, которые и будут постепенно «травить» своих хозяев. Поэтому при покупке любой вещи, стоит просматривать сертификат качества материалов, из которых она изготовлена.
Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Испарение и конденсация. Роль испарения в природе, в жизни человека и животных
Разделы: Физика
И наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет.
Видеть, однако нельзя, как влага на нем оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза.
Поэт Тит Лукреций Кар, поэма “ О природе вещей”
I век до нашей эры.
Интеграция предметов: физика биология
Давайте вспомним (Слайд 3). С поверхности океанов, морей, рек и суши вода под действием солнечного тепла испаряется и поднимается вверх в виде невидимого пара. Так что называется испарением?
Ученики: переход вещества из жидкого состояния в газообразное. (Слайд 4)
Ученики: Переход вещества из парообразного состояния в жидкое. (Слайд 5).
Учитель: вытирая мокрой тряпкой школьную доску, доска быстро высыхает – вода превращается в пар. Точно так же после мятья высыхают полы, выстиранное белье, лужи на улице., скошенная трава. Каков же механизм испарения? Почему жидкости испаряются?
Жидкости испаряются постепенно: в первую очередь в пар переходят быстрые молекулы, у оставшихся молекул жидкости при соударении с другими молекулами меняется скорость. Некоторые молекулы приобретают при этом скорость достаточную для того, чтобы оказаться у поверхности и вылететь из жидкости.
Жидкости могут испаряться при любой температуре. Наблюдения за природой подтверждает это. Например лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают летом в жару, и осенью, когда уже холодно. Почему? Потому что при любой температуре в жидкости есть быстрые молекулы.
Зависит ли испарение от температуры жидкости и как?
Опыт № 1. На стекле две капли воды. Стекло подогревается снизу под одной из капель.
Учитель: почему подогреваемая капля испаряется быстрее?
Опыт № 2. На доску кисточкой наносится мазки различных жидкостей: эфира, спирта, воды, масла.
Учитель: почему эфир испаряется быстрее?
Ученики: Силы взаимного притяжения между молекулами эфира меньше, чем между молекулами других жидкостей. (Слайд 7)
Опыт № 3. Пипеткой капаю эфир на стекло и на лист промокательной бумаги. Наблюдаем процесс испарения.
Учитель: почему с промокашки бумаги эфир испаряется быстрее?
Ученики: чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетают с ее поверхности в воздух.. (Слайд 8)
Физический фокус: На чашах весов уравновешены стаканы с холодной и горячей водой. Почему весы быстро выходят из равновесия?
Опыт № 4. На две пластинки капнуть по капле спирта. Одну из капель обдувать веером.
Учитель: Почему капля, которую обмахивали веером высохла быстрее?
Ученики: Так веер создает потоки воздуха, то они уносят молекулы пара.
Учитель: сделаем вывод, от чего зависит скорость испарения жидкости. (Слайд 9)
В тетрадях зарисовывается схема – Слайд 10.
Учитель: Как вы думаете испаряются ли твердые тела?
Опыт № 5. Испарение кристаллов йода. Если подогреть на спиртовке пробирку с небольшим количеством кристалликов йода на слабом пламени, то кристаллики начнут испаряться. Пары имеют густой фиолетовый цвет, поэтому их хорошо видно. При охлаждении из паров сразу образуются кристаллики йода.
Учитель: вернемся к жидкостям. (Слайд 11) Так как при испарении жидкость покидают самые быстрые молекулы, то и средняя скорость оставшихся молекул становится меньше. Следовательно, средняя кинетическая энергия молекул уменьшается. Это означает, что внутренняя энергия (И) испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.
Учитель: Почему столбик термометра опускается?
Ученики: Быстро испаряющаяся жидкость отнимает часть внутренней энергии от спирта термометра, в следствие чего температура понижается.
Учитель: Почему мы не замечаем значительного понижения температуры при испарении воды из стакана?
Ученики: Испарение происходит медленно, а вода постоянно получает некоторое количество теплоты от окружающей среды..
Учитель: Поглощение энергии при испарении жидкости можно наблюдать еще на одном опыте.
Опыт № 7. Опрокинутую колбу соединяют резиновой трубкой с жидкостным манометром. Сверху на колбу кладем лоскут ткани, которую смачиваем в спирте.
Учитель: почему в коленце манометра, присоединенного к в колбе, уровень жидкости повышается
Ученики: Испаряясь, спирт поглощает энергию из воздуха, воздух в колбе охлаждается, давление в колбе уменьшается, об этом можно судить по повышению уровня жидкости в колене манометра, присоединенного к колбе.
Учитель: Мы говорили, что может происходить и обратный процесс: переход молекул из пара в жидкость – конденсация. Конденсация пара сопровождается выделением энергия.
При конденсации: 
.
Конденсацией пара объясняется образование облаков (мельчайших капелек воды).
Таким образом, испарение и конденсация – это наиболее легко регулируемые способы изменения внутренней энергии вещества. Поэтому испарение и конденсация должны играть в жизнедеятельности человека и животных большую роль. Ребята, вы хорошо знаете, что когда жарко, человек потеет, и наоборот, выходя из воды, даже в жаркий день, вы чувствуете холод. Почему? (Ответы учащихся.)
Учитель: ребята, вы правы, когда жарко – человек потеет. Это хорошо. Для терморегуляции для организма человека важную роль играет потоотделение. Влага, содержащаяся в организме человека, во время жары через поры в эпителии выходят наружу. Потоотделение обеспечивает постоянство температуры тела человека. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия тела, благодаря этому организм охлаждается. Получается, потея, мы спасаем себя от перегрева организма. Но испарение будет зависеть от окружающей среды, то есть от влажности окружающего воздуха. Нормальной считается влажность 40–60 %.
Улавливая лучи солнца, тонкая и нежная пластинка листа подвергается сильному нагреванию. Сованный с деревьев лист на солнце очень быстро высыхает, а листья на дереве свежие, сочные. Клетки листа всегда наполнены водой, поступающей по сосудам жилок, черешка веток, ствола, корня.
В листьях ели – 66,2% воды, а в листьях березы – 63,7%, а листьях салата – 94,3%. Вода из почвы, поступая в корень, непрерывно по тонким сосудам ствола поднимается вверх к листьям. В листьях вода не только наполняет клетки, и соединившись на свету с углекислым газом, входит в состав сахара, но и распыляясь в межклетниках, испаряется через устьица в воздух.
Листья испаряют воду в большом количестве. Так, береза испаряет 6 ведер, а дуб – 5 ведер воды в день.
Леса различных пород деревьев испаряют в течение лета с 1 га разное количество воды: еловый лес – 2240 т, буковый лес – 2070 т, дубовый лес – 1200 т, сосновый лес – 470 т. Испарение воды лесом оказывает большое влияние на климат. Над лесом скорее образуются облака. В лесу влажно и оттого в жаркие дни прохладно. Наиболее сильное испарение бывает в вернем ярусе леса, где листья больше нагреваются солнцем и продуваются ветром. Под пологом крон деревьев сумрачно, влажно и прохладно, поэтому и испарение у растений замедленное. В тропических лесах, где особенно влажно, тепло м темно, некоторые имеют оригинальные приспособления увеличивающие испарение..
У одних растений вода собирается каплями по кроям листьев, у других красный цвет листьев способствует большему нагреванию их. Бывает, что листья и стебель покрыты ростами, увеличивающими испаряющую поверхность.
Известно, что верблюды могут не пить 2 недели. Верблюд почти не потеет даже в сорокоградусную жару. Его тело покрыто густой шерстью – шерсть спасает от перегрева и препятствует испарению влаги в организме. Верблюд никогда, даже в самый зной, не открывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости. Если открыт рот испаряется много воды. Частота дыхания верблюда очень мала – 8 раз в секунду. За счет этого меньше уходит воды с воздухом. Кроме того температура тела верблюда понижается ночью до 34градусов, а днем в жару повышено до 41 0 С. Это очень важно для экономии воды. У верблюдов есть очень важное приспособление для сохранения воды впрок. Известно, из жира, когда он “ сгорает” в организме, получается много воды – 107 г из жира массой 100 г. Таким образом, из своих горбов верблюд может извлечь воду массой до 50 кг.
Для уравновешивания неизбежной потери воды за счет испарения многие животные всасывают ее через покровы тела в жидком или газообразном состоянии (амфибии, насекомые, клещи). В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с поверхности воздушных мешков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. В связи с этим вв жаркую погоду птицы открывают клюв.
Закрепление: качественные задачи и вопросы.
Домашнее задание группам учащихся:
Задание на дом, для учащихся увлеченных биологией
Дневник наблюдений за испарением воды растениями