Добавить свою цену в базу

Комментарий

Испарение жидкости происходит при любой температуре и тем быстрее, чем выше температура, больше площадь свободной поверхности испаряющейся жидкости и быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. В объеме образуются пузыри, заполненные насыщенным паром. Они поднимаются вверх под действием выталкивающей силы и разрываются на поверхности. Центрами их образования являются мельчайшие пузырьки посторонних газов или частиц различных примесей.

Если пузырек имеет размеры порядка нескольких миллиметров и более, то вторым слагаемым можно пренебречь и, следовательно, для больших пузырьков при неизменном внешнем давлении жидкость закипает, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным внешнему давлению.

В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Испарение и кипение

Испарение и кипение – это два способа перехода жидкости в газ (пар). Сам процесс такого перехода называется парообразованием. То есть испарение и кипение – это способы парообразования. Между этими двумя способами есть существенные отличия.

Испарение происходит только с поверхности жидкости. Оно является результатом того, что молекулы любой жидкости постоянно перемещаются. Причем скорость у молекул разная. Молекулы с достаточно большой скоростью, оказавшись на поверхности, могут преодолеть силу притяжения других молекул и оказаться в воздухе. Молекулы воды, находящиеся по отдельности в воздухе, как раз и образуют пар. Увидеть глазами пар невозможно. То, что мы видим, как водяной туман, это уже результат конденсации (обратный парообразованию процесс), когда при охлаждении пар собирается в виде мельчайших капелек.

В результате испарения сама жидкость охлаждается, так как ее покидают наиболее быстрые молекулы. Как известно, температура как раз определяется скоростью движения молекул вещества, то есть их кинетической энергией.

Скорость испарения зависит от многих причин. Во-первых, она зависит от температуры жидкости. Чем температура выше, тем испарение быстрее. Это и понятно, так как молекулы двигаются быстрее, а значит, им легче вырваться с поверхности. Скорость испарения зависит от вещества. У одних веществ молекулы притягиваются сильнее, и следовательно, труднее вылетают, а у других – слабее, и следовательно, легче покидают жидкость. Испарение также зависит от площади поверхности, насыщенности воздуха паром, ветра.

Самое главное, что отличает испарение от кипения, это то, что испарение протекает при любой температуре, и оно протекает только с поверхности жидкости.

В отличие от испарения, кипение протекает только при определенной температуре. Для каждого вещества, находящегося в жидком состоянии, характерна своя температура кипения. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C, а спирт при 78 °C. Однако с понижением атмосферного давления температура кипения всех веществ немного понижается.

При кипении из воды выделяется растворенный в ней воздух. Поскольку сосуд обычно нагревают снизу, то в нижних слоях воды температура оказывается выше, и пузыри сначала образуются именно там. В эти пузыри испаряется вода, и они насыщаются водяным паром.

Так как пузыри легче самой воды, то они поднимаются вверх. Из-за того, что верхние слои воды не прогрелись до температуры кипения, пузыри остывают и пар в них обратно конденсируется в воду, пузыри становятся тяжелее и снова опускаются.

Когда все слои жидкости прогреваются до температуры кипения, то пузыри уже не опускаются, а поднимаются на поверхность и лопаются. Пар из них оказывается в воздухе. Таким образом, при кипении процесс парообразования происходит не на поверхности жидкости, а по всей ее толще в образующихся пузырьках воздуха. В отличие от испарения, кипение возможно лишь при определенной температуре.

Следует понимать, что когда жидкость кипит, то происходит и обычное испарение с ее поверхности.

От чего зависит скорость испарения жидкости?

Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Английский физик и химик Д. Дальтон в начале XIX в. нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который над жидкостью имеется. Если жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точнее, оно происходит, но с той же скоростью происходит и обратный процесс – конденсация (переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое). Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха или откачивается насосом.

Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления посторонних газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний, инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение.

Иногда испарением называют также сублимацию, или возгонку, т. е. переход твердого вещества в газообразное состояние. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.

Итак, скорость испарения зависит от:

1. Рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой. Ведь в этом случае преодолеть притяжение и вылететь из жидкости может большее число молекул.
2. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней число быстро движущихся молекул, способных преодолеть силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости.
3. Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности. Эта причина объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетает с неё в воздух.
4. Испарение жидкости происходит быстрее при ветре. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова в неё возвращается. Поэтому масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.

Выводы

Мы говорим, что вода испаряется. Но что это значит? Испарение – это процесс, при котором жидкость на воздухе быстро становится газом или паром. Многие жидкости испаряются очень быстро, гораздо быстрее, чем вода. Это относится к алкоголю, бензину, нашатырному спирту. Некоторые жидкости, например ртуть, испаряются очень медленно.

Из-за чего происходит испарение? Чтобы понять это, надо кое-что представлять о природе материи. Насколько мы знаем, каждое вещество состоит из молекул. Две силы оказывают воздействие на эти молекулы. Одна из них – сцепление, которое притягивает их друг к другу. Другая – это тепловое движение отдельных молекул, которое заставляет их разлетаться.

Если сила сцепления выше, вещество остается в твердом состоянии. Если же тепловое движение настолько сильно, что оно превосходит сцепление, то вещество становится или является газом. Если две силы примерло уравновешены, то тогда мы имеем жидкость.

Вода, конечно, является жидкостью. Но на поверхности жидкости есть молекулы, которые движутся настолько быстро, что преодолевают силу сцепления и улетают в пространство. Процесс вылета молекул и называется испарением.

Почему вода испаряется быстрее, когда она находится на солнце или нагревается? Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение в жидкости. Это значит, что все большее количество молекул набирает достаточную скорость, чтобы улететь. Когда улетают самые быстрые молекулы, скорость оставшихся молекул в среднем замедляется. Почему остающаяся жидкость охлаждается за счет испарения.

Так что, когда вода высыхает, это означает, что она превратилась в газ или пар и стала частью воздуха.

Разбираясь с вопросом, от чего зависит скорость испарения жидкости, нужно рассматривать закономерности влагообмена, встречающиеся в повседневной жизни. Так, теплообмен напрямую влияет на улетучивание молекул любого раствора. Частицы легче отрываются от поверхности при достаточном запасе кинетической энергии. Последняя сообщается в процессе, когда мы пытаемся остудить чашку кофе или чая, обдувая поверхность стакана.

Физические процессы

Рассмотрим, от чего зависит скорость испарения жидкости при различных условиях. Влияние оказывают свет от солнца, ветер, состав раствора, температура. Сам физический процесс испарения можно представить как хаотичное движение невесомых шариков. Каждый из них обладает определенным запасом кинетической энергии. Получать последнюю они могут извне или от соседствующих молекул.

В результате выхода молекул из раствора получается газообразное вещество. Отсюда следует первое, от чего зависит скорость испарения жидкости — от плотности мельчайших частичек над поверхностью любого жидкого вещества. Но на весь процесс влияет и плотность самого раствора. Молекулам легче оторваться в очищенном от солей дистилляте, чем преодолевать давление тяжелых частиц.

Процесс испарения наблюдают из любого вещества: твердого, жидкого. Разрежение в воздухе облегчает выход частиц с поверхности, повышенная влажность тормозит их движение. Подогрев раствора на огне повышает обмен кинетической энергии между молекулами, помогая разрушать установившиеся связи.

От чего зависит скорость испарения жидкости? От площади поверхности, с которой будут вылетать молекулы. Так, с разлитой лужи вода исчезнет быстрее, чем из бутылки с узким горлышком. Ветер поможет высвободить наиболее кинетически заряженные частички.

Опыт № 1. Площадь

Скорость испарения жидкости зависит от площади поверхности сосуда, в котором она находится. Доказательством этому служит опыт, в котором подбирают несколько видов емкостей, различающихся по форме горлышка. Везде наливают одинаковое количество однородного раствора.

Горлышки открытые. Засекают время и по его истечении производят замер оставшегося объема жидкости в каждом сосуде. Составляется таблица, и по результатам несложно заметить, что наименьшее количество будет в самой широкой емкости. Однако учитывается еще много факторов: температура, движение и плотность воздуха в помещении.

Еще один простой опыт позволяет проверить, как зависит скорость испарения жидкости от площади. Нужно просто вылить воду из сосуда на пол и засечь время. Соответственно, можно увидеть, что разлитый объем практически моментально исчезнет, в отличие от жидкости в сосуде.

Опыт № 2. Источник движения воздуха

Скорость испарения увеличивается, если напротив поверхности установить источник движения воздуха. Помочь в этом может вентилятор или другой аналогичный прибор. Время сократится при использовании нагревательных элементов.

Фен способен испарить значительный объем за минуты, тогда как под воздействием вентилятора вода аналогичного объема будет исчезать целые сутки. Не только колебания воздуха влияют на выход молекул жидкости с поверхности, но и движение самого объема с жидкостью облегчает такой процесс.

Постоянное перемешивание жидкости в стакане помогает перераспределять энергию между частицами. Движение ускоряет процесс теплоотдачи от раствора воздушной среде, а это, соответственно, влияет на скорость испарения. Так, при помешивании горячего чая часть жидкости поднимается в виде пара.

Опыт № 3. Плотность среды

На скорость испарения влияет плотность среды — как самой жидкости, так и воздуха над ней. Проводят эксперимент: в одном сосуде будет вода с солью, во втором — отфильтрованная вода аналогичного объема. Через сутки соляной раствор изменит свой объем на незначительную часть по сравнению с количеством жидкости во втором сосуде.

В домах на морском побережье можно заметить, что постиранные вещи сохнут довольно долго. Это связано с повышенной влажностью воздуха. Соответственно, и испарение из сосуда в таком месте более длительное, чем вдалеке от моря, реки, озера.

Кафедра ЭТТ. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы»

Лабораторная работа № 1. Особенности нанесения пленок

При термовакуумном испарении

Цель работы : ознакомление с особенностями генерации и распространения потока молекул в вакууме и c распределением толщины пленки по поверхности подложки большой площади при термовакуумном испарении.

Основные понятия и соотношения

При термовакуумном испарении поток атомов или молекул вещества генерируется при нагревании материала в вакууме до температуры, близкой или превышающей его температуру плавления.

Испарениес поверхности жидкой фазы наиболее часто используется в технике. Для объяснения механизма процесса было предложено несколько моделей. В простейшей из них жидкая фаза (расплавленный материал) рассматривается как система осцилляторов, поверхностные молекулы которой связаны с определенной энергией испарения. Предполагается, что переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превосходит энергию испарения. Предполагается также, что все молекулы поверхности имеют одну и ту же энергию связи и равную вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.

В усовершенствованной статистической модели состояние молекул на поверхности описывается максвелловским распределением по энергии и пространственным распределением, связывающим смещение молекул от равновесного положения с их потенциальной энергией. Испарение молекулы происходит тогда, когда она смещается на такое расстояние, что ее потенциальная энергия становится равной энергии испарения.

Экспериментальные исследования показали, что статистическая модель достаточно хорошо применима к жидкостям, испарение которых происходит за счет обмена одиночных атомов с одноатомным паром (ртуть, калий, бериллий и ряд других металлов). Аналогично ведут себя и некоторые органические жидкости, молекулы которых имеют сферическую симметрию и малые энтропии испарения (например, четыреххлористый углерод – CCl 4).

В веществах, молекулы которых имеют различные степени свободы в конденсированном и газообразном состояниях, при испарении должно происходить изменение не только поступательного движения, но и внутренней энергии молекул. В тоже время статистически маловероятно, что молекула на поверхности получает в один и тот же момент как кинетическую, так и потенциальную энергии, необходимые для испарения при термодинамическом равновесии. Более вероятно, что молекула получает вначале необходимую кинетическую энергию, а затем должна до момента испарения получить квант внутренней энергии.

Полагают, что среди различных видов внутренней энергии молекул, наибольшее влияние на вероятность испарения оказывает энергия вращения. Это подтверждается тем, что время релаксации, необходимое для получения вращательной степени свободы молекулой с добавленной кинетической энергией, больше, чем для других процессов. Таким образом, ограничение испарения происходит вследствие потери одной степени свободы, которая уменьшает число возможных состояний для молекул в жидкой фазе. Такая форма ограничения фазового перехода называется ограничением по энтропии.

Испарение с ограничением по энтропии подтверждается для жидкостей с малыми полярными молекулами, которые испаряются с невозмущенных поверхностей (бензин, хлороформ, этанол, метанол и др.). Некоторые органические жидкости имеют вращательную степень свободы и в активированном состоянии.

При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла и лишь небольшую часть (меньше 0,1%) составляют двухатомные молекулы. Для некоторых элементов (C, S, Se, Te , P, As, Sb) пары состоят из многоатомных молекул.

Испарение с поверхности твердой фазы , называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и состояний с различным числом атомов в первом и последующем слое. Так как силы связи, действующие на данный атом со стороны соседних атомов, являются аддитивными (складываются), то значения энергии испарения для атомов в различных состояниях будут различными. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей (соседей), что создает благоприятные условия для испарения других атомов.

При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.

Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10 -2 Торр, а остаточных газов – не более 10 -4 – 10 -5 Торр.

Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом.

Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку.

При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.

Расчет скорости испарения

Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением:

, (1)

где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества .

Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле:

, (2)

где – скорость испарения, г·см –2 ·с –1 ; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К.

Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением:

, (3)

в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1.

Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду:

, (4)

где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения.

Таблица 1

При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки.

Расчет толщины пленок

Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением:

(5)

В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами .

Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением:

, (6)

где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от

Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя

центра подложки в точке А до точки Б , в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества.

Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид:

, . (7)

Точечный испаритель представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества . Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид:

; . (8)

В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя.

Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h

х/h		0,25	0,5	0,75
(d/d0)п		0,83	0,64	0,41	0,25	0,04
(d/d0)т		0,88	0,71	0,51	0,35	0,09

Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы:

Использование испарителей большой площади,

Использование кольцевых испарителей,

Применение большого числа одновременно работающих испарителей,

Перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории,

Смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки,

Применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке.

При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид:

, . (9)

Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:

. . (10)

Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителя относительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки.

. . (11)

Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала.

Задание к работе

При домашней подготовке необходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d 0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий.

При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости:

Распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d 0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d 0 при х=0);

Относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d 0 для исследуемых испарителей;

Для заданного d 0 и размера подложки 100х150 мм 2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %.

Примечание : необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания».

Требования к отчету

Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать:

Теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку),

Эскизы конфигурации систем испарения,

Расчетные формулы,

Последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки,

Анализ результатов,

Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные вопросы

Чем определяется максимально возможная толщина пленки при термовакуумном испарении?

Какие соотношения связывают толщину пленки с температурой испарителя?

Как испаряют порошкообразные материалы?

Какие типы испарителей применяют для испарения порошковых материалов?

Что такое сублимация?

Какие требования предъявляются к материалам испарителей?

При каких условиях происходит послойный рост пленки при испарении?

Как происходит испарение с поверхности твердой фазы?

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12

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.

• Кипение - это активный процесс, который происходит при определенной температуре. Для каждого вещества она уникальна и может меняться только при понижении атмосферного давления. При нормальных условиях для кипения воды нужно 100 °С, для рафинированного подсолнечного масла - 227 °С, для нерафинированного - 107 °С. Спирту, чтобы закипеть, наоборот, нужна более низкая температура - 78 °С. Температура же испарения может быть любой и оно, в отличие от кипения, происходит постоянно.
• Вторым существенным отличием между процессами является то, что при кипении парообразование происходит по всей толще жидкости. Тогда как испарение воды или других веществ происходит только с их поверхности. Кстати, процесс кипения всегда одновременно сопровождается и испарением.

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.

• Скорость испарения зависит от типа испаряемого вещества, ведь каждое из них имеет уникальные особенности, влияющие на время, за которое его молекулы полностью перейдут в газообразное состояние. Если оставить открытыми 2 идентичных флакона, наполненных одинаковым количеством жидкости (в одном спирт С2Н5ОН, в другом - вода Н2О), то первая емкость опустеет быстрее. Поскольку, как уже было сказано выше, температура испарения у спирта ниже, а значит, он быстрее испарится.
• Второе, от чего зависит испарение, - температура окружающей среды и температура кипения испаряемого вещества. Чем выше первая и ниже вторая, тем быстрее жидкость сможет ее достигнуть и перейти в газообразное состояние. Именно поэтому при проведении некоторых химических реакций с участием испарения вещества специально нагреваются.
• Еще одним условием, от чего зависит испарение, является площадь поверхности вещества, с которого оно происходит. Чем она больше, тем быстрее происходит процесс. Рассматривая различные примеры испарения, можно снова вспомнить о чае. Его часто переливают в блюдце, чтобы охладить. Там напиток быстрее остывал, потому что увеличивалась площадь поверхности жидкости (диаметр блюдца больше диаметра чашки).
• И снова о чае. Известен еще одни способ быстрее его остудить - подуть на него. Каким образом можно заметить, что наличие ветра (движения воздуха) - это то, от чего также зависит испарение. Чем выше скорость ветра, тем быстрее молекулы жидкости перейдут в пар.
• Также влияет на интенсивность испарения атмосферное давление: чем оно ниже, тем быстрее молекулы переходят из одного состояния в другое.

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.

VI районная научно-практическая конференция

школьников Яшкинского района «Открытия юных исследователей»

Секция: технология

Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости.

ученица 5 класс

МБОУ «СОШ №2Яшкинского

муниципального района»

05.02.2004г. рождения

адрес:652010, пгт. Яшкино, ул. Пограничная,18

научный руководитель:

Локк Наталья Викторовна,

учитель технологии

МБОУ «СОШ №2Яшкинского

муниципального района»

адрес: 652010, пгт. Яшкино, ул.Мирная,12

Яшкинский район 2015

Оглавление

Введение …………………………………………………………………… 3

Глава I . Испарение ……………………………………………………..… ... 3

1. Что такое испарение?...……………………………………………….. 3

   Механизм процесса испарения ………………………………………..3

   Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости….…………..4

1.4Роль испарения в природе и в жизни человека ……………..………..4

Глава II . Результаты проведенного исследования ………………....… 5

2.1 Анализ анкетирования………………………………….. ……………..5

2.2 Результаты проведенных опытов ……………………………………..6

Глава III .Заключение ……………………………………………………...10

Литература ………………………………………………………………….12

Введение

Процесс испарения – это очень интересное физико-химическое явление, его интересно наблюдать и оно часто встречается в нашей жизни.Все знают, что если развесить выстиранное белье, то оно высохнет. И так же очевидно, что мокрый тротуар после дождя обязательно станет сухим. Мы часто сушим волосы феном и при этом они высыхают намного быстрее, чем без применения фена, кипение жидкости когда мы варим суп? В связи с этим возникают вопросы. Как именно и почему это происходит? От каких факторов зависит?

Цель исследования: исследовать зависимость скорости испарения воды от различных факторов среды.

Для достижения цели поставили следующие задачи:

изучить литературу по данному вопросу, материалы Интернет-сайтов;

установить опытным путем, какие факторы влияют на скорость испарения;

выяснить, какова роль испарения в природе и в жизни человека;

исследовать и проанализировать, что знают об испарении ученики нашего класса;

Объект исследования: испарение жидкости (воды)

Предмет исследования: факторы, влияющие на скорость испарения жидкости.

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

Методы исследования :

Поиск необходимой информации в литературных источниках и сети Интернет.

Анализ и обработка информации.

Анкетирование, анализ и обобщение результатов анкетирования.

Опыты.

Глава I . Испарение

1.1 Что такое испарение?

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности жидкости. Испарение происходит с поверхности воды, почвы, растительности, льда, снега и т.д. за счет энергии, получаемой Землей от Солнца.

1.2Механизмпроцесса испарения

Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния превращается в пар. Молекулы воды, находясь в непрерывном движении, преодолевают силу взаимного молекулярного притяжения и вылетают в воздух, находящийся над поверхностью воды.

Вылетевшие с поверхности воды молекулы образуют над ней пар. У оставшихся молекул воды при соударениях изменяются скорости, некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы, оказавшись у поверхности, вылететь из жидкости. Этот процесс продолжается непрерывно, поэтому вода испаряется непрерывно. Таков механизм испарения.

1.3 Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости

Существует несколько факторов, влияющих на скорость испарения жидкости.

1.Какая из луж, образовавшихся после дождя, высохнет быстрее: большая или маленькая? Скорость испарения жидкости зависит от объёма, поэтому меньшая лужа высохнет быстрее.

2. Где вода испарится быстрее: в круглой тарелке или в высоком кувшине? Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности: чем больше площадь поверхности, тем больше будет количество частиц, покидающих жидкость, и испарение будет происходить быстрее.

3.В какой день вода луж, прудов, озер, рек, морей, влага, содержащаяся в растениях, испаряется быстрее: солнечный или пасмурный? С увеличением температуры испарение происходит быстрее – в теплой жидкости скорость движения молекул больше, больше молекул имеет шанс покинуть жидкость и перейти в состояние, которое мы называем «газ».

4.Зачем жители полярных стран смазывают жиром лицо в сильный мороз? Скорость испарения зависит от рода жидкости, жир испаряется медленно, поэтому кожа лица не переохлаждается

5.Вы пьете чай, он очень горячий. Что вы сделаете, чтобы он остыл быстрее? Белье высыхает быстрее в какую погоду – в ветреную или тихую? Если воздух над жидкостью движется, то он сдувает, уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и вместе с тем освобождает пространство для следующих молекул. В этом случае процесс испарения ускоряется.

Таким образом, проанализировав литературу по теме, мы узнали, что скорость испарения зависит от ряда факторов.

1.4 Роль испарения в природе и в жизни человека

Главную роль в круговороте воды в природе играет испарение.Это непрерывный процесс. Испарение происходит с поверхности океана, суши и ее водоемов.

Испарение играет огромную роль в растительном, животном мире и в жизни человека. Оно предохраняет человека, животных и растения от перегрева.

Ни одно растение не может жить без воды. Она составляет от 70 до 95% сырой массы тела растения. Все процессы жизнедеятельности организма протекают с использованием воды: прорастание семян, рост и развитие взрослого растения, фотосинтез, образование плодов и семян. Важно, что при испарении поддерживается непрерывный ток воды по растению снизу вверх. Клетки листа, отдавшие воду, начинают активно её поглощать из сосудов жилок. Вместе с водой к клеткам поступают растворённые вещества. Следовательно, питание клетки прямо связано с испарением. При испарении организм растения охлаждается. Если процесс испарения нарушен, растение в потоках яркого солнечного света может пострадать от ожогов.

У растений засушливых мест, где воды в почве очень мало, а воздух горячий и сухой, имеются разнообразные приспособления, позволяющие уменьшить потерю влаги. У кактусов вместо листьев колючки; так как их поверхность небольшая, то испарение замедлено. У алоэ листья узкие, покрытые восковым налетом, предохраняющим от интенсивного испарения.

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 в жаркую погоду птицы открывают клюв.

Организм человека, с помощью испарения охлаждается. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение. Оно обеспечивает постоянство температуры тела человека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.

На производстве испарение применяется для сушки деталей. В технике испарение применяется как средство для очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой (получение бензина, керосина). Процесс испарения также лежит в основе двигателей внутреннего сгорания, холодильных установок, а также в основе всех процессов сушки в сушильных камерах.

Глава II . Результаты проведенного исследования

2.1 Анализ анкет

Чтобы выяснить, знают ли одноклассники что-нибудь о процессе испарения, я провела анкетирование среди ребят (Приложение 1, 2). В анкетировании приняло участие 20 одноклассников. В результате анкетирования выяснили:

Знают, что такое процесс испарения - 80% (16уч-ся).

Чаще всего наблюдали процесс испарения:

на кухне, когда кипит чайник - 85 % (17уч-ся);

над рекой - 15 % (3уч-ся);на улице после дождя -25% (5уч-ся);

Считают, что процесс испарения влияет на жизнь человека -85% (17уч-ся);

2.2Результаты проведенных опытов.

Для исследования зависимости скорости испарения от различных факторов был проведен ряд опытов.

Опыт №1.

Проверка зависимости скорости испарения жидкости от её объема.

Оборудование: два одинаковых стакана, вода, мензурка.

Возьмем два одинаковых стакана и нальем в них воду в разных объемах. Поместим стаканы в одинаковые условия и будем наблюдать

Вывод: скорость испарения зависит от объёма жидкости (массы). При одинаковой температуре воды и внешних условиях в обоих стаканах вода испарилась с одинаковой скоростью. В том стакане, где объём воды был меньше, она испарилась раньше, чем в том, где объём был больше;

Опыт №2.

Проверка зависимости скорости испарения жидкости от величины её поверхности.

Оборудование: стакан, тарелка, вода, мензурка.

Для проведения опыта возьмём стакан и тарелку. Нальём в них воду одинаковой массы и температуры. Поместим в среду с одинаковыми условиями. Будем наблюдать.

Вывод : по результатам опыта видно, что скорость испарения зависит от величины её поверхности. Если в узкий и широкий сосуд налить одинаковый объём воды, то можно увидеть, что в широком сосуде вода испаряется быстрее. Следовательно, чем больше площадь поверхности, тем большее число молекул вылетает в воздух. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.

Опыт № 3.

Проверка зависимости скорости испарения жидкости от температуры.

Оборудование: 2 одинаковых стакана, вода, мензурка.

Возьмем 2 одинаковых стакана и нальем в них воду одинаковой массы и температуры. Поставим 1 стакан с водой в теплое место, а другой в более прохладное место и будем наблюдать до тех пор, пока вода в одном из стаканов не испарится.

Стакан №1(мл)

Теплое место

Стакан №2 (мл)

Прохладное место

01.02.2015

17.00-17.10

02.02.2015

17.00-17.10

03.02.2015

17.00-17.10

04.02.2015

17.00-17.10

05.02.2015

17.00-17.10

06.02.2015

17.00-17.10

07.02.2015

17.00-17.10

08.02.2015

17.00-17.10

09.02.2015

17.10-17.10

10.02.2015

17.00-17.10

11.02.2015

17.00-17.10

Вывод: в результате проделанного опыта я выяснила, что вода испаряется быстрее в том сосуде, который находится в месте с более высокой температурой, потому что при нагревании скорость движения молекул увеличивается, молекулы сталкиваются и выбрасываются в воздух.

Опыт №4.

Проверка зависимости скорости испарения жидкости от рода жидкости.

Оборудование: три одинаковые тарелки, три салфетки, спирт, масло, вода, три пипетки.

В тарелки положила салфетки и на них капнула поочерёдно одинаковое количество воды, спирта и масла. Поставила в тёплом помещении и заметила, что спирт испарился через 3 минут, вода –через 12 минут и масло – через 2часа, остался след.

На 1 листе - вода

на 2 листе – масло

на 3 листе – спирт

Вывод: в результате проделанного опыта я выяснила, что разные жидкости испаряются по-разному, значит, скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости.

Опыт №5.

Проверка зависимости скорости испарения жидкости от ветра.

Оборудование: две одинаковые салфетки, вода, фен.

Намочим две одинаковые салфетки водой. Одну оставим высыхать на воздухе, а на другую направим горячую струю воздуха с помощью фена. Через 3 минуты эта салфетка стала сухой, другая же оставалась влажной ещё14 минут.

Вывод: если воздух над жидкостью движется, скорость испарения увеличивается, так как поток воздуха помогает молекулам жидкости оторваться от поверхности и перейти в парообразное состояние. Горячий воздух ускорит этот процесс.

III . Заключение

В представленной работе я более подробно узнала, что такое испарение, как оно происходит, что скорость испарения жидкостей зависит от разных факторов:

1. Скорость испарения зависит от объёма жидкости (массы). При одинаковой температуре воды и внешних условиях в обоих стаканах вода испарилась с одинаковой скоростью. В том стакане, где объём воды был меньше, она испарилась раньше, чем в том, где объём был больше;

2. Скорость испарения зависит от величины её поверхности. Если в узкий и широкий сосуд налить по одинаковому объему воды, то можно увидеть, что в широком сосуде вода испаряется быстрее. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности, тем большее число молекул вылетает в воздух. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости;

3. Вода испаряется быстрее в том сосуде, который находится в месте с более высокой температурой, потому что при нагревании скорость движения молекул увеличивается, молекулы сталкиваются и выбрасываются в воздух;

4. Разные жидкости испаряются по-разному, значит, скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости;

5. Если воздух над жидкостью движется, скорость испарения увеличивается, так как поток воздуха помогает молекулам жидкости оторваться от поверхности и перейти в парообразное состояние. Горячий воздух ускоряет этот процесс.

Моя гипотеза о зависимости скорости испарения жидкости от разных факторов подтвердилась.

Данная работа актуальна, так как люди активно используют процесс испарения в своей жизни, применяют его в производстве различных механизмов и машин, используют в быту. В природе этот процесс происходит вне зависимости от деятельности человека и задача людей – не нарушать этот процесс. Для этого необходимо любить природу и любить нашу Землю!

Литература

Горев Л.А. Занимательные опыты и викторины по физике [Текст] /Л.А. Горев.- М.: ЭКСМО,2009

Исаева О.Г. Я познаю мир [Текст] / О.Г. Исаева.- АСТ, Астрель, 2004

МейяниА. Большая книга экспериментов для школьников [Текст] / А. Мейяни. - М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006.

Испарение [Электронный ресурс]:Викепидия.– Режим доступа: .- 10.12.2013

Парообразование [Электронный ресурс]: Классная физика для любознательных.– Режим доступа: . – 15.12.2013