Испарение: определение, условия и особенности процесса

«Испарение. Конденсация»

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и  кипение.

Испарение

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Так, лужи высыхают и при 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С. Таким образом, испарением называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества испарение жидкости объясняется следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в непрерывном движении, имеют разные скорости. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности воды и воздуха и имеющие сравнительно большую энергию, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость. Таким образом, над жидкостью образуется пар.

Поскольку из жидкости при испарении вылетают молекулы, обладающие большей внутренней энергией по сравнению с энергией молекул, остающихся в жидкости, то средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшаются и, следовательно, температура жидкости уменьшается.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости. Так, скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды и растительного масла. Кроме того, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Доказательством может служить то, что бельё сохнет быстрее на ветру, чем в безветренном месте при тех же внешних условиях.

Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Например, вода при температуре 30 °С испаряется быстрее, чем вода при 10 °С.

Хорошо известно, что вода, налитая в блюдце, испариться быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан. Следовательно, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.

Конденсация

Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, и в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы вернутся в неё.

Если сосуд открыт, то процесс испарения происходит быстрее, чем конденсация, и масса жидкости в сосуде уменьшается. Пар, образующийся над жидкостью, называется ненасыщенным.

Если жидкость находится в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё, но с течением времени плотность пара над жидкостью возрастет настолько, что число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё. В этом случае наступает динамическое равновесие жидкости с её паром.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Если сосуд с жидкостью, в котором находится насыщенный пар, нагреть, то вначале число молекул, вылетающих из жидкости, увеличится и будет больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. С течением времени равновесие восстановится, но плотность пара над жидкостью и соответственно его давление увеличатся.

Конспект урока по физике в 8 классе «Испарение. Конденсация».

Следующая тема: «Кипение. Удельная теплота парообразования».

Основные типы устройств для холодильных камер

Рассматривая промышленные системы охлаждения воздуха, стоит выделить водяные модели и устройства с необходимостью подачи фреона. Такие изделия различаются по конструкции и функциональности. Среди популярных видов воздухоохладителей для промышленности преобладают фреоновые типы, которые позволяют охлаждать помещение с максимальной эффективностью.

Основные отличия такой техники:

• применение в холодильных и морозильных камерах с отрицательной температурой в рабочем объеме;
• подключение к компрессорному блоку с подачей хладагентов;
• наличие испарительного узла, который преобразует жидкий хладагент в газообразное состояние;
• контроль скорости вращения вентиляторов для обеспечения заданной температуры внутри помещения;
• оптимальная защита от агрессивного влияния хладонов на металл.

Водяной воздухоохладитель для холодильной камеры не преобразует рабочую жидкость, а лишь использует ее для охлаждения теплообменника. Вентиляторы выдувают воздух из охлажденной системы в камеру. Такие средства подключаются к чиллерам – блокам остужения нагретого теплоносителя. Эффективность работы чиллеров напрямую зависит от температуры воздуха снаружи. Поэтому в летних условиях такая техника часто теряет эффективность применения.

ссылки

1. Химия LibreTexts. (20 мая 2018 г.) Испарение и конденсация. Получено от: chem.libretexts.org
2. Хименес В. и Макарулла Дж. (1984). Физиологическая Физикохимия. (6та. ред). Мадрид: Межамериканское
3. Уиттен К., Дэвис Р., Пек М. и Стэнли Г. (2008). Химия. (8AVA. ред). CENGAGE Обучение: Мексика.
4. Wikipedia. (2018). Испарение. Получено с: https://en.wikipedia.org/wiki/Evaporation
5. Фенхель Дж. (2018). Что такое испарение? — Определение и примеры. Исследование. Получено с: study.com
6. Малский, Мэллори. (16 апреля 2018 г.) Примеры испарения и дистилляции. Sciencing. Получено от: sciencing.com

Интенсивность испарения

Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:

• Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы долгое время остаются влажными, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все высыхает быстро — из-за высокой температуры. Но это только если в сезон дождей дождь умудрился прекратиться 🙂
• Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. Фен для волос работает на этом принципе — по сути, он создает портативный ветер, который помогает высушить ваши волосы.
• Дефицит влажности. Интенсивность испарения будет выше там, где больше дефицит влажности. Вряд ли многие из нас были Сахаре, но что это такое представляют все. В любой пустыне колоссально низкая влажность — из-за этого испарение идет интенсивнее.
• Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже выяснили, что не смотря на разницу между кипением и испарением, эти два процесса между собой связаны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста равна 69 градусам Цельсия. В то время, как в нашей повседневной жизни она равна 100. Это возвращает нас к первому фактору — температуре.

Кажется, правильнее говорить «скорость испарения» вместо интенсивности? Или нет?

Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.

Другие приложения

При испарении растений и потоотделении животных используется испарительное охлаждение, чтобы не допустить, чтобы высокие температуры приводили к неустойчивой скорости метаболизма .

В пулеметах, используемых на фиксированных оборонительных позициях, иногда используется водяное охлаждение, чтобы продлить срок службы ствола в периоды быстрой стрельбы, но вес воды и насосной системы значительно снижает портативность огнестрельного оружия с водяным охлаждением. Пулеметы с водяным охлаждением широко использовались обеими сторонами во время Первой мировой войны , однако к концу войны на поле боя стали появляться более легкие вооружения, которые не уступали по огневой мощи, эффективности и надежности моделей с водяным охлаждением, таким образом, оружие с водяным охлаждением. сыграли гораздо меньшую роль в последующих конфликтах.

Больница в Швеции зависит от снежно-охлаждения из расплава воды от охлаждения своих центров обработки данных, медицинского оборудования, а также поддерживать комфортную температуру окружающей среды.

Некоторые ядерные реакторы используют тяжелую воду в качестве охлаждения. Тяжелая вода используется в ядерных реакторах, потому что она более слабый поглотитель нейтронов . Это позволяет использовать менее обогащенное топливо. Для основной системы охлаждения предпочтительно использовать обычную воду с использованием теплообменника, поскольку тяжелая вода намного дороже. В реакторах, в которых для замедления используются другие материалы (графит), для охлаждения также может использоваться обычная вода .

Высококачественная техническая вода (полученная путем обратного осмоса или дистилляции ) и питьевая вода иногда используются на промышленных предприятиях, требующих охлаждающей воды высокой чистоты. При производстве этих вод высокой чистоты образуются побочные отходы рассолов, содержащие концентрированные примеси из исходной воды.

В 2018 году исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и Университета Вайоминга изобрели метаматериал радиационного охлаждения, известный как «RadiCold», который разрабатывается с 2017 года. Этот метаматериал помогает охлаждать воду и повышать эффективность выработки электроэнергии, в которой она будет охлаждаться. находящиеся под ними объекты, отражая солнечные лучи, в то же время позволяя поверхности отдавать свое тепло в виде инфракрасного теплового излучения.

Можно ли залить воду в систему охлаждения двигателя. Летом или зимой, в инжекторный вариант. Не все так просто

Этот вопрос часто ко мне приходит в виде писем. Например один из ярких, цитата: — «раньше помню в двигатели только воду лили причем обычную из под крана, сейчас просто все помешались на этих тосолах – антифризах, поэтому вопрос такой – можно ли заливать обычную чистую воду? И какие последствия это несет для двигателя в целом». Я согласен с людьми, которые мне пишут такие вопросы, действительно раньше так поступали, но не стоит забывать, что прогресс шагнул далеко вперед …

В СССР зачастую не было охлаждающей жидкости, это уже потом придумали ТОСОЛ, но двигатель нужно было охлаждать! Да и дистиллированной воды достать было крайне сложно, поэтому лили обычную, что говорится — из под крана. ЭТО ЧИСТАЯ — ПРАВДА! Мой дед работал на ЗИЛ самосвале, и у них кроме воды ничего не было, пошел — налил в канистру залил в радиатор, тогда лили именно в радиатор потому как крышка была на нем, и поехал.

Особенности систем охлаждения с косвенно-испарительными теплообменниками

Главной особенностью и преимуществом косвенно-испарительных систем является возможность охлаждения воздуха до температуры ниже температуры мокрого термометра. Так, технология обычного испарительного охлаждения (в увлажнителях адиабатного типа), когда в поток воздуха впрыскивается вода, не только понижает температуру воздуха, но и увеличивает его влагосодержание. При этом линия процесса на I d-диаграмме влажного воздуха идет по адиабате, а минимально возможная температура соответствует точке «2» (рис. 1).

В косвенно-испарительных же системах воздух может быть охлажден до точки «3» (рис. 1). Процесс на диаграмме в данном случае идет вертикально вниз по линии постоянного влагосодержания. В результате получаемая температура оказывается ниже, а влагосодержание воздуха не растет (остается постоянным).

Кроме того, водоиспарительные системы обладают следующими положительными качествами:

• Возможность совместного получения охлажденного воздуха и холодной воды.
• Малое энергопотребление. Основными потребителями электроэнергии являются вентиляторы и водяные насосы.
• Высокая надежность, обусловленная отсутствием сложных машин и использованием неагрессивного рабочего тела — воды.
• Экологическая чистота: низкий уровень шума и вибраций, неагрессивное рабочее тело, малая экологическая вредность промышленного производства системы в силу малой трудоемкости изготовления.
• Простота конструктивного исполнения и относительно низкая стоимость, связанные с отсутствием жестких требований к герметичности системы и ее отдельных узлов, отсутствием сложных и дорогих машин (холодильных компрессоров), малыми избыточными давлениями в цикле, низкой металлоемкостью и возможностью широкого использования пластмасс.

Системы охлаждения, использующие эффект поглощения теплоты при испарении воды, известны очень давно. Однако на данный момент водоиспарительные системы охлаждения распространены недостаточно широко. Практически вся ниша промышленных и бытовых систем охлаждения в области умеренных температур заполнена хладоновыми парокомпрессионными системами.

Такая ситуация, очевидно, связана с проблемами эксплуатации водоиспарительных систем при отрицательных температурах и их непригодностью к эксплуатации при высокой относительной влажности наружного воздуха. Сказалось и то, что основные аппараты подобных систем (градирни, теплообменники), использовавшиеся ранее, обладали большими габаритами, массой и другими недостатками, связанными с работой в условиях высокой влажности. Кроме того, им требовалась система водоподготовки.

Однако сегодня благодаря техническому прогрессу получили распространение высокоэффективные и компактные градирни, способные охладить воду до температур, всего на 0,8 … 1,0° С отличающихся от температуры входящего в градирню воздушного потока по мокрому термометру.

Здесь особым образом следует отметить градирни компаний Muntes и SRH-Lauer. Такой малый температурный напор удалось обеспечить главным образом за счет оригинальной конструкции насадки градирни, обладающей уникальными свойствами — хорошей смачиваемостью, технологичностью, компактностью.

Сравнение производительности

В следующей таблице показана структура анода и максимальная удельная нагрузка на примере измерительных трубок для различных типов охлаждения.

Безусловно, наибольшая нагрузка достигается за счет испарительного охлаждения. Высокая теплота испарения воды используется для достижения высокой удельной мощности.

Схема холодильного цикла

Охлаждение воздуха в кондиционере и другом холодильном оборудовании обеспечивается циркуляцией, кипением и конденсацией фреона в замкнутой системе. Кипение происходит при низком давлении и температуре, а конденсация при высоком давлении и температуре.

Такой способ работы называется холодильным циклом компрессионного типа, так как для движения хладагента и повышения давления в системе используется компрессор. Рассмотрим схему компрессионного цикла поэтапно:

1. При выходе из испарителя вещество пребывает в состоянии пара с низким давлением и температурой (участок 1-1).
2. Затем пар поступает в компрессионную установку, которая повышает его давление до 15–25 атмосфер и температуру в среднем до 80 °C (участок 1-2).
3. В конденсаторе хладагент охлаждается и конденсируется, то есть переходит в жидкое состояние. Конденсация производится с воздушным или водяным охлаждением в зависимости от вида установки (участок 2-3).
4. При выходе из конденсатора, фреон попадает в испаритель (участок 3-4), где, в результате снижения давления, начинает кипеть и переходит в газообразное состояние. В испарителе фреон забирает тепло из воздуха, благодаря чему воздух охлаждается (участок 4-1).
5. Затем хладагент движется в компрессор и цикл возобновляется (участок 1-1).

Все холодильные циклы состоят из двух областей — с низким и высоким уровнем давления. За счёт разницы давления происходит преобразование фреона и его движение по системе. При этом чем выше уровень давления, тем выше температура кипения.

Компрессионный цикл охлаждения используется при работе многих холодильных систем. Хотя кондиционеры и холодильники различаются по конструкции и назначению, они работают по единственному принципу.

Испарение

Повседневные наблюдения показывают, что количество воды, спирта, эфира, бензина, керосина и любой другой жидкости, содержащейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается, а с течением времени жидкость и вовсе может исчезнуть. Например, хорошо закупоренный пузырек с чернилами может стоять в шкафу сколь угодно долго, и количество чернил в нем не меняется. Если же пузырек оставить открытым, то, заглянув в него через достаточно продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нем нет.

В действительности жидкости бесследно не исчезают — они испаряются, т. е. превращаются в пар.

Те же наблюдения позволяют установить, что испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Скорость испарения тем больше, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, выше ее температура и чем быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары. Поэтому чтобы белье быстрее высохло, его распрямляют, а не вешают скомканным. Белье быстрее высыхает при более высокой температуре воздуха и на ветру. Испарение также ускоряется при уменьшении внешнего давления, вернее при уменьшении давления водяных паров, содержащихся в окружающей среде.

Скорость испарения различных жидкостей различна. Эфир испаряется быстрее бензина, а бензин быстрее спирта. Все эти три жидкости, называемые летучими, испаряются быстрее воды. Поэтому их следует содержать в хорошо закрывающихся сосудах. Ртуть — очень медленно испаряющаяся жидкость.

Косвенное испарительное охлаждение

Для повышения эффективности испарительного охлаждения при высокой влажности уличного воздуха рекомендуется сочетать испарительное охлаждение с рекуперацией тепла. Данная технология известна как «косвенное испарительное охлаждение» и подходит практически для любой страны мира, включая страны с очень влажным климатом.

Общая схема работы приточно-вентиляционной системы с рекуперацией заключается в том, что горячий приточный воздух, проходя через специальную теплообменную кассету, охлаждается за счет прохладного воздуха, удаляемого из помещения. Принцип работы косвенного испарительного охлаждения заключается в установке системы адиабатического увлажнения в вытяжном канале приточно-вытяжных центральных кондиционеров, с последующей передачей холода через рекуператор приточному воздуху.

Как показано на примере, за счет использования пластинчатого рекуператора уличный воздух в системе вентиляции охлаждается на 6 °С. Применение испарительного охлаждения вытяжного воздуха увеличит разность температур с 6°C до 10°C без роста потребления электроэнергии и уровня влажности в помещении. Применение косвенного испарительного охлаждения эффективно при высоких теплопритоках, например в офисных и торговых центрах, ЦОДах, производственных помещениях и т.д.

Применение

Испарительное охлаждение, в силу своей дешевизны и низкой энергозатратности, является распространенным способом охлаждения помещений для поддержания температурного комфорта. Испарительное охлаждение требует постоянного источника воды для испарения, и в быту без полного отвода поступающего свежего, охлажденного воздуха эффективно только при низкой относительной влажности. Вместе с тем в промышленности использование 100% уличного воздуха и обеспечение постоянной вентиляции, является дополнительным достоинством данной системы.

Чтобы эффективность системы не снижалась, она должна иметь возможность отведения всего поступающего свежего воздуха, иначе испарительное охлаждение существенно поднимает уровень влажности, что может вызвать такие проблемы как кристаллизация соли, разбухание деревянных панелей, дверей и отделки, расстройство пианино или внутреннюю ржавчину.

Применение этого типа охлаждения очень распространено в криогенике. Из резервуара с криогенной жидкостью постоянно откачивается пар, и жидкость непрерывно испаряется до тех пор, пока поддерживается существенное насыщение пара. Испарительное охлаждение с помощью обычного гелия в сосуде 1-К, может опустить температуру до, как минимум, 1,2 K. Испарительное охлаждение с помощью гелия-3 может обеспечить температуру ниже 300 mK. Эти технологии могут быть использованы для создания криоохладителей, и как компонент систем низкотемпературного криостаза (таких как рефрижераторы растворения). При падении температуры падает и насыщение пара над жидкостью, после чего охлаждение становится менее эффективным. Это явление устанавливает нижнюю границу температуры достижимую для данной жидкости.

Хотя автоматические космические аппараты почти полностью используют тепловое излучение, в коротких миссиях многие пилотируемые космические аппараты применяли испарительное охлаждение. Примеры включают Спейс шаттл, модуль Аполлон, лунный модуль и первичную систему жизнеобеспечения использовавшуюся в программе Аполлон. На Аполлоне CSM и Спейс шаттл также были установлены радиаторы, а система шаттл могла испарять аммиак также как и воду. Космический аппарат Аполлон использовал очиститель, небольшое пассивное устройство, которое сбрасывало лишнее тепло в водяной пар и выдувало его в космос. Когда жидкая вода помещается в вакуум, она начинает интенсивно кипеть, унося достаточно тепла чтобы заморозить оставшуюся, образовавшийся лёд накрывал очиститель, и автоматически регулировал питающий поток воды с тепловой нагрузкой. При этом использовалась вода, которая остаётся от топливных элементов работающих на многих пилотируемых космических аппаратах для производства электроэнергии.

Обзор некоторых моделей

Рынок такого типа оборудования недостатка в предложениях не испытывает

Но можно порекомендовать обратить внимание на некоторые виды испарительных охладителей

Заслуживает самого пристального внимания мобильный испарительный охладитель honeywell cl15ae. По его названию можно понять, что главным его достоинством является возможность установки практически где угодно. Эта модель имеет небольшие габариты, но при этом довольно мощная и функциональная. Обслуживаемая площадь – 20 квадратных метров. Объем перегоняемого воздуха в течение часа составляет 490 кубометров. При этом установка имеет небольшую массу – всего 10 килограммов. Вместительность водяного бака – 15 литров. Модель проста в обслуживании, не требует усилий при установке. Ее можно удобно перемещать из одной комнаты в другую. Управление облегчается наличием пульта дистанционного управления, а также электронной индикацией.

Еще одним настоящим хитом продаж можно считать мобильный охладитель воздуха sabiel mb16. Эта модель несколько более производительна. Она рассчитана на площадь помещения 30 квадратных метров. За минуту вентилятор может перегнать 27 кубометров воздуха. Емкость водяного бака – 10 литров. При расходе жидкости в 1,2 литра в час этого хватит примерно на 8 часов беспрерывной работы. Модель также имеет пульт дистанционного управления, отличается весьма привлекательным внешне и эргономичным дизайном.

Воздушка или водянка

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для отвода излишнего тепла от деталей и узлов двигателя. На самом деле эта система вредна для вашего кармана. Приблизительно треть теплоты, полученной от сгорания драгоценного топлива, приходится рассеивать в окружающей среде. Но таково устройство современного ДВС. Идеальным был бы двигатель, который может работать без отвода теплоты в окружающую среду, а всю ее превращать в полезную работу. Но материалы, используемые в современном двигателестроении, таких температур не выдержат. Поэтому по крайней мере две основные, базовые детали двигателя — блок цилиндров и головку блока — приходится дополнительно охлаждать. На заре автомобилестроения появились и долго конкурировали две системы охлаждения: жидкостная и воздушная. Но воздушная система охлаждения постепенно сдавала свои позиции и сейчас применяется, в основном, на очень небольших двигателях мототранспорта и генераторных установках малой мощности. Поэтому рассмотрим подробнее систему жидкостного охлаждения.

Похожие записи:

Ибп из электронного трансформатора База знаний Ввертыш для ремонта резьбы Резка пенопласта: 6 инструментов, позволяющих творить искусство Все о держателях для скотча: как правильно пользоваться диспенсером для упаковки коробок Как и из чего сделать парник для рассады своими руками?