Разбираемся в сути явления: туман — это конденсация или парообразование?

От чего зависит скорость испарения

Скорость, с которой вещество испаряется, зависит от:

• силы, с которой молекулы вещества притягиваются к соседним молекулам (род вещества),
• площади поверхности жидкости,
• движения воздуха над поверхностью жидкости (дует ли ветер, или нет),
• температуры (чем выше температура, тем интенсивнее испарение).

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.

Рис. 2. Скорость испарения зависит от рода вещества, температуры, площади поверхности тела и наличия движения воздуха над поверхностью тела

Как влияет на испарение род вещества

Из жизненного опыта известно, что некоторые жидкости испаряются быстрее, другие — медленнее.

Возьмем воду и ацетон при одинаковой температуре и сравним скорости их испарения.

Если капнуть ацетон на руку, он начнет быстро испаряться и в месте контакта мы будем ощущать холод.

Примечание: Ощущение холода возникает из-за того, что испаряющиеся молекулы уносят с собой тепловую энергию.

А если руку смочить водой, то значительного ощущения холода не возникает.

Вода будет испаряться медленнее, потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы ацетона. Из-за этого, скорость испарения воды меньше скорости, с которой испаряется ацетон.

Рис. 3. Молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы ацетона. Из-за этого, ацетон испаряется быстрее воды

Примечание: Обычно, вместо фразы «Молекулы притягиваются сильно» физики говорят: «Потенциальная энергия взаимодействия молекул велика».

Быстро испаряющиеся вещества  химики иногда называют летучими. Примерами таких летучих веществ могут служить медицинский спирт, бензин, ацетон и т. п. Такие вещества хорошо испаряются, потому, что невелики силы притяжения между их молекулами.

Как влияет на испарение движение воздуха над поверхностью

Скорость испарения жидкости возрастает, когда воздух над ее поверхностью приходит в движение.

Некоторые испаряющиеся молекулы не имеют запаса кинетической энергии, чтобы улететь подальше от своей жидкости. Они остаются близко к поверхности и спустя какое-то время возвращаются назад в жидкость. Движение воздуха эти вылетевшие молекулы подхватывает и уносит, не давая им вернуться назад. Из-за этого, скорость испарения жидкости увеличивается.

Рис. 4. Из-за ветра скорость испарения жидкости увеличивается — движение воздуха подхватывает испарившиеся молекулы и уносит, не давая им вернуться назад в жидкость

Если подуть на мокрую руку, мы почувствуем ощущение прохлады отчетливее. Возникшее движение воздуха увеличило количество испаряющихся молекул. И теперь из жидкости уходит больше тепловой энергии. Это повлияло на усиление ощущения холода.

Как влияет на испарение площадь поверхности жидкости

Нальем одинаковое количество воды в стакан и в блюдечко. Оставим эти емкости на столе на некоторое время. Через несколько дней мы заметим, что в стакане количество воды уменьшилось, а из блюдца вода испарилась полностью. Вода из блюдца испарилась быстрее, потому, что имела большую площадь поверхности.

Рис. 5. Чем больше поверхность жидкости, тем быстрее она испаряется, ведь испарение происходит на поверхности

Процесс испарения происходит у поверхности жидкости. Поэтому, чем больше поверхность жидкости, тем быстрее будет испаряться жидкость.

Как влияет на испарение температура

Жидкости испаряются при любой температуре. А с ростом температуры скорость испарения возрастает. Потому, что возрастает количество молекул, обладающих энергией, достаточной, чтобы покинуть жидкость.

Рис. 6. С ростом температуры скорость испарения возрастает, потому, что все больше молекул обладает энергией, достаточной, чтобы покинуть жидкость

Примечание: Зависимость испарения от температуры в некоторых учебниках описывают так: При повышении температуры все большее количество молекул жидкости имеют кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию взаимодействия с соседними молекулами. Поэтому, с ростом температуры, скорость испарения жидкости возрастает.

Примечание: Процесс образования пара в одних случаях называют испарением, а в других – кипением (ссылка).

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Рисунок 1. Выделение энергии при конденсации пара

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось. 

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что 

Значит, при превращении $1 \space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 \degree C$ выделяется $2.3 \cdot 10^6 \space Дж$ энергии.

{"questions":}},"hints":}]}

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Процесс образования пара — парообразование

Жидкости имеют свойство переходить из жидкого состояния в газообразное — пар. Превращение жидкости в пар называется парообразованием.

Примечание: Словосочетание «Образование пара» физики часто заменяют словом «Парообразование».

Нальем в емкость какую-либо жидкость — например, воду, эфир, спирт, бензин, и т. п. Если не накрывать емкость крышкой, то через некоторое время количество жидкости в емкости уменьшается. Это происходит из-за парообразования.

Когда парообразование происходит на поверхности, его называют испарением.

Примечание: Жидкости могут превращаться в пар с помощью двух процессов – испарения и кипения (ссылка).

Что происходит во время испарения

Во время испарения:

• с поверхности тела вылетают молекулы;
• улетающие молекулы уносят с собой часть внутренней энергии этого тела.

Рис. 1. Испарение – это парообразование на поверхности жидкости или твердого тела

Почему при быстром испарении температура жидкости ощутимо понижается

Мы знаем, что температура влияет на скорость движения молекул.

При одной и той же температуре скорости соседних молекул немного различаются. Одни молекулы будут двигаться несколько быстрее других.

Часть молекул будет двигаться насколько быстро, что преодолеет притяжение соседних молекул жидкости и покинет ее. Такие молекулы испаряются и уносят с собой энергию.

Испарение – это эндотермический процесс. Он происходит с поглощением энергии.

Куда тратится полученная энергия? Ее забирают с собой испарившиеся молекулы,  вылетевшие из жидкости.

Примечание: Из-за потерь тепловой энергии при испарении температура жидкости понижается. Чем быстрее испаряется жидкость, тем сильнее понижается ее температура.

Если же испарение происходит медленно, то потери теплоты успевают восполниться. Молекулы окружающего воздуха будут отдавать часть своей (тепловой) энергии молекулам жидкости и ее температура значительно понижаться не будет.

Могут ли испаряться твердые тела

Испаряются не только жидкости, но и твердые тела.

Жителям северных районов известно, что кусочки льда, не прикрытые снегом, со временем  уменьшаются в размерах. Происходит выветривание льда. Лед испаряется даже при минусовой температуре воздуха.

Связь с человеком

Не менее велика роль испарения в жизнедеятельности человеческого организма: он борется с нагреванием посредством потоотделения. Испарение происходит обычно через кожу, а также через дыхательные пути. Это можно легко заметить во время болезни, когда температура тела поднимается или в период занятий спортом, когда повышается интенсивность испарения.

Если нагрузка невелика, из организма уходит от одного до двух литров жидкости в час, при более интенсивном занятии спортом, особенно когда температура внешней среды превышает 25 градусов, интенсивность испарения увеличивается и с потом может выйти от трёх до шести литров жидкости.

Через кожу и дыхательные пути вода не только покидает организм, но и поступает в него вместе с испарениями окружающей среды (не зря своим пациентам врачи часто прописывают отдых на море). К сожалению, вместе с полезными элементами в него нередко попадают и вредные частицы, среди них – химические вещества, вредные испарения, которые наносят здоровью непоправимый ущерб.

Одни из них токсичны, другие, вызывают аллергию, третьи – канцерогенны, четвёртые вызывают онкологические и другие не менее опасные заболевания, при этом многие обладают сразу несколькими вредными свойствами. Вредные испарения оказываются в организме в основном через органы дыхания и кожу, после чего, оказавшись внутри, моментально всасываются в кровь и разносятся по всему телу, оказывая токсическое воздействие и вызывая серьёзные заболевания.

В данном случае много зависит от местности, где обитает человек (возле фабрики или завода), помещения, в котором живёт или работает, а также времени пребывания в опасных для здоровья условиях.

Вредные испарения могут попадать в организм из предметов быта, например, линолеума, мебели, окон и пр

Дабы сохранить жизнь и здоровье, таких ситуаций желательно избегать и наилучшим выходом будет покинуть опасную территорию, вплоть до обмена квартиры или работы, а при обустройстве жилища обращайте внимание на сертификаты качества покупаемых материалов

Упражнения

Упражнение №1

У вас есть вода массой $2 \space кг$  с температурой $20 \degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:$m = 2 \space кг$$t_1 = 20 \degree C$$t_2 = 100 \degree C$$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:$Q_1 = cm (t_2 — t_1)$.

$Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 20 \degree C) = 8400 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 80 \degree C = 672 \space 000 \space Дж \approx 0.7 \cdot 10^6 \space Дж$.

 Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 \cdot 10^6 \space Дж + 4.6 \cdot 10^6 \space Дж = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №2

Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 \space кг$ от $100 \degree C$ до $0 \degree C$.

Дано:$m = 2 \space кг$$t_1 = 100 \degree C$$t_2 = 0 \degree C$$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение

Скрыть

Решение:

Температура $100 \degree C$ — это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:$Q = Q_1 + Q_2$, где$Q_1$ — количество выделенной теплоты при конденсации пара,$Q_2$ — количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 \degree C$.

$Q_1 = Lm$.$Q_1 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 — t_2)$.$Q_2 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 0 \degree C) = 8400 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 100 \degree C = 840 \space 000 \space Дж \approx 0.8 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q =  4.6 \cdot 10^6 \space Дж + 0.8 \cdot 10^6 \space Дж= 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №3

Из чайника выкипела вода объемом $0.5 \space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 \degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды — $1000 \frac{кг}{м^3}$.

Дано:$V = 0.5 \space л$$\rho = 1000 \frac{кг}{м^3}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

СИ:$0.5 \cdot 10^{-3} \space м^3$

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем: $m = \rho V$.

Тогда наша формула примет вид:$Q = L\rho V$.

$Q = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 1000\frac{кг}{м^3} \cdot 0.5 \cdot 10^{-3} \space м^3 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 0.5 \space кг =  1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Примеры сублимации

1. Сухой лед. При комнатной температуре лед из углекислого газа (CO₂, сначала сжиженный, а затем замороженный) возвращается в исходную газообразную форму.
2. Испарение на полюсах. Поскольку в Арктике и Антарктике вода не находится в жидкой форме (они ниже 0 ° C), часть ее сублимируется прямо в атмосферу из твердой формы льда.
3. Нафталин. Состоящий из двух бензольных колец, этот твердый материал, используемый в качестве репеллента для моли и других животных, исчезает сам по себе, поскольку при комнатной температуре он превращается из твердого вещества в газ.
4. Сублимация мышьяка. При доведении до 615 ° C этот твердый (и высокотоксичный) элемент теряет свою твердую форму и превращается в газ, не проходя через жидкость по пути.
5. Следы комет. По мере приближения к солнцу эти движущиеся камни нагреваются, и большая часть CO₂ замерзший начинает сублимироваться, прослеживая известный «хвост» или видимый след.
6. Сублимация йода. Кристаллы йода при нагревании превращаются в очень характерный пурпурный газ без необходимости сначала плавиться.
7. Сублимация серы. Серу обычно сублимируют, чтобы получить «цветок серы», его представление в виде очень тонкого порошка.

Узнать больше: Примеры от твердого до газообразного (и наоборот)

Явление природы

Само определение тумана встречается во многих учебниках и энциклопедиях. Значение этого слова следующее: конденсат, появляющийся из-за конфликта между холодными и теплыми массами. То есть это непрозрачный воздух, насыщенный парами воды и загрязненный дымом и пылью.

Туман появляется из-за того, что в нижних атмосферных слоях скапливаются капли или ледяные кристаллы. Структура этих частиц зависит от температуры окружающей среды. Капли держатся при отметке градусника не ниже +10, а лед появляется при -15 и меньше. Но иногда оба состояния смешиваются, получается туманный гибрид.

Дымка считается одной из разновидностей облаков из-за похожих физических характеристик. Но первая держится гораздо меньше по времени. А также у тумана небольшая плотность по сравнению с облаками.

Хотя природное явление кажется простым, оно зависит от нескольких факторов:

• разность температур воздуха и земли;
• движение ветра;
• насыщенность конденсатом.

Туман часто пугает детей тем, что в нем ничего не видно и можно заблудиться. На самом деле очень плотная дымка встречается редко и только во влажную пасмурную погоду. Сама по себе пелена безопасна, в ней нет вредных веществ. Хотя в смоге скапливаются отходы промышленных предприятий, их слишком мало, чтобы причинить значительный вред организму человека.

Это интересно: Газовые огнетушащие вещества ГОТВ: виды, выбор, безопасность