В поверхностном слое (около поверхности жидкости) действуют силы, обеспечивающие существование поверхности, эти силы не дают молекулам покидать объем вещества. Молекулы находятся в постоянном тепловом движении и некоторые из них обладают скоростями, достаточными для преодоления удерживающих сил. Данное явление называют испарением.
Процесс испарения может протекать при любой температуре, но его скорость зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее происходит процесс испарения.
Испарение жидкостей
Эксперименты показывают, что жидкости могут испаряться, то есть переходить в состояние газа.
Скорость процесса испарения оценивают количеством молекул, которые переходят с единицы поверхности жидкости в пар в единицу времени. Для разных жидкостей этот параметр разный:
- эфир, находящийся в тарелке испаряется за несколько минут при температуре $20^0C$;
- вода в таких же условиях и такой же массы будет испаряться несколько часов;
- ртуть испарится за несколько лет.
Если покинувшие жидкость молекулы уходят из пространства около поверхности жидкости, то с течением времени вся жидкость испаряется.
При удержании молекул, покинувших жидкость в ограниченном объеме около поверхности жидкости, возможен возврат этих молекул в жидкость. Молекулы «ушедшие» из жидкости составляют пар. Частицы пара, которые попадают в некоторую область у поверхности жидкости, могут при помощи сил притяжения быть вовлечены назад в жидкость. Так скорость испарения может быть существенно уменьшена.
Увеличение плотности молекул пара приводит к тому, что количество молекул, покинувших жидкость равно числу молекул в жидкость вернувшаяся. Система пар – жидкость приходит в состояние динамического равновесия.
Пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным.
При увеличении температуры плотность и давление насыщенного пара растут. При росте плотности насыщенных паров поверхностное натяжение жидкости уменьшается, поскольку увеличиваются силы противоположные силам, направленным внутрь жидкости. При этом скрытая теплота парообразования при увеличении температуры уменьшается. При некоторой температуре, которую именуют критической, плотность насыщенных паров равна плотности жидкости. Так, различие между фазами исчезает.
Поверхностное натяжение и скрытая теплота парообразования при критической температуре становятся равными нулю.
Испарение твердых веществ
Испаряться способны не только жидкости, но и твердые тела, так при комнатной температуре и атмосферном давлении испаряются:
- нафталин;
- камфара;
- кристаллы йода;
- бром.
Лед испаряется при отрицательных температурах.
Испарения твердых тел, без перехода в жидкую фазу, называют возгонкой (или сублимацией).
Скорость возгонки зависит от температуры и химической природы вещества.
Молекулярные кристаллы, подобные йоду, брому способны легко испариться, особенно, если их немного подогреть. Это происходит потому, что силы межмолекулярного притяжения, которые связывают молекулы в решетке кристаллов, довольно слабы.
Довольно быстро испаряется лед, который обладает рыхлой кристаллической решеткой.
Тогда как кристаллы металлов, имеющие плотную упаковку, плохо подвержены испарению.
Механизм испарения
Механизм испарения можно описать так:
- Молекула (атом), который находится около поверхности вещества, подвержен действию сил молекулярного взаимодействия, втягивающих его внутрь. Эти силы удерживают частицу на поверхности жидкости (или кристалла).
- Для возможности у частицы покинуть поверхность вещества, молекула должна обладать кинетической энергией большей, чем энергия испарения ($E_0$).
Энергия испарения равна работе, которую следует совершить для преодоления сил молекулярного притяжения и удаления частицы на такое расстояние от поверхности вещества, где силы молекулярного притяжения на нее уже не действуют.
Условие испарения можно математически записать как:
$\frac{m_0v^2}{2}\ge E_0\left(1\right),$
где $m_0$ - масса молекулы; $v$ - скорость молекулы.
Формула (1) показывает, что поверхность вещества могут покинуть молекулы, скорость которых удовлетворяет условию (1), то есть быстрые частицы. Данный факт дает возможность понять, почему в процессе испарения вещество охлаждается. Температура тела определена средней кинетической энергией перемещения молекул. Если вещество покидают наиболее быстрые молекулы, то средняя энергия оставшихся частиц уменьшается, и это означает уменьшение температуры.
Особенно сильное охлаждение возникает тогда, когда испарение идет с большой скоростью. При этом в испаряющуюся жидкость не успевает поступать теплота от окружающих тел.
Охлаждение до $0^0$ можно легко добиться при испарении эфира или этила. Данное свойство используют врачи, если им требуется заморозить кожу человека, уменьшая ее чувствительность.
Охлаждение в процессе испарения и выделение тепла при конденсации пара очень важно в природных процессах, например:
- Это определяет умеренность климата в странах около морей.
- При помощи испарения пота кожей происходит процесс теплорегуляции у человека и животных. Когда температура воздуха повышена, кожа покрывается потом, пот испаряется, так происходит ее охлаждение.
Скорость испарения
Скорость испарения пропорциональна вероятности испарения, так как чем выше вероятность перехода молекул с поверхности тела в пар, тем большее количество молекул, которые переходят в пар с единицы площади за единицу времени.
$v_i\sim w_i\left(2\right),$
где $w_i=a^{-\frac{\alpha E_0}{kT}}\ $ – вероятность испарения, тогда запишем:
$v_i=G_0a^{-\frac{\alpha E_0}{kT}}\left(3\right),$
где G_0 – величина, пропорциональная количеству молекул, которые могут покинуть поверхность, то есть молекулы, скорость которых удовлетворяет условию (1). Можно предположить, что:
$G_0=B\sqrt{T}\left(4\right),$
где $B$ - постоянная, зависящая от химических свойств вещества; $T$ - температура вещества.
