Vypařování

Vypařování  je proces fázového přechodu látky z kapalného do parního nebo plynného skupenství , probíhající na povrchu látky [1] . Při odpařování částice (molekuly, atomy) vylétávají (odtrhávají se) z povrchu kapaliny nebo pevné látky, přičemž jejich kinetická energie musí být dostatečná k vykonání práce nutné k překonání přitažlivých sil od ostatních molekul kapaliny [2 ] . Během procesu odpařování energie extrahovaná z odpařené kapaliny snižuje teplotu kapaliny, což má za následek ochlazení odpařováním [3] .

V průměru pouze zlomek molekul kapaliny má dostatek tepelné energie, aby kapalinu opustil. Proces odpařování je opakem procesu kondenzace (přechod z páry na kapalinu). Odpařování bude pokračovat, dokud nebude dosaženo rovnováhy, během níž se odpařování kapaliny rovná její kondenzaci. V uzavřeném prostoru se bude kapalina odpařovat, dokud se okolní vzduch nenasytí.

Obecná charakteristika

Kapalina ponechaná v podšálku se zcela vypaří, protože v ní kdykoli jsou molekuly , které jsou dostatečně rychlé (s dostatečnou kinetickou energií ), aby překonaly mezimolekulární přitažlivé síly na povrchu kapaliny a opustily ji. Teplota vypařující se kapaliny se musí snížit, protože molekuly, které ji opouštějí, odebírají kinetickou energii. Rychlost odpařování se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Odpařování je doprovázeno zpětným procesem - kondenzací par . Pokud je pára nad povrchem kapaliny nasycená , pak se mezi procesy ustaví dynamická rovnováha, ve které se počet molekul opouštějících kapalinu za jednotku času rovná počtu molekul, které se do ní vracejí. Pokud je pára nad kapalinou nenasycená, bude odpařování pokračovat, dokud se pára nestane nasycenou nebo dokud kapalina zcela nevyschne.

Odpařování je doprovázeno poklesem teploty, protože molekuly s energií převyšující průměrnou energii vylétají z kapaliny. Kvantitativně je vaporizační kalorimetrie charakterizována měrným výparným teplem .

Vítr přispívá k růstu rychlosti odpařování . Odstraňuje molekuly páry z povrchu kapaliny, čímž brání ustavení dynamické rovnováhy. Pro rychlé odpaření kapaliny a s tím spojené sušení se využívají proudy teplého vzduchu. Příkladem použití může být domácí vysoušeč vlasů .

Rychlost odpařování je určena povrchovou hustotou toku par pronikající za jednotku času do plynné fáze z jednotkového povrchu kapaliny. Nejvyšší hodnoty hustoty povrchového toku par je dosaženo ve vakuu . V přítomnosti relativně hustého plynného prostředí nad kapalinou se odpařování zpomaluje.

Vypařování pevného tělesa se nazývá sublimace (sublimace) a vypařování v objemu a na volném povrchu kapaliny se nazývá var. Vypařování je endotermický proces, při kterém se absorbuje teplo fázové přeměny - teplo vypařování vynaložené na překonání sil molekulární soudržnosti v kapalné fázi a na práci expanze při přeměně kapaliny na páru.

Proces vypařování závisí na intenzitě tepelného pohybu molekul : čím rychleji se molekuly pohybují, tím rychleji dochází k vypařování. Odpařování je navíc ovlivněno rychlostí vnější (vzhledem k látce) difúze , jakož i vlastnostmi samotné látky: například alkoholy se odpařují rychleji než voda. Důležitým faktorem je také povrch kapaliny, ze kterého dochází k odpařování: z úzkého skla to bude probíhat pomaleji než ze široké desky.

Matematický popis

Nejjednodušší model odpařování vytvořil Dalton. Podle jeho rovnice je množství odpařené látky z jednotky plochy za jednotku času [4] :

kde  je molární rychlost odpařování (mol/m² s), a  jsou koncentrace par na povrchu látky a v okolním prostoru, a  jsou parciální tlaky par na povrchu kapaliny a v okolním prostoru, a  jsou koeficienty proporcionality.

Pokud se kapalina právě začala odpařovat nebo suchý vzduch neustále vstupuje do povrchové vrstvy, pak je rychlost odpařování maximální. Koeficienty zase lze vyjádřit jako [5] :

kde  je Nusseltovo číslo , a  jsou difúzní koeficienty vztaženy k tlakovému a koncentračnímu gradientu, v tomto pořadí, - charakteristická velikost (například průměr kapky).

Tlak v nejjednodušším modelu se rovná tlaku nasycených par při teplotě kapaliny. Jeho závislost na teplotě je přibližně popsána exponenciálním zákonem [6] :

Tato závislost je porušena pro vysoké teploty (blízko bodu varu) [7] .

Přesněji řečeno, rychlost odpařování lze určit z Hertz-Knudsenovy rovnice [8] :

kde  je molekulová hmotnost (v SI, pak mol \ kg),  je koeficient menší nebo roven jednomu souvisejícímu s pravděpodobností odrazu molekuly od povrchu kapaliny, když na ni spadne ze vzduchu.

silně závisí na znečištění na povrchu kapaliny a může být řádově 10 −4 , pokud je znečištění významné [9] .

Rovnici sepsal Hertz po studiích provedených v 80. letech 19. století a zpřesnil ji Knudsen v roce 1915. V roce 1913 Irving Langmuir ukázal, že stejná rovnice také popisuje vypařování z povrchu pevných látek ( sublimaci ) [9] .

Historie

Fenomén vypařování je znám již od starověku. Hesiodos také napsal, že déšť se tvoří z vody, která uniká z řek [10] . Pozdější autoři správně interpretovali mraky jako důsledek vypařování vody z moří a jako příčinu vypařování poukázali na Slunce a také upozornili na fakt, že vítr zrychluje rychlost vypařování [11] . Herakleitos a Diogenes Laertes rozlišovali mezi těmi, které vyzařují výpar z povrchu vody a povrchem vlhkých těles [12] . Starověcí filozofové se často uchýlili ke spiritistickým konceptům vysvětlujícím fyzikální procesy, například psali, že duše celého světa vzniká vypařováním. Bylo také známo, že při odpařování zůstává rozpuštěná sůl [12] .

Aristoteles je považován za nejvlivnějšího antického filozofa . Ve svém díle „Meteorologie“ ( řecky Τα μετεωρολογικά ) rozvinul teorii dvou Hérakleitových par a tvrdil, že vypařování z povrchu moře a povrchu země se zásadně liší: první je příčinou deště a druhý je příčinou větru. Tento překvapivý závěr byl způsoben tím, že Aristoteles nevěřil, že vítr je jen pohyb vzduchu. Napsal, že stejně jako žádná pohybující se voda není nazývána řekou, tak vítr není prostý pohyb vzduchu. Řeka i vítr musí mít únik a v případě větru takový únik považoval za „kouř“ vznikající při vysychání země [13] .

Na druhou stranu Theophrastus , následovník Aristotela, správněji posoudil souvislost mezi větrem, Sluncem a vypařováním. Správně tedy předpokládal, že vítr urychluje odpařování, neboť odstraňuje již vytvořenou páru z vody. Nepodporoval ani Aristotelovy názory na zvláštní význam vypařování ze země a napsal, že „pohyb vzduchu je vítr“ [14] .

Římští autoři jako Plinius a Lucretius také psali o povaze vypařování a jeho vztahu k počasí, ale většinou pouze rozvíjeli teorie řeckých filozofů [14] . Kromě vysvětlení počasí se řečtí a římští vědci zaměřili na odpařování, aby vysvětlili další problém – proč se moře nepřelévají, ačkoli do nich řeky nepřetržitě linou vodu [15] .

Teorie dvojího vypařování, podporovaná autoritou Aristotela, dominovala evropské vědě až do začátku renesance [16] . Jedním z prvních vědců, kteří se ji pokusili odmítnout, byl René Descartes . Ve svém díle Meteora (1637) napsal, že sluneční světlo zvedá částice vody stejným způsobem, jakým se při chůzi zvedá prach. Stejným způsobem přitom uvažoval o odpařování z povrchu mokrých těles, neboť se domníval, že pevná tělesa vlhnou, když částice vody pronikají mezi velké částice pevného tělesa. Descartes také popíral zvláštní povahu větru a považoval jej za obvyklý pohyb vzduchu. Důvod, proč se kapaliny vypařují a pevné látky nikoliv, spatřoval v hladším povrchu vodních částic, díky čemuž se od sebe snadno oddělují, zatímco částice pevných látek k sobě silněji ulpívají [17] .

První experimentální studii vypařování provedl Pierre Perrault . V chladné zimě 1669-1670 dal ven 7 liber studené vody. Po 18 dnech zaznamenal, že jedna libra zmizela. Nebylo to první pozorování, že k vypařování může docházet i v chladu, ale bylo to první experimentální měření intenzity tohoto procesu. Perrault také zkoumal odpařování kapalin jiných než voda, jako je olej [17] . Dalším fyzikem, který studoval vypařování, byl Edmond Halley . Měřil rychlost, jakou voda uniká z tenkých trubiček. Jeho výsledky (0,1 palce za 12 hodin) mu umožnily tvrdit, že tato voda tvoří déšť, rosu atd. [18] . Halleyovy hypotézy o mechanismu vypařování se lišily od Descartových. Napsal tedy, že pokud se průměr atomů vody zvětší 10krát, jejich hustota bude menší než hustota vzduchu a začnou „plavat“. Porovnával také procesy odpařování vody do ovzduší s procesem rozpouštění soli ve vodě [18] . Halley napsal, že společné působení slunce a větru je příčinou vypařování.

Přístupy Halleyho a Descarta daly vzniknout dvěma populárním přístupům k vysvětlení vypařování. Podle jednoho se voda „rozpustila“ ve vzduchu (což znamenalo, že při nedostatku vzduchu nedojde k odpařování) a podle jiného se částice vody jednoduše oddělily od hlavní hmoty [19] .

Francouzský matematik Sédille udělal mnoho pro experimentální studium vypařování, protože tato data potřeboval k vyřešení technického problému – výpočtu, jak rychle se odpaří voda z fontán ve Versailles. Experimentoval 3 roky, od roku 1688 do roku 1690. Podle jeho měření se v té oblasti za rok odpařilo asi 88 centimetrů vody a jen asi dvě třetiny z tohoto množství se vrátily jako srážky. Poznamenal také, že voda se vypařovala ze široké nádoby rychleji než z úzké (Sedili použil pro experiment několik měděných nádob) [20] .

V roce 1744 Desaguliers navrhl, že odpařování je elektrostatické povahy (tekuté částice se odpuzují od hlavní hmoty, protože mají stejný náboj), ale experimenty neprokázaly silný účinek elektřiny [19] .

Ve druhé polovině 18. století se ukázalo, že odpařování ve vakuu je pomalejší než ve vzduchu a také, že vlhkost vzduchu snižuje intenzitu odpařování, což zvýšilo oblibu teorie rozpouštění [21] .

V roce 1757 Franklin popsal chladící účinek odpařování (poznamenal, že teploměr navlhčený alkoholem ukázal teplotu o 6 stupňů nižší než suchý) [21] .

V roce 1802 John Dalton jako první sepsal rovnici, která umožnila vypočítat množství vody vypařující se z povrchu za určitou dobu [21] .

V roce 1862 Thomas Tate zkonstruoval zařízení „Evaporameter“ ( řecký evaporameter ) k měření rychlosti odpařování a ukázal, že je úměrné rychlosti větru nad vodou [22] . Později Wilenmann opravil Daltonovu rovnici, přičemž vzal v úvahu skutečnost, že teplota vody je nižší než teplota okolního vzduchu kvůli skutečnosti, že ji odpařování ochlazuje [23] .

Ještě přesnější rovnice byly sepsány po sérii velmi přesných experimentů Stefanem (1873), Hertzem (1882) a Knudsenem (1915) [24] a díky objevu Stefanova-Boltzmannova zákona [25] .

Evapotranspirace

Evapotranspirace  je vypařování ze zemského povrchu , včetně rostlinné transpirace . V poslední době se pro evapotranspiraci začíná používat termín „ evapotranspirace “. Evapotranspirace se vyjadřuje v mm vodního sloupce a koreluje s bioproduktivitou ekosystémů . Potenciální evapotranspirace - množství vody, které by se mohlo uvolnit evapotranspirací za určitého režimu teploty a vlhkosti s přebytkem vody. Skutečná evapotranspirace je množství vody, kterou rostliny v daném místě vrátí do atmosféry. Považováno za opak dešťových srážek (obecně pod potenciální evapotranspirací). Skutečná evapotranspirace kdekoli na světě je určena teplotou.

Existuje další charakteristika vypařování - těkavost. Výparem se rozumí potenciální (neomezený zásobami vody) výpar v daném prostoru za stávajících atmosférických podmínek.

Rychlost odpařování vody

Odpařování vody od 1 m² (v kg/h) v závislosti na teplotě vody a podmínkách prostředí
Teplota vody klidný vzduch Průměrný pohyb vzduchu Silné odsávání vzduchu
patnáct 0,425 0,546 0,670
třicet 1,056 1,365 1,664
padesáti 3,081 3,955 4,853
75 9,666 12,405 15,597
100 25,463 32,077 40,105

Poznámky

  1. ↑ definice odpadu . Dictionary.com . Staženo 23. ledna 2018. Archivováno z originálu 22. ledna 2018.
  2. ↑ Referenční dílo nového studenta (1914) . - 1914. - S. 636. Archivováno 9. prosince 2021 ve Wayback Machine
  3. ↑ Lohner, Science Buddies, Svenja . Chilling Science : Odpařovací chlazení s kapalinami  , Scientific American . Archivováno z originálu 24. března 2022. Staženo 8. února 2022.
  4. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , str. 95.
  5. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , str. 96.
  6. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , str. 99.
  7. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , str. 100.
  8. ↑ Meissel, Glang, 1977 , s. 37.
  9. ↑ 1 2 Meissel, Glang, 1977 , str. 38.
  10. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 12.
  11. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 13.
  12. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , str. čtrnáct.
  13. ↑ Brutsaert, 1982 , str. patnáct.
  14. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , str. 16.
  15. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 19.
  16. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 25.
  17. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , str. 26.
  18. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , str. 27.
  19. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , str. 29.
  20. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 28.
  21. ↑ 1 2 3 Brutsaert, 1982 , str. třicet.
  22. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 32.
  23. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 33.
  24. ↑ Mechanismus odpařování Archivováno 19. července 2018 na Wayback Machine  (ruština)
  25. ↑ Brutsaert, 1982 , str. 36.

Literatura

Odkazy