> Испарение
Испарение и парообразование в жидкостях: трансформация твердых тел в жидкость и газ, как происходит испарение, скорость движения молекул и кинетическая энергия.
Испарение – процесс для молекул в жидкости, которые набирают достаточное количество энергии, чтобы трансформироваться в газ.
Задача обучения
- Выявить причины испарения возле поверхности жидкости.
Основные пункты
- Испарение трансформирует жидкость в газ.
- Испарение осуществляется при температуре ниже точки кипения, так как молекулы в жидкости обладают разной энергией.
- Когда молекулы в жидкости ударяются, некоторые получают большее количество энергии и вырываются. Это понижает энергию оставшихся молекул и приводит к охлаждению в испаряющихся жидкостях.
Термин
- Парообразование – трансформация твердого вещества или жидкости в газ.
Что такое и почему происходит испарение? Испарение – тип трансформации жидкости, возникающий на поверхности. Обычно молекулы в стакане воды не обладают достаточным количеством энергии, чтобы вырваться из жидкости. Но если присутствует необходимый нагрев, то жидкость стремительно переходит в парообразное состояние.
При ударе молекулы передают друг другу энергию. Иногда это происходит в одностороннем направлении и молекуле удается вырваться. Тремя условиями для испарения выступают тепло, атмосферное давление и перемещение воздуха. Чтобы молекулы жидкости испарялись, они должны находиться как можно ближе к поверхности, перемещаться в правильном направлении и обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть межмолекулярные силы. Если этим критериям отвечает небольшое количество молекул, то скорость испарения низкая.
Когда молекулы ускоряются остальные обладают более низкой средней кинетической энергией, а температура жидкости падает. Этот процесс именуют испарительным охлаждением. Поэтому испарение пота охлаждает наш организм. При более высоких скоростях испарение также ускоряется.
(а) – Из-за распределения скоростей и некоторых кинетических энергий, определенная часть молекул получает возможность вырваться из парового состояния даже при температурах ниже точки кипения. (b) – Если емкость герметизирована, то испарение продолжится, пока плотность конденсата не достигнет скорости конденсации, приравниваемой к темпу испарения. Плотность пара и созданное пропорциональное давление выступают значениями насыщения. Они вырастают с температурой и не имеют связи с другими газами (воздух). На них может влиять только давление пара воды
Процесс испарения жидкости – важная часть в водном цикле. Солнце стимулирует испарение воды из земных океанов, морей, озер, почвы и прочих источников. В гидрологии испарение и транспирация объединяются в эвапотранспирацию. Вода испаряется, когда поверхность переживает воздействие и позволяет молекулам отрываться, создавая водяной пар. Он способен подняться и сформировать облака.
Испарение - это процесс, при котором вещество из жидкого или твердого состояния переходит в пар. В случае перехода вещества из твердого состояния непосредственно в парообразное - процесс чаще называют возгонкой. Обратный - переход пара в воду называют конденсацией. Водяной пар, конденсируясь в атмосфере, образует облака, а затем и осадки, выпадающие на землю.
Рассмотрим испарение в замкнутом объеме. Известно, что молекулы жидкости, обладая кинетической энергией, постоянно совершают колебательные движения. Скорость их движения является важным показателем их кинетической энергии. При колебательном движении в пар переходят молекулы воды, обладающие наибольшей скоростью движения по сравнению с другими молекулами. Чтобы оторваться от поверхности воды испаряющаяся молекула должна преодолеть силы притяжения со стороны оставшихся молекул, а также внешнее давление уже образовавшегося пара над этой поверхностью. При испарении температура воды понижается. Объясняется это тем, что жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей энергией по отношению к другим молекулам при данной её температуре. Чтобы температура жидкости не понижалась, её необходимо непрерывно нагревать. Количество теплоты, необходимое для поддержания постоянной температуры называют удельной теплотой испарения. Т.о, испарение воды сопровождается затратой энергии, характеризующейся количеством теплоты, которое нужно сообщить единице её массы, имеющей температуру 1, чтобы превратить её в пар при той же температуре.
Испарение происходит при любой температуре. Но с её возрастанием скорость испарения увеличивается, так как интенсивность теплового движения молекул в этом случае также возрастает. Одновременно с испарением наблюдается процесс конденсации водяного пара, т.е. происходит непрерывный обмен молекулами между этими фазами. В зависимости от преобладания первого или второго процесса над водной поверхностью будет наблюдаться насыщенный водяной пар, динамическое равновесие или перенасыщенный водяной пар. Указанные состояния водяного пара в воздухе можно характеризовать соответствующими разностями давления водяного пара: ℮0 - ℮ > 0, ℮0- ℮ = 0, ℮0- ℮ < 0, где ℮0 - давление насыщенного водяного пара в воздухе, определяемое по температуре поверхности воды; ℮ - парциальное давление водяного пара в воздухе. Разность ℮0- ℮ - дефицит насыщения воздуха.
Итак, в замкнутом объеме интенсивность испарения зависит от температуры поверхности воды, определяющей значение ℮0 , и фактического парциального давления водяного пара ℮ над испаряющей поверхностью. Чем выше температура воды и ниже фактическое парциальное давление водяного пара, тем больше испарение. В естественных условиях температура воды и влажность воздуха непостоянные и зависят от многих факторов: солнечной радиации, радиационного излучения подстилающей поверхности, стратификации атмосферы, скорости воздушного потока и др.
Методы расчета испарения с водной поверхности.
Оценка испарения с водной поверхности может быть произведена с использованием нескольких методов. Большое количество методов вызвано тем, что сложный механизм взаимодействия между водной поверхностью водоема и прилегающей к ней воздушной массой полностью не раскрыт. Более точным из разработанных методов считается инструментальный (прямой) метод, т. е. метод непосредственного измерения слоя испарившейся воды с помощью водных испарителей. К прямому методу относится и пульсационный метод. Однако они не всегда могут быть применены вследствие их трудоемкости и невозможности использования при разработке проекта. Поэтому для определения испарения с поверхности воды применяют косвенные методы, основанные на использовании уравнений водного и теплового балансов, турбулентной диффузии водяного пара в атмосфере, а также производят расчёт по метеорологическим данным с помощью эмпирических формул.
Испарение
Испарение над кружкой чая
Испаре́ние - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.
Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.
Испаре́ние - это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом E k > E п.
Общая характеристика
Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости - кипением. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются.
Испарение - эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с.м 2) или кг/(с.м 2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.
Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул : чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии , а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.
Молекулярный уровень
Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения.
Термодинамическое равновесие
Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.
Баро-, термодиффузии
Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости.
При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота Испарение может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при испарении от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основной массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг. При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объёмом или омывающим её поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж - Qи, где Qи -теплота испарения, Qжг - количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемое испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на Испарение (Qж = Qи).
В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами.
Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена.
Скорость испарения
Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: , где D - коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; - газовая постоянная пара, [Дж/(кг К)] или [м 2 /(с 2 K)]; T - температура смеси, [К]; р - давление парогазовой смеси, [Па]; - парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па].
В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях - приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз.
Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр - рп, осн) = bpр(уп, гр - уп, осн) или jп = bc(cп, гр - сп, осн), где bp, bc - коэффициент массоотдачи, p - давление смеси, рп - парциальное давление пара, yп = pп/p - молярная концентрация паров, cп = rп/r - массовая концентрация паров, rп, r - локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» - у границы раздела фаз, «осн» - в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2 с)]: q = aж(tж - tгр) = rjп + aг (tгр - tг), где aж, aг - коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 К)]; r - теплота Испарение, [Дж/кг].
При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр ~ tж, то при расчете испарения могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = aг l/lг - число Нуссельта, l - характерный размер поверхности испарения, lг - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpyг, грl/Dp = bccг, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и bс вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп: 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг, гр) или массовую (сг, гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b.
Уравнения
Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя.
При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость.
Конструкции аппаратов
Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата.
Применение
Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий.
См. также
Литература
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
- Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957;
- Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958;
- Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974;
- Берман Л. Д., «Теоретические основы хим. технологии», 1974, т.8, № 6, с. 811-22;
- Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Испарение" в других словарях:
Переход в ва из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией. Зависимость давления… … Физическая энциклопедия
Парообразование, происходящее на свободной поверхности жидкости. Испарение с поверхности твердого тела называется сублимацией … Большой Энциклопедический словарь
Нам всем с детства хорошо известен один серьёзный жизненный факт. Для того чтобы остудить горячий чай, необходимо налить его в холодное блюдце и продолжительно дуть над его поверхностью. Когда тебе шесть-семь лет, особо не задумываешься над законами физики, просто принимаешь их как данное или, выражаясь физически, принимаешь их за аксиому. Однако, постигая со временем науки, мы обнаруживаем интересные сходства аксиом и последовательных доказательств, плавно переводя наши детские предположения во взрослые теоремы. То же самое и с горячим чаем. Никто из нас и подумать не мог, что такой способ его охлаждения напрямую связан с испарением жидкости.
Физика процесса
Для того чтобы ответить на вопрос, от чего зависит скорость испарения жидкости, надо разобраться в самой физике процесса. Испарение - это процесс фазового перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Испаряться может любое в том числе очень вязкое. С виду и не скажешь, что некая желеобразная жижа может терять часть своей массы за счет испарения, но при определённых условиях именно это и происходит. Твердое тело также может испаряться, только такой процесс называется сублимацией.
Как происходит
Начав разбираться, от чего зависит скорость испарения жидкости, следует отталкиваться от того, что это эндотермический процесс, то есть процесс, проходящий с поглощением теплоты. Теплота (теплота испарения) передаёт энергию молекулам вещества, увеличивая их скорость и повышая вероятность их отрыва, ослабляя при этом силы молекулярного сцепления. Отрываясь от основной массы вещества, самые быстрые молекулы вырываются за его границы, и вещество теряет свою массу. При этом вылетевшие молекулы жидкости мгновенно вскипают, осуществляя при отрыве процесс фазового перехода, и их выход идёт уже в газообразном состоянии.
Применение
Понимая, от каких причин зависит скорость испарения жидкости, можно грамотно регулировать технологические процессы, происходящие на их основе. Например, работу кондиционера, в теплообменнике-испарителе которого кипит хладагент, забирая теплоту из охлаждаемого помещения, или вскипание воды в трубах промышленного котла, теплота которой передается на нужды отопления и ГВС. Осознание того, от каких условий зависит скорость испарения жидкости, предоставляет возможность конструировать и производить современное и технологичное оборудование компактных размеров и с повышенным коэффициентом теплопередачи.
Температура
Жидкое агрегатное состояние крайне неустойчиво. При наших земных н. у. (понятие "нормальных условий", т.е. пригодных для жизни людей) оно периодически стремится перейти в твердую или газообразную фазу. Как это происходит? От чего зависит скорость испарения жидкости?
Первичный критерий - это, естественно, температура. Чем сильнее мы нагреваем жидкость, тем больше энергии мы подводим к молекулам вещества, тем больше молекулярных связей мы разрываем, тем быстрее идёт процесс фазового перехода. Апофеоз достигается при устойчивом пузырьковом кипении. Вода кипит при 100 ºС при атмосферном давлении. Поверхность кастрюли или, например, чайника, где она кипит, только на первый взгляд идеально гладкая. При многократном увеличении картинки мы увидим бесконечные острые пики, как в горах. Теплота точечно подводится к каждому из этих пиков, и из-за малой поверхности теплообмена вода моментально вскипает, образуя пузырёк воздуха, который поднимается к поверхности, где и схлопывается. Именно поэтому такое кипение называют пузырьковым. Скорость при этом максимальная.
Давление
Второй важный параметр, от чего зависит скорость испарения жидкости, - это давление. При снижении давления ниже атмосферного вода начинает закипать при меньших температурах. На этом принципе основана работа знаменитых скороварок - специальных кастрюль, откуда откачивался воздух, и вода кипела уже при 70-80 ºС. Повышение давления, наоборот, увеличивает температуру закипания. Это полезное свойство используется при подаче перегретой воды от ТЭЦ в ЦТП и ИТП, где для сохранения потенциала переносимой теплоты воду подогревают до температур 150-180 градусов, когда надо исключить возможность её вскипания в трубах.
Другие факторы
Интенсивный обдув поверхности жидкости с температурой выше, чем температура подаваемой воздушной струи, - это ещё один фактор, от чего зависит скорость испарения жидкости. Примеры этого можно взять из повседневной жизни. Обдув ветром глади озера или тот пример, с которого мы начали повествование: обдув горячего чая, налитого в блюдце. Он остывает за счет того, что, отрываясь от основной массы вещества, молекулы забирают часть энергии с собой, охлаждая его. Здесь можно увидеть еще и влияние площади поверхности. Блюдце шире, чем кружка, поэтому с её квадратуры потенциально может уйти большее количество массы воды.
На скорость испарения также влияет тип самой жидкости: какие-то жидкости испаряются быстрее, другие, наоборот, медленнее. Важное влияние на процесс испарения оказывает и состояние окружающего воздуха. При высоком абсолютном влагосодержании (сильно влажном воздухе, например, рядом с морем) процесс испарения пойдёт медленнее.
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Горение жидкостей характеризуется двумя взаимосвязанными явлениями – испарением и сгоранием паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.
Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и кипение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жидкости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения молекул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаимодействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.
За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация . Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.
Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.
Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде
Давление насыщенного пара (р н.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказывается обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
, (4.1)
или в интегральной форме:
, (4.2)
где р н.п. – давление насыщенного пара, Па;
DН исп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;
Т – температура жидкости, К.
Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:
. (4.3)
Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над поверхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).
Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.