Как ускорить процесс испарения жидкости какими способами можно это сделать
- Участник :Трубицина Ирина Александровна
- Руководитель:Чикина Юлия Владимировна
Цель работы: Изучить явление испарения, его применение в быту и природе.
Задачи: Изучить и описать физический смысл процесса испарения. Рассмотреть особенности протекания испарения. Провести опыты, описывающие скорость процесса.
Обоснование выбора темы
Прочитала я однажды притчу о ходже Насреддине:
Однажды Насреддин сказал друзьям:
– Несколько дневных часов летом равноценны трем зимним дням.
– Почему так? – полюбопытствовали они.
– Я это установил на опыте,– отвечал ходжа.– Когда я постираю свою одежду зимой, требуется три дня, чтобы она высохла. А если постираю ее летом после обеда, она высыхает до вечера.
И задумалась: почему?
Введение
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Она является важнейшим веществом для всех живых существ на нашей планете. Вода уникальна. Это единственное вещество, которое мы можем наблюдать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Из повседневных наблюдений известно, что количество воды, эфира, бензина и другой жидкости, которая находится в открытом сосуде, постепенно уменьшается. На самом деле жидкость не может исчезнуть бесследно, она превращается в пар. Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием. (1)
Научное описание и объяснение явлений
Испарение– это парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Мы знаем, что молекулы жидкости движутся с разными скоростями. При испарении жидкость покидают молекулы, имеющие большие скорости, они способны преодолеть притяжение соседних молекул. Средняя скорость движения молекул, оставшихся в сосуде, становится меньше. Если вылетает больше молекул, чем возвращается обратно, жидкость испаряется. Некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную, чтобы, оказавшись у поверхности жидкости, вылететь из нее.
Скорость испарения жидкости зависит от:
- рода жидкости;
- площади поверхности жидкости;
- температуры жидкости;
- скорости движения окружающего воздуха;
Соответствие рассмотренных физических явлений выбранной теме
1. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости
Я налила два бокала чая: в красный– холодный, а в беленький– горячий . Через некоторое время я заметила, что горячий чай испарился быстрее, чем холодный. С точки зрения молекулярной физики, молекулы горячего чая движутся быстрее, и быстрее покидают поверхность жидкости, что приводит к быстрому испарению.
Вывод: испарение зависит от температуры жидкости.
2. Скорость испарения зависит от рода жидкости
Я налила два бокала горячего чая: в большом красном бокале в чай добавила немного молока, а в маленький – жирных сливок. Через некоторое время я заметила, что чай со сливками практически не испарился. С точки зрения молекулярной физики, жирные сливки увеличивают не только плотность жидкости, но и силу притяжения молекул внутри. Поэтому, имея одинаковую скорость движения, молекулы горячего чая со сливками менее покидают поверхность из-за притяжения внутри жидкости.
Вывод: Испарение зависит от рода жидкости.
3. При ветре, который уносит молекулы пара, испарение происходит быстрее
Я налила два бокала горячего чая и начала дуть на поверхность, создавая струю воздуха, уносящую испарившиеся молекулы. Чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения, т.к. поток воздуха уносит влагу с поверхности и приносит сухие массы воздуха.
Вывод: Испарение зависит от скорости рассеивания испарившихся молекул в воздухе.
Зная, от каких причин зависит скорость испарения, мы можем объяснить теперь, зачем, например, переливают чай из стакана в блюдце, дуют на горячий суп или кашу, обмахиваются веером. (1)
Интересные факты
Если подуть на руку, то почувствуешь прохладу, хотя дыхание и теплое, а рука не влажная. Обдувание ускоряет испарение небольшого количества влаги, постоянно присутствующего на коже. Нам кажется, что в ветреную погоду холоднее.
Я наблюдала процесс испарения неоднократно — мокрый пол высыхает, то же самое происходит с бельем на веревке.
Если необходимо ускорить испарение, мы нагреваем жидкость или дуем на нее. Поэтому появился фен для волос.
Говоря о практическом применении явления испарения, можно отметить, что быстроиспаряющиеся жидкости нашли применение в работе холодильного оборудования. В жарких странах принято хранить воду в глиняных кувшинах: вода в них всегда прохладная, так как происходит постоянное ее испарение через стенки сосуда, а так как глина плохо проводит тепло, теплообмен с окружающей средой слаб. При поездке в поезде летом очень просто получить из теплой воды достаточно холодную. Для этого бутылку с водой можно завернуть в сырую марлю и выставить в окно движущегося поезда. Через 10-20 минут вода будет холодной. (5)
Заключение
Исследователи из МИФ, я в составе международной научной группы, создали технологию, которая ускоряет опреснение морской воды и повышает эффективность солнечных генераторов. По мнению ученых, новый метод отличается от аналогов использованием недорогих и относительно безопасных наночастиц.
Результаты исследования опубликованы в Журнал возобновляемой энергетики и Международный журнал тепла и Массообмен.
Солнечные генераторы, вырабатывающие электричество за счет испарения воды, являются важным элементом многих систем возобновляемой энергетики. По мнению ученых, перспективной считается система, сочетающая мини-паровые турбины с солнечной установкой для опреснения морской воды. Для многих регионов мира такие комбинированные установки могут стать важным источником энергии и воды для сельского хозяйства.
По мнению авторов, новый метод позволит быстрее опреснять и дезинфицировать соленую воду или сточную воду, используя только концентрированный солнечный свет. Кроме того, по мнению ученых, технология найдет применение в фотодинамической терапии рака и в создании систем охлаждения для космической техники.
По словам создателей, прототип генератора, разработанный для новой технологии, будет генерировать до 5 кВт мощности с площади испарения в 200 см2 в идеальных условиях, и примерно половину мощности при не идеальных погодных условиях.
Полученная суспензия наночастиц графита и оксида железа примерно в 250 раз дешевле зарубежных аналогов, использующих наночастицы золота. Более того, как отметили ученые, жидкости не обладают нанотоксичностью из-за постепенной агрегации наночастиц до микронных размеров. Это означает, что после специальных биофизических испытаний такая вода может быть использована в хозяйственных целях без дополнительной очистки.
Ученые объяснили, что для повышения эффективности установки наносуспензии можно нагревать на входе в парогенератор геотермальным теплом, отводить тепло от компаний или центров обработки данных или тепло от трения от ветряных турбин. В будущем ученые намерены разработать новые составы наножидкостей и прототипы устройств, которые повысят эффективность различных систем возобновляемой энергетики.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда: проекты 17-79-10481 и 17-79-10083.
Источник
Есть ли идеи, как ускорить испарение воды из тонкой пленки водного раствора поливинилового спирта? Допустим, мы хотим делать из такого раствора мыльные пузыри.
Если пленка после выдувания засыхает быстро- пузырь образуется, если долго- нет. Задача что-то добавить в раствор, чтобы пленка образовывалась быстрее.
При этом, желательно, чтобы это что-то было не слишком летучим и не делало пленку пористой (поэтому спирты не подходят). Тупо загустить раствор можно, но тогда пузыри из него не выдуются, нужно чтобы он оставался довольно жидким.
Внешние условия (НУ) мы менять не можем, потому большая температура/сухость окружающего воздуха тоже не катят.
Заранее спасибо за ваши мысли.
Предлагаю кардинально поменять концепцию. Использовать для выдувания пузырей раствор с введенными в него водорастворимыми акриловыми мономерами (например акриламидом) и сшивающим бисакрилатом(например этиленгликоль диакрилатом или метиленбисакриламидом), а активировать полимеризацию системы в пузыре с помощью рибофлавина и света. Такую систему можно осветить ярким светом и она начнет полимеризоваться, а пока она в темной банке с ней ничего такого не должно происходить.
Вадимов, а вы высушивали водные растворы ПВС вообще? Без нагревания этого сделать нельзя (ПВС хорошо удерживает воду), к тому же концентрированные растворы очень вязкие и клейкие, как, например, 30% раствор.
Пленка из раствора поливинилового спирта, нанесенного на какую-либо -поверхность, образуется и без нагревания. Жидковатый раствор ПВС для вашего случая (10-15% концентрации) можно приготовить из частично гидролизованного ПВС (содержащего остаточные ацетатные группы). Такой раствор остается жидковатым и при комнатной температуре и к тому же обладает повышенным пенообразованием.
А вообще-то у вас есть аналог раствора ПВС, из которого выдувают пузыри? Не имея всей исходной информации трудно давать совет.
О чем эта статья:
Испарение: что это за процесс
Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.
- Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости при температуре ниже температуры кипения. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.
- Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха — из-за разницы температур происходит испарение. Как будто бы это фазовый переход, о котором мы говорим в статье об агрегатных состояниях .
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
- из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;
- только из жидкости к поверхности;
- к поверхности из воды и газовой среды одновременно;
- к площади поверхности только от воздуха.
Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:
| Испарение | Кипение |
| При любой температуре, с поверхности жидкости | При определенной температуре, во всем объеме жидкости |
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
много больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.
В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.
Как раз из-за того, что нагретую жидкость быстро покидают быстрые молекулы, и температура жидкости снижается.
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.
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.
Насыщенный пар
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.
Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.
На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, происходит конденсация — это когда образуется роса.
Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь.
Но если мы тот же воздух поместим в коробку объемом 1 м 3 с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Испарение в жизни
И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.
Испарение в организме человека и животных
Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.
Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.
Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶
Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Испарение у растений
Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.
Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.
Испарение в природе и окружающей среде
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.
Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.
В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.
Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.
Читайте также: