Испарение: образование, интересные факты (фото)

ИСПАРЕНИЕ, переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразное). Испарение происходит со всякой свободной поверхности жидкости. Механизм испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории заключается в следующем. Молекулы жидкости, находящиеся вблизи от ее поверхности и обладающие в данный момент большой скоростью в направлении, образующем достаточно большой угол с поверхностью, вылетают в пространство над жидкостью, освобождаясь от притяжения остальных молекул жидкости; таким образом они становятся свободными молекулами пара. На преодоление сил сцепления жидкости и сопротивления внешнего давления для каждой испаряющейся молекулы требуется затрата энергии (тепловой).

Количество тепла ϱ, затрачиваемого на испарение при данной температуре одной весовой единицы жидкости, называется скрытой теплотой испарения:

где ϱ_i — внутренняя скрытая теплота испарения, расходуемая на внутреннюю работу разъединения молекул, а ϱ_в — внешняя скрытая теплота испарения, затрачиваемая на внешнюю работу расширения вещества от удельного объема s жидкости до удельного объема σ пара. Теплота испарения mϱ, отнесенная к граммолекуле жидкости, называется молекулярной теплотой испарения. Соответственно употребляются mϱ_i и mϱ_в. В технике полной теплотой испарения λ называется количество тепла в Cal, затрачиваемое на 1 кг жидкости для нагревания от 0° до данной температуры t и на превращение ее при этой температуре в пар:

где q — количество тепла, затрачиваемое на нагревание жидкости.

Теплотой пара называется сумма

где С — теплоемкость жидкости. Теплота пара определяет избыток энергии пара над энергией жидкости при 0°.

Внешняя скрытая теплота испарения при постоянном давлении р

где А — термический эквивалент работы. Полная теплота испарения

Для воды от 0 до 100° можно пользоваться формулой:

Для других жидкостей:

С повышением температуры скрытая теплота испарения уменьшается и при критической температуре ϱ = 0. Величина ϱ_в с возрастанием температуры сначала постепенно увеличивается и достигает своего максимума обычно при 0,7 абсолютной критической температуры, а затем убывает и при критической температуре ϱ_в = 0, как и ϱ_i = 0.

Самый простой случай испарения — с поверхности неподвижной жидкости в покоящийся воздух (статическое испарение). На практике мы сталкиваемся с этим случаем при хранении жидкостей (в частности жидкого топлива), в поверхностных увлажнителях, в мокрых производствах и т. д. В природе к этому случаю надо отнести испарение из водоемов в безветреную погоду. Основной закон для статического испарения дан Дальтоном: количество Q испаряемой в единицу времени жидкости пропорционально площади s испаряющей поверхности, обратно пропорционально давлению воздуха р и прямо пропорционально разности давления насыщенного пара p_s при данной температуре и давления паров в воздухе p = ϕp_s (ϕ — отношение данного давления пара к p_s):

Опыты Стефана и Винкельмана показали, что закон Дальтона является лишь первым, грубым приближением; однако, для случая испарения воды из водоемов поправки оказываются незначительными. Под скоростью испарения понимают объем паров V_z, испаряющихся с 1 см² площади свободной поверхности жидкости в 1 сек. Для жидкостей, налитых в открытые цилиндрические сосуды, Стефан и Винкельман нашли, что

где h — «путь диффузии» паров, равный расстоянию от поверхности жидкости до свободного края цилиндра, k_t — коэффициент диффузии паров. Если испарение идет в свободную от паров атмосферу, то ϕp_s = 0. Для изменения коэффициента диффузии с температурой Винкельман дает следующую формулу:

где k₀ — коэффициент диффузии при 0°, Т — абсолютная температура, m — постоянная величина, определяемая из опытов. Для диффузии водяного пара в воздух k = 0,2162 см²/сек и m = 1,774. Коэффициент диффузии и скорость испарения зависят от внешнего давления:

Таким образом

(формула для испарения в покоящийся воздух или газ). Далее, испарение связано и с формой поверхности жидкости, и с формой сосуда, внутри которого оно происходит. В средних частях поверхности испарения происходит иначе, чем у краев. Неста Томас и Фергюсон нашли для массы Q воды, испаряющейся в 1 сек., формулу:

где а — радиус круглой поверхности, k = 0,05 0,025e^-4a и n = 2,0—0,60е^-2a. В 1926 г. В. Шулейкиным разработана кинетическая теория испарения. Он расчленяет весь процесс испарения на три части: 1) вылетание молекул из жидкости — свободное испарение, 2) обратное поглощение части вылетевших молекул жидкостью (при ударах о ее поверхность) и 3) распространение (диффузию) остальных молекул в окружающей покоящейся газовой среде.

Для скорости испарения с безграничной плоской поверхности теория приводит к формуле:

где ϕp_s — давление паров в сечении, находящемся над поверхностью жидкости на высоте h, ξ — среднее число ударов молекул пара о поверхность жидкости, приходящихся на поглощение жидкостью одной молекулы пара, v₀ — скорость свободного статического испарения, равная

 R — газовая постоянная, m — молекулярный вес, ϱ — скрытая теплота испарения, k — коэффициент диффузии.

В случае статического испарения с поверхности круга конечных размеров, объем испаряющейся жидкости со всей поверхности равен:

где а — радиус круга и γ — удельный объем жидкости. Чтобы оценить статическое испарение, необходимо знать для паров данной жидкости коэффициент диффузии и его изменение с температурой и другими факторами, молекулярный вес, кривую упругости насыщенных паров и скрытую теплоту испарения.

Явление испарения значительно осложняется, как только от статических условий мы переходим к динамическим. При самом слабом движении воздуха количество испаряющейся жидкости значительно возрастает, т. к. увеличивается коэффициент диффузии:

где k₀ — коэффициент диффузии в отсутствии движения воздуха, W — скорость воздуха вдоль испаряющей поверхности в см/сек. Случаи испарения в динамических условиях наиболее часто встречаются как в природе (т. к. обычно имеется или движение воздуха мимо испаряющей поверхности — ветер или, наоборот, движение самой испаряющей поверхности в воздухе — капли дождя), так и в технике, где особенно распространен случай испарения жидкости, разбрызгиваемой в струе воздуха (двигатели внутреннего сгорания, работающие на карбюрируемом топливе, испарение при пульверизации, и т. д.). Если рассматривать испарение капли не слишком малого радиуса а с точки зрения кинетической теории испарения, то для скорости испарения с поверхности капли получим:

где

a v₀ — скорость испарения с безграничной плоской поверхности.

Самым сложным, а вместе с тем и имеющим наибольшее значение в технике является случай испарения при карбюрации. Основные процессы здесь следующие: воздух просасывается через карбюратор; создающимся разрежением в струю этого воздуха засасывается из жиклера жидкое топливо, при выходе из жиклера струя топлива разбивается на капли, несущиеся в потоке; вместе с тем начинается испарение с капель в воздух и диффузия в последнем молекул образовавшихся паров топлива. Значительная часть капель, как показали опыты в Научном автомоторном институте (НАМИ), вскоре оседает на стенке трубопровода и образует пленку жидкого топлива, движущуюся по трубе значительно медленнее (раз в 60) воздуха. С поверхности этой пленки тоже происходит испарение топлива в воздух. В результате испарения с поверхности капель и с пленки жидкого топлива и диффузии молекул пара, в струе воздуха происходит смешение паров топлива с воздухом, и образуется горючая рабочая смесь.

Попытка дать теорию динамического испарения принадлежит Кляфтену. Им построена теория испарения с капель, прямолинейно движущихся в потоке воздуха и равномерно в нем распределенных. Кляфтен исходил из основного уравнения классической теории диффузии газов (в полярных координатах):

где a — радиус капли, Z — время, p_s — давление насыщенных паров, k — коэффициент диффузии. Интегрирование этого уравнения дает:

где

a₀ — радиус капли в момент начала испарения, n — коэффициент смешения, т. е. отношение веса воздуха к весу жидкости и паров, n’ – коэффициент смешения для случая, когда насыщение наступает при Z = ∞. Теория Кляфтена очень несовершенна, так как не учитывает целого ряда очень важных факторов (упругости насыщенных паров около капель в зависимости от формы и размеров поверхности последних, неоднородности распыления, наличия вихревых движений воздуха, испарения с пленки и т. д.). Вследствие этого время полного испарения капель, по теории Кляфтена, получается слишком малым, что не согласуется с данными, полученными из моторной практики. Таким образом, полной теории динамического испарения пока еще нет, и оценку испарению приходится давать, лишь основываясь на сравнительных опытных данных.

Для измерения испарения с покоящейся жидкости служат особые приборы, называемые испарителями, или эвапорометрами. Самый простой и наиболее распространенный из них — испаритель Вильда (фиг. 1).

На чашку неравноплечных весов наливается жидкость (слой толщиной 20 мм). При испарении чашка делается легче, и уравновешивающий ее груз опускается. Стрелка показывает, сколько жидкости испарилось. Очень распространен для воды испаритель Лермантова (фиг. 2), состоящий из двух соединенных друг с другом сосудов А и В.

В испаритель наливают воду, пока не заполнится весь нижний сосуд (воздух из него выходит через трубку Д). Затем мехами через трубку Д нагнетают в нижний сосуд воздух, этим подымают воду в верхний сосуд и закрывают соединительную трубку пробкой С. Вода испаряется в течение определенного времени из верхнего сосуда. Чтобы узнать, сколько испарилось воды, открывают пробку С, спускают воду в нижний сосуд и приливают мензуркой дополнительно новую воду, пока в нижнем сосуде не будет достигнут прежний уровень. В лабораторных условиях скорость статического испарения можно измерять или в открытых цилиндрах, по понижению свободного уровня жидкости (метод Винкельмана), или в закрытых цилиндрах по парциальному давлению паров. Для измерения испарения в условиях, возможно близких к тем, какие имеются во всасывающих трубопроводах мотора (динамическое испарение), НАМИ осуществлена следующая установка (фиг. 3).

Жидкое топливо через карбюратор К подается в трубу Т, через которую просасывается с помощью компрессора воздух (со скоростью до 40 м/сек). Часть топлива, образующая пленку на стенках трубопровода, в конце последнего улавливается захватными кольцами и стекает в собирательный сосуд С₁. Оставшиеся неиспаренные капли падают на рупорный экран Р_э и стекают в собирательный сосуд С₂. Т. о. оказывается возможным уловить всю неиспарившуюся в трубе часть топлива, а отсюда узнать и количество испарившегося топлива.

Во всех случаях испарения жидкость может испариться нацело лишь в количестве, которое соответствует давлению насыщения. Упругость насыщенного пара является важнейшим фактором для процесса испарения. Чем больше упругость насыщенных паров при данной температуре, тем больше для насыщения требуется вещества, тем большее количество жидкости может испариться. Упругость насыщенных паров равняется атмосферному давлению при температуре кипения. Отсюда, чем ниже температура кипения данной жидкости, тем последняя более «летуча», тем сильнее она испаряется.

Если обратимся к сложным жидкостям, являющимся смесями из целого ряда компонентов (а таковы все наши жидкие топлива — бензины, керосины, нефть, технические или моторные бензолы и т. д.), то они выкипают уже не при одной температуре, а по фракциям. Так, в техническом бензоле, представляющем смесь бензола, толуола, ксилола и сольвентнафта, должна была бы сначала, около 80° выкипать бензольная фракция, затем, около 110° — толуольная, около 130° — ксилольная и т. д. На самом же деле кипение начинается действительно около 80°, но жидкость при дальнейшем подогреве продолжает все время нагреваться, и кипение идет непрерывно до тех пор, пока все, даже трудно испаряющиеся фракции не улетят. Для характеристики таких сложных жидкостей служит т. н. кривая разгонки (фиг. 4), дающая % по отношению к первоначальному весу (в технике. часто к объему) испарившейся части жидкости до данной температуре.

Законы испарения смесей очень сложны и до сего времени не выяснены.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 — 1929 г.