Испарение и кипение представляют собой фазовый переход (парообразование) вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. При этом процесс испарения происходит с поверхности вещества при любой температуре. Кипение проистекает по всему объёму жидкости при достижении определённой температуры с помощью дополнительного нагрева. Важно понимать чем отличается процесс кипения от процесса испарения, несмотря на то, что конечный результат одинаков — образуется пар.
Содержание
Физические основы процессов парообразования
Между парообразованием и испарением основная разница состоит в том, что парообразование более общее понятие, включающее в себя и испарение, и кипение.
Испарение
Наиболее ярко данный процесс проявляется в природных и обыденных явлениях, связанных с водой, состоящей из молекул H2O.
Молекулы жидкостей, не имея жёстких связей друг с другом, находятся в хаотическом движении с разными скоростями. При этом их кинетические энергии, пропорциональные квадрату скорости, тоже будут отличаться.
В этом и заключается физический механизм испарения.
Легче всего вырваться наружу молекулам с поверхности, поскольку препятствующая этому сила притяжения соседних частиц здесь минимальна. Процесс сопровождается понижением температуры жидкости в силу того, что испаряются частицы с высокой кинетической энергией.
Интенсивность процесса зависит от следующих факторов:
- Температуры жидкости. С ростом температуры увеличивается скорость испарения.
- Площади испаряемой поверхности. Чем больше площадь, тем больше частиц вырывается «на свободу».
- Химического состава. Связи между отдельными молекулами в разных жидкостях различаются по силе.
- Атмосферного давления. Молекулы вылетают гораздо интенсивнее при понижении внешнего давления.
- Наличие стороннего потока воздуха (ветра). Классическим примером служит выстиранное бельё, которое высыхает гораздо быстрее в ветреную погоду.
Испарение длится до тех пор, пока воздух над жидкостью остаётся ненасыщенным. Это говорит о том, что воздух над поверхностью жидкости ещё способен принимать вылетающие частицы.
Механизм испарения используется в различных производственных и научно-технических целях:
- Градирни — огромные испарительные колонны на тепловых и электростанциях — позволяют эффективно охлаждать техническую воду, используемую в производственных целях.
- Холодильники и кондиционеры заправлены хладагентами (фреоны, пропан, аммиак), которые испаряясь охлаждают продукты или помещение.
- Оболочка спускаемых космических аппаратов покрывается специальными быстроиспаряемыми веществами, которые, испаряясь, охлаждают капсулу разогретую при прохождении слоев атмосферы.
Кипение
При нормальной, комнатной температуре в воде всегда присутствует воздух. При нагревании на дне ёмкости и стенках возникают пузырьки, содержащие насыщенный пар и воздух.
Постепенно, при нагревании, пузырьки раздуваются, всплывают на поверхность, лопаются, выпуская порцию пара. При достижении температуры, которая называется температурой кипения Tk, процесс парообразования происходит непрерывно во всём объёме жидкости.
Кипение — это физический процесс непрерывного образования и роста жидкостных пузырьков, в которые идёт испарение. При достижении Tk пузырьки формируются по всему объёму, занятому жидким веществом.
Параллельно с пузырьковым механизмом происходит парообразование за счет отрыва от поверхности отдельных «горячих» частиц, которых при Tk становится намного больше.
После достижения Tk, дальнейший процесс будет происходить при этой постоянной температуре до полного преобразования жидкости в пар.
Образование пузырьков также можно активировать с помощью дополнительных внешних факторов, способствующих появлению центров парообразования.
Один из таких факторов — ионизация частиц жидкости при прохождении заряженных частиц. Используя этот эффект американский физик Д. Глазер в 1952 г. изобрел пузырьковую камеру, с помощью которой учёные стали получать информацию о свойствах элементарных частиц, полученных в экспериментах на ускорителях.
Сходство и отличия двух процессов
Чем отличается кипение от испарения? Различие двух близких по сути физических процессов представлено в виде краткого списка:
- Если механизм испарения «работает» при комнатной и прочих температурах, то справедливо утверждение, что кипение начинается при достижении температуры Tk.
- Испарение происходит в основном с поверхности вещества, в то время как в кипении участвует весь объём жидкости.
- Испарение — это спонтанный процесс, а кипение принудительный, который можно стимулировать варьированием давления и температуры.
Основные сходства двух механизмов парообразования:
- Оба процесса преобразуют жидкость в газообразное состояние.
- Молекулы с наибольшей кинетической энергией играют решающую роль в парообразовании.
Дополнительно можно привести таблицу отличий процессов испарения и кипения, которая иллюстрирует, чем кипение жидкости отличается от её испарения.
Таблица 1 — Отличие процессов кипения и испарения.
| Параметры | Испарение | Кипение |
| Температура среды | Комнатная | Температура кипения |
| Температура жидкости | Снижается | Постоянна в течение всего процесса |
| Энергетический источник | Не требуется | Внешний нагреватель |
| Газообразование | Отсутствует образование пузырьков | Интенсивное формирование пузырьков |
| Где реализуется механизм | На границе раздела жидкость-воздух | Задействован весь объём вещества |
Видео по теме статьи
Что такое кипение, испарение, точка росы — подробно об этом в видеоролике ниже.
Заключение
Резюмируя, можно утверждать, что кипение в отличие от испарения является более быстрым процессом в силу того, что молекулы за счёт дополнительного нагрева движутся быстрее.
Что общего между испарением и кипением, и чем они отличаются важно понимать при изучении физических свойств различных веществ. Полученная информация помогает выбрать верное техническое решение, например, при проектировании научных и бытовых приборов, в которых используются жидкости при различных температурах.
