Fordampning

Fordampning  er processen med en faseovergang af et stof fra en flydende tilstand til en damp- eller gasform , der finder sted på overfladen af ​​et stof [1] . Under fordampning flyver partikler (molekyler, atomer) ud (rives af) fra overfladen af ​​en væske eller et fast stof, mens deres kinetiske energi skal være tilstrækkelig til at udføre det nødvendige arbejde for at overvinde tiltrækningskræfterne fra andre væskemolekyler [2 ] . Under fordampningsprocessen sænker den energi, der udvindes fra den fordampede væske, væskens temperatur, hvilket resulterer i fordampningskøling [3] .

I gennemsnit har kun en brøkdel af væskemolekylerne nok termisk energi til at forlade væsken. Fordampningsprocessen er det omvendte af kondensationsprocessen (overgang fra damp til væske). Fordampningen fortsætter, indtil der er opnået en ligevægt, hvor fordampningen af ​​væsken er lig med dens kondensation. I et lukket rum vil væsken fordampe, indtil den omgivende luft bliver mættet.

Generelle karakteristika

En væske , der er tilbage i en tallerken, vil fordampe fuldstændigt, fordi der til enhver tid er molekyler i den , der er hurtige nok (med nok kinetisk energi ) til at overvinde de intermolekylære tiltrækningskræfter på væskens overflade og forlade den. Temperaturen på den fordampende væske skal falde, da de molekyler, der forlader den, tager kinetisk energi. Fordampningshastigheden stiger med stigende temperatur.

Fordampning ledsages af den omvendte proces - dampkondensering . Hvis dampen over væskens overflade er mættet , etableres en dynamisk ligevægt mellem processerne, hvor antallet af molekyler, der forlader væsken pr. tidsenhed, er lig med antallet af molekyler, der vender tilbage til den. Hvis dampen over væsken er umættet, vil fordampningen fortsætte, indtil dampen bliver mættet, eller indtil væsken er helt tør.

Fordampning ledsages af et fald i temperaturen, da molekyler med en energi, der overstiger den gennemsnitlige energi, flyver ud af væsken. Kvantitativt er fordampningskalorimetri karakteriseret ved den specifikke fordampningsvarme .

Vind bidrager til væksten i fordampningshastigheden . Det fjerner dampmolekyler fra væskens overflade, hvilket forhindrer etableringen af ​​dynamisk ligevægt. Til hurtig fordampning af væsken og den dermed forbundne tørring anvendes varme luftstrømme. Et eksempel på brug ville være en husholdningshårtørrer .

Fordampningshastigheden bestemmes af overfladedensiteten af ​​dampfluxen, der per tidsenhed trænger ind i gasfasen fra en enhedsoverflade af væsken. Den højeste værdi af overfladedampfluxtæthed opnås i vakuum . I nærværelse af et relativt tæt gasformigt medium over væsken, bremses fordampningen.

Fordampning af et fast legeme kaldes sublimering (sublimation), og fordampning i volumen og på den frie overflade af en væske kaldes kogning. Fordampning er en endoterm proces, hvor faseovergangsvarmen absorberes - den fordampningsvarme, der bruges på at overvinde kræfterne ved molekylær kohæsion i væskefasen og på udvidelsesarbejdet under omdannelsen af ​​væske til damp.

Fordampningsprocessen afhænger af intensiteten af ​​molekylernes termiske bevægelse : Jo hurtigere molekylerne bevæger sig, jo hurtigere sker fordampningen. Derudover påvirkes fordampningen af ​​hastigheden af ​​ekstern (med hensyn til stoffet) diffusion , såvel som stoffets egenskaber: for eksempel fordamper alkoholer hurtigere end vand. En vigtig faktor er også overfladearealet af væsken, hvorfra fordampning sker: fra et smalt glas vil det ske langsommere end fra en bred plade.

Matematisk beskrivelse

Den enkleste model for fordampning blev skabt af Dalton. Ifølge hans ligning er mængden af ​​fordampet stof fra en enhedsareal pr. tidsenhed [4] :

hvor  er den molære fordampningshastighed (mol/m² s), og  er dampkoncentrationerne på stoffets overflade og i det omgivende rum, og  er partialdamptrykket på væskens overflade og i det omgivende rum, og  er proportionalitetskoefficienterne.

Hvis væsken lige er begyndt at fordampe, eller der konstant trænger tør luft ind i overfladelaget, så er , og fordampningshastigheden maksimal. Koefficienterne kan igen udtrykkes som [5] :

hvor  er Nusselt nummeret og  er diffusionskoefficienterne relateret til henholdsvis tryk- og koncentrationsgradienterne, - karakteristisk størrelse (for eksempel dråbediameter).

Trykket i den simpleste model er lig med mætningsdamptrykket ved væsketemperaturen. Dens afhængighed af temperatur er omtrent beskrevet af en eksponentiel lov [6] :

Denne afhængighed overtrædes for høje temperaturer (tæt på kogepunktet) [7] .

Mere præcist kan fordampningshastigheden bestemmes ud fra Hertz-Knudsen-ligningen [8] :

hvor  er molekylvægten (i SI, derefter mol \ kg),  er en koefficient mindre end eller lig med en relateret til sandsynligheden for, at et molekyle reflekteres fra overfladen af ​​en væske, når det falder ned på det fra luft.

afhænger stærkt af forureningen på væskeoverfladen og kan være i størrelsesordenen 10 −4 , hvis forureningen er væsentlig [9] .

Ligningen blev nedskrevet af Hertz efter undersøgelser udført i 1880'erne, og forfinet af Knudsen i 1915. I 1913 viste Irving Langmuir , at samme ligning også beskriver fordampning fra overfladen af ​​faste stoffer ( sublimation ) [9] .

Historie

Fænomenet fordampning har været kendt siden oldtiden. Hesiod skrev også , at regn dannes af vand, der slipper ud fra floder [10] . Senere forfattere fortolkede skyer korrekt som et resultat af fordampningen af ​​vand fra havene og pegede på Solen som årsagen til fordampningen, og gjorde også opmærksom på, at vinden accelererer fordampningshastigheden [11] . Heraclitus og Diogenes Laertes skelnede mellem dem, der udsender fordampning fra vandoverfladen og overfladen af ​​våde legemer [12] . Gamle filosoffer tyede ofte til spiritistiske begreber, der forklarer fysiske processer, for eksempel skrev de, at hele verdens sjæl dannes gennem fordampning. Det var også kendt, at når det fordampede, forbliver det opløste salt [12] .

Aristoteles betragtes som den mest indflydelsesrige oldtidsfilosof . I sit arbejde "Meteorology" ( græsk Τα μετεωρολογικά ) udviklede han teorien om to dampe fra Heraclitus og argumenterede for, at fordampning fra havets overflade og jordens overflade er fundamentalt forskellige: den første er årsagen til regn, og den anden er årsagen til vinden. Denne overraskende konklusion skyldtes det faktum, at Aristoteles ikke troede, at vinden kun er luftens bevægelse. Han skrev, at ligesom ethvert vand i bevægelse ikke kaldes en flod, så er vinden ikke en simpel luftbevægelse. Både floden og vinden skal have en utæthed , og i tilfælde af vind anså han en sådan for at være den "røg", der dannes, når jorden tørrer op [13] .

På den anden side vurderede Theophrastus , en tilhænger af Aristoteles, mere korrekt sammenhængen mellem vinden, Solen og fordampning. Han antog således korrekt, at vinden fremskynder fordampningen, da den fjerner den allerede dannede damp fra vandet. Han støttede heller ikke Aristoteles' synspunkter om den særlige betydning af fordampning fra jorden, og skrev, at "luftens bevægelse er vind" [14] .

Romerske forfattere som Plinius og Lucretius skrev også om fordampningens natur og dens forhold til vejret, men udviklede for det meste kun de græske filosoffers teorier [14] . Ud over at forklare vejret, vendte græske og romerske videnskabsmænd sig til fordampning for at forklare et andet problem - hvorfor havene ikke flyder over, selvom floder konstant hælder vand i dem [15] .

Understøttet af Aristoteles' autoritet dominerede teorien om dobbelt fordampning europæisk videnskab indtil begyndelsen af ​​renæssancen [16] . En af de første videnskabsmænd, der forsøgte at afvise det, var Rene Descartes . I sin Meteora (1637) skrev han, at sollys rejser vandpartikler på samme måde, som støv stiger, mens man går. Samtidig betragtede han fordampning fra overfladen af ​​våde legemer på samme måde, da han mente, at faste legemer bliver våde, når vandpartikler trænger ind mellem store partikler af en fast krop. Descartes benægtede også vindens særlige natur og anså det for at være luftens sædvanlige bevægelse. Årsagen til at væsker fordamper og faste stoffer ikke, så han i den glattere overflade af vandpartikler, hvilket gør dem nemme at adskille fra hinanden, mens partiklerne af faste stoffer klæber sig stærkere til hinanden [17] .

Den første eksperimentelle undersøgelse af fordampning blev lavet af Pierre Perrault . I den kolde vinter 1669-1670 satte han 7 pund koldt vand udenfor. Efter 18 dage registrerede han, at et pund var forsvundet. Dette var ikke den første observation af, at fordampning også kunne forekomme i kulden, men det var den første eksperimentelle måling af intensiteten af ​​denne proces. Perrault undersøgte også fordampning af andre væsker end vand, såsom olie [17] . En anden fysiker, der studerede fordampning, var Edmond Halley . Han målte den hastighed, hvormed vand slipper ud af tynde rør. Hans resultater (0,1 tomme på 12 timer) tillod ham at hævde, at dette vand danner regn, dug osv. [18] . Halleys hypoteser om mekanismen for fordampning adskilte sig fra Descartes' hypoteser. Så han skrev, at hvis vandatomerne øges i diameter med 10 gange, vil deres densitet blive mindre end tætheden af ​​luft, og de vil begynde at "flyde". Han sammenlignede også processerne med fordampning af vand til luften med processen med at opløse salt i vand [18] . Halley skrev, at den kombinerede virkning af solen og vinden er årsagen til fordampning.

Halleys og Descartes' tilgange gav anledning til to populære tilgange til at forklare fordampning. Ifølge en "opløstes" vand i luften (hvilket betød, at i fravær af luft ville fordampning ikke forekomme), og ifølge en anden løsnede vandpartikler sig simpelthen fra hovedmassen [19] .

Den franske matematiker Sédille gjorde meget for eksperimentelt at studere fordampning, fordi han havde brug for disse data for at løse et ingeniørproblem – at beregne hvor hurtigt vandet fra Versailles springvand ville fordampe. Han eksperimenterede i 3 år, fra 1688 til 1690. Ifølge hans målinger fordampede omkring 88 centimeter vand i det område på et år, og kun omkring to tredjedele af denne mængde vendte tilbage som nedbør. Han bemærkede også, at vand fordampede fra en bred beholder hurtigere end fra en smal (Sedili brugte flere kobberbeholdere til eksperimentet) [20] .

I 1744 foreslog Desaguliers , at fordampning er af elektrostatisk natur (flydende partikler afstødes fra hovedmassen, fordi de har samme ladning), men eksperimenter viste ikke en stærk effekt af elektricitet [19] .

I anden halvdel af 1700-tallet blev det vist, at fordampning i vakuum er langsommere end i luft, og også at luftens fugtighed reducerer intensiteten af ​​fordampningen, hvilket øgede populariteten af ​​opløsningsteorien [21] .

I 1757 beskrev Franklin den kølende effekt af fordampning (han bemærkede, at et termometer fugtet med alkohol viste en temperatur på 6 grader under tør) [21] .

I 1802 var John Dalton den første til at nedskrive en ligning, der gjorde det muligt at beregne mængden af ​​vand, der fordamper fra overfladen over en vis tid [21] .

I 1862 konstruerede Thomas Tate enheden "Evaporameter" ( græsk evaporameter ) til at måle fordampningshastigheden, og viste, at den er proportional med vindhastigheden over vand [22] . Senere korrigerede Wilenmann Dalton-ligningen under hensyntagen til, at vandtemperaturen er lavere end den omgivende lufttemperatur på grund af det faktum, at fordampning afkøler det [23] .

Endnu mere præcise ligninger blev nedskrevet efter en række højpræcisionsforsøg af Stefan (1873), Hertz (1882) og Knudsen (1915) [24] og takket være opdagelsen af ​​Stefan-Boltzmann-loven [25] .

Evapotranspiration

Evapotranspiration  er fordampning fra jordens overflade , inklusive plantetranspiration . For nylig er udtrykket " evapotranspiration " begyndt at blive brugt til evapotranspiration. Evapotranspiration er udtrykt i mm vandsøjle og korrelerer med økosystemernes bioproduktivitet . Potentiel evapotranspiration - den mængde vand, der kunne frigives ved evapotranspiration under et bestemt temperatur- og fugtighedsregime med en overskydende mængde vand. Faktisk evapotranspiration er den masse af vand, der returneres til atmosfæren af ​​planter på et givet sted. Behandles som det modsatte af nedbør (generelt under potentiel evapotranspiration). Faktisk evapotranspiration overalt i verden bestemmes af temperaturen.

Der er en anden egenskab ved fordampning - flygtighed. Fordampning forstås som den potentielle (ikke begrænset af vandreserver) fordampning i et givet område under eksisterende atmosfæriske forhold.

Vandets fordampningshastighed

Fordampning af vand fra 1 m² (i kg/h) afhængig af vandtemperatur og miljøforhold
Vandtemperatur rolig luft Gennemsnitlig luftbevægelse Stærk luftudsugning
femten 0,425 0,546 0,670
tredive 1.056 1,365 1,664
halvtreds 3,081 3.955 4.853
75 9,666 12.405 15.597
100 25.463 32.077 40,105

Noter

  1. ↑ definitionen af ​​affald . Dictionary.com . Hentet 23. januar 2018. Arkiveret fra originalen 22. januar 2018.
  2. ↑ Den nye Students Opslagsværk (1914) . - 1914. - S. 636. Arkiveret 9. december 2021 på Wayback Machine
  3. ↑ Lohner, Science Buddies, Svenja . Chilling Science : Evaporative Cooling with Liquids  , Scientific American . Arkiveret fra originalen den 24. marts 2022. Hentet 8. februar 2022.
  4. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , s. 95.
  5. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , s. 96.
  6. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , s. 99.
  7. ↑ Bolshakov, Gulin, Torichnev, 1965 , s. 100.
  8. ↑ Meissel, Glang, 1977 , s. 37.
  9. ↑ 1 2 Meissel, Glang, 1977 , s. 38.
  10. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 12.
  11. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 13.
  12. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , s. fjorten.
  13. ↑ Brutsaert, 1982 , s. femten.
  14. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , s. 16.
  15. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 19.
  16. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 25.
  17. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , s. 26.
  18. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , s. 27.
  19. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , s. 29.
  20. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 28.
  21. ↑ 1 2 3 Brutsaert, 1982 , s. tredive.
  22. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 32.
  23. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 33.
  24. ↑ Fordampningsmekanisme arkiveret 19. juli 2018 på Wayback Machine  (russisk)
  25. ↑ Brutsaert, 1982 , s. 36.

Litteratur

Links