Isparavanje

Isparavanje iznad šolje čaja

Kapljice vodene pare u tiganju.

Demonstracija evaporativnog hlađenja. Kada se senzor potopi u etanol i zatim izvadi da ispari, instrument pokazuje progresivno nižu temperaturu kako etanol isparava.

Kiša koja isparava nakon pada na vreli trotoar

Isparavanje je fizički proces prelaza materije iz tečnog stanja u gasovito stanje (paru) koje se odvija sa povećanjem temperature. Proces isparavanja je suprotan procesu kondenzacije (prelaz iz gasovitog u tečno stanje). Kada se molekuli tečnosti sudare, oni prenose energiju jedni na druge na osnovu toga kako se sudaraju. Kada molekul blizu površine apsorbuje dovoljno energije da savlada pritisak pare, on će pobeći i ući u okolni vazduh kao gas. Kada dođe do isparavanja, energija uklonjena iz isparene tečnosti će smanjiti temperaturu tečnosti, što će uzrokovati hlađenje isparavanjem.

Proces isparavanja zavisi od intenziteta toplotnog kretanja molekula: što je kretanje molekula brže, to je isparavanje takođe brže. Osim toga, na proces isparavanja utiče brzina difuzije. Primer za ovo je isparavanje u vetrovitim uslovima koje je onda brže. Isparavanje zavisi i od vrste materije, tako da alkohol isparava brže nego voda. Isparavanje je proporcionalno otvorenoj površini tečnosti koja isparava.

Proces isparavanja se na molekularnom nivou odvija na sledeći način: molekuli dostižu dovoljnu kinetičku energiju (brzinu) da se odvoje od privlačne sile susednih molekula i odvajaju se od površine tečnosti. Time tečnost gubi deo svoje unutrašnje energije. Tako, na primer, ljudi duvaju iznad vrućeg čaja da bi ubrzali isparavanje i snizili njegovu temperaturu. Merenje isparavanja vrši se pomoću dva specijalna instrumenta — evaporimetra i evaporigrafa. Isparavanje se izražava u milimetrima u toku jedne godine — mm/god.

Teorija

Vidi još: Kinetička teorija gasova

Da bi molekuli tečnosti isparili, oni moraju biti locirani blizu površine, moraju se kretati u pravom smeru i imati dovoljnu kinetičku energiju da savladaju međumolekulske sile tečne faze. Kada samo mali deo molekula ispunjava ove kriterijume, brzina isparavanja je niska. Pošto je kinetička energija molekula proporcionalna njegovoj temperaturi, isparavanje se odvija brže na višim temperaturama. Nakon što molekuli koji se brže kreću pobegnu, preostali molekuli imaju nižu prosečnu kinetičku energiju, a temperatura tečnosti opada. Ova pojava se naziva i hlađenje isparavanjem. Zbog toga isparavajući znoj hladi ljudsko telo. Isparavanje takođe ima tendenciju da se odvija sa većim brzinama protokom između gasovite i tečne faze i u tečnostima sa većim pritiskom pare. Na primer, veš na konopcu za veš će se sušiti (isparavanjem) brže po vetrovitom danu nego po mirnom danu. Tri ključna dela za isparavanje su toplota, atmosferski pritisak (određuje procenat vlažnosti) i kretanje vazduha.

Na molekularnom nivou, ne postoji stroga granica između tečnog stanja i stanja pare. Umesto toga, postoji Knudsenov sloj, gde je faza neodređena. Pošto je ovaj sloj debeo samo nekoliko molekula, na makroskopskoj skali se ne može videti jasan interfejs faznog prelaza.

Tečnosti koje vidljivo ne isparavaju na datoj temperaturi u datom gasu (npr. ulje za kuvanje na sobnoj temperaturi) imaju molekule koji nemaju tendenciju da međusobno prenose energiju u obrascu koji je dovoljan da često daju molekulu toplotnu energiju potrebnu za pretvaranje u paru. Međutim, ove tečnosti isparavaju. Samo što je proces mnogo sporiji i samim tim znatno manje vidljiv.

Evaporativna ravnoteža

Pritisak pare vode u zavisnosti od temperature. 760 Torr = 1 atm.

Ako se isparavanje odvija u zatvorenom prostoru, molekuli koji izlaze akumuliraju se kao para iznad tečnosti. Mnogi od molekula se vraćaju u tečnost, a povratni molekuli postaju sve češći kako se gustina i pritisak pare povećavaju. Kada proces izlaska i vraćanja dostigne ravnotežu, za paru se kaže da je „zasićena“, i neće doći do dalje promene pritiska i gustine pare ili temperature tečnosti. Za sistem koji se sastoji od pare i tečnosti čiste supstance, ovo ravnotežno stanje je direktno povezano sa pritiskom pare supstance, kao što je dato Klauzijus-Klaperonovom relacijom:

$\ln \left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)=-{\frac {\Delta H_{\rm {vap}}}{R}}\left({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}}\right)$

gde su P₁, P₂ pritisci pare na temperaturama T₁, T₂ respektivno, ΔH_vap je entalpija isparavanja, a R je univerzalna gasna konstanta. Brzina isparavanja u otvorenom sistemu povezana je sa pritiskom pare koji se nalazi u zatvorenom sistemu. Ako se tečnost zagreje, kada pritisak pare dostigne pritisak okoline, tečnost će ključati.

Sposobnost molekula tečnosti da ispari je uglavnom zasnovana na količini kinetičke energije koju pojedinačna čestica može da poseduje. Čak i na nižim temperaturama, pojedinačni molekuli tečnosti mogu da ispare ako imaju više od minimalne količine kinetičke energije potrebne za isparavanje.

Faktori koji utiču na brzinu isparavanja

Napomena: Vazduh koji se ovde koristi je uobičajen primer; međutim, parna faza mogu biti i drugi gasovi.

Koncentracija supstance koja isparava u vazduhu

Ako vazduh već ima visoku koncentraciju supstance koja isparava, onda će data supstanca isparavati sporije.

Brzina protoka vazduha

Ovo je delimično povezano sa gornjim tačkama koncentracije. Ako se „svež” vazduh (i.e, vazduh koji nije već zasićen supstancom niti drugim supstancama) stalno kreće iznad supstance, onda je manja verovatnoća da će koncentracija supstance u vazduhu rasti s vremenom, i tako se podstiče brže isparavanje. Ovo je rezultat smanjenja graničnog sloja na površini isparavanja sa brzinom protoka, smanjujući difuzionu udaljenost u stagnirajućem sloju.

Količina minerala rastvorenih u tečnosti

Međumolekularne sile

Što su jače sile koje drže molekule zajedno u tečnom stanju, više energije je potrebno da bi se molekuli odvojili. Ovo se karakteriše entalpijom isparavanja.

Pritisak

Isparavanje se odvija brže ako postoji manji napon na površini koji sprečava molekule da se sami pokrenu.

Površina

Supstanca koja ima veću površinu će brže ispariti, pošto ima više površinskih molekula po jedinici zapremine koji potencijalno mogu da pobegnu.

Temperatura supstance

što je temperatura supstance viša to je veća kinetička energija molekula na njenoj površini i samim tim je veća brzina njihovog isparavanja.

U SAD, Nacionalna meteorološka služba meri stvarnu stopu isparavanja sa standardizovane otvorene vodene površine na otvorenom, na različitim lokacijama širom zemlje. I drugi rade isto širom sveta. Podaci za SAD se prikupljaju i sastavljaju u godišnju mapu isparavanja. Mere se kreću od ispod 30 do preko 120 in (3.000 mm) godišnje.

Pošto se obično odvija u složenom okruženju, gde je „isparavanje izuzetno redak događaj“, mehanizam za isparavanje vode nije u potpunosti razjašnjen. Teorijski proračuni zahtevaju preterano duge i velike kompjuterske simulacije. Brzina isparavanja tečne vode je jedna od glavnih nesigurnosti u modernom klimatskom modeliranju.

Primene

• Industrijske primene uključuju mnoge procese štampanja i premaza; dobijanje soli iz rastvora; i sušenje raznih materijala kao što su građa, papir, tkanina i hemikalije.
• Upotreba isparavanja za sušenje ili koncentrovanje uzoraka je uobičajeni pripremni korak za mnoge laboratorijske analize kao što su spektroskopija i hromatografija. Sistemi koji se koriste za ovu svrhu uključuju rotacione isparivače i centrifugalne isparivače.
• Kada se odeća okači na kanap za veš, iako je temperatura okoline ispod tačke ključanja vode, voda isparava. Ovo je ubrzano faktorima kao što su niska vlažnost, toplota (od sunca) i vetar. U mašini za sušenje veša, vrući vazduh se duva kroz odeću, omogućavajući da voda vrlo brzo isparava.
• Matki/Matka, tradicionalni indijski kontejner od porozne gline koji se koristi za skladištenje i hlađenje vode i drugih tečnosti.
• Botiho, tradicionalna španska posuda od porozne gline dizajnirana da hladi sadržanu vodu isparavanjem.
• Evaporativni hladnjaci, koji mogu značajno da rashlade zgradu jednostavnim duvanjem suvog vazduha preko filtera zasićenog vodom.

Vidi još

• Sublimacija
• Ključanje

Literatura

• Sze, Simon Min (25. 9. 2001). Semiconductor Devices: Physics and Technology. ISBN 0-471-33372-7. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Clausius, R. (1857), „Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen”, Annalen der Physik, 176 (3): 353—379, Bibcode:1857AnP...176..353C, doi:10.1002/andp.18571760302 
• de Groot, S. R., W. A. van Leeuwen and Ch. G. van Weert (1980), Relativistic Kinetic Theory, North-Holland, Amsterdam.
• Einstein, A. (1905), „Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen” (PDF), Annalen der Physik, 17 (8): 549—560, Bibcode:1905AnP...322..549E, doi:10.1002/andp.19053220806  
• Grad, Harold (1949), „On the Kinetic Theory of Rarefied Gases.”, Communications on Pure and Applied Mathematics, 2 (4): 331—407, doi:10.1002/cpa.3160020403 

• Herapath, J. (1816), „On the physical properties of gases”, Annals of Philosophy, Robert Baldwin: 56—60 

• Herapath, J. (1821), „On the Causes, Laws and Phenomena of Heat, Gases, Gravitation”, Annals of Philosophy, Baldwin, Cradock, and Joy, 9: 273—293 

• Krönig, A. (1856), „Grundzüge einer Theorie der Gase”, Annalen der Physik, 99 (10): 315—322, Bibcode:1856AnP...175..315K, doi:10.1002/andp.18561751008 

• Le Sage, G.-L. (1818), „Physique Mécanique des Georges-Louis Le Sage”, Ur.: Prévost, Pierre, Deux Traites de Physique Mécanique, Geneva & Paris: J.J. Paschoud, str. 1—186 

• Liboff, R. L. (1990), Kinetic Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J.
• Lomonosov, M. (1970) [1758], „On the Relation of the Amount of Material and Weight”, Ur.: Henry M. Leicester, Mikhail Vasil'evich Lomonosov on the Corpuscular Theory, Cambridge: Harvard University Press, str. 224—233 

• Mahon, Basil (2003), The Man Who Changed Everything – the Life of James Clerk Maxwell, Hoboken, New Jersey: Wiley, ISBN 0-470-86171-1 

• Maxwell, James Clerk (1873), „Molecules”, Nature, 417 (6892): 903, Bibcode:2002Natur.417..903M, PMID 12087385, S2CID 4417753, doi:10.1038/417903a  
• Smoluchowski, M. (1906), „Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekularbewegung und der Suspensionen”, Annalen der Physik, 21 (14): 756—780, Bibcode:1906AnP...326..756V, doi:10.1002/andp.19063261405 

• Waterston, John James (1843), Thoughts on the Mental Functions  (reprinted in his Papers, 3, 167, 183.)
• Williams, M. M. R. (1971). Mathematical Methods in Particle Transport Theory. Butterworths, London. ISBN 9780408700696. 
• Sydney Chapman and Thomas George Cowling (1939/1970), The Mathematical Theory of Non-uniform Gases: An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases, (first edition 1939, second edition 1952), third edition 1970 prepared in co-operation with D. Burnett, Cambridge University Press, London
• Joseph Oakland Hirschfelder, Charles Francis Curtiss, and Robert Byron Bird (1964), Molecular Theory of Gases and Liquids, revised edition (Wiley-Interscience), ISBN 978-0471400653
• Richard Lawrence Liboff (2003), Kinetic Theory: Classical, Quantum, and Relativistic Descriptions, third edition (Springer), ISBN 978-0-387-21775-8
• Rahimi, Behnam; Struchtrup, Henning (2016). „Macroscopic and kinetic modelling of rarefied polyatomic gases”. Journal of Fluid Mechanics. 806: 437—505. Bibcode:2016JFM...806..437R. S2CID 125696882. doi:10.1017/jfm.2016.604. 

Spoljašnje veze

• Early Theories of Gases
• Thermodynamics Arhivirano na sajtu Wayback Machine (28. februar 2017) - a chapter from an online textbook
• Temperature and Pressure of an Ideal Gas: The Equation of State on Project PHYSNET.
• Introduction to the kinetic molecular theory of gases, from The Upper Canada District School Board