Испарение - это процесс, при котором вещество из жидкого или твердого состояния переходит в пар. В случае перехода вещества из твердого состояния непосредственно в парообразное - процесс чаще называют возгонкой. Обратный - переход пара в воду называют конденсацией. Водяной пар, конденсируясь в атмосфере, образует облака, а затем и осадки, выпадающие на землю.

Рассмотрим испарение в замкнутом объеме. Известно, что молекулы жидкости, обладая кинетической энергией, постоянно совершают колебательные движения. Скорость их движения является важным показателем их кинетической энергии. При колебательном движении в пар переходят молекулы воды, обладающие наибольшей скоростью движения по сравнению с другими молекулами. Чтобы оторваться от поверхности воды испаряющаяся молекула должна преодолеть силы притяжения со стороны оставшихся молекул, а также внешнее давление уже образовавшегося пара над этой поверхностью. При испарении температура воды понижается. Объясняется это тем, что жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей энергией по отношению к другим молекулам при данной её температуре. Чтобы температура жидкости не понижалась, её необходимо непрерывно нагревать. Количество теплоты, необходимое для поддержания постоянной температуры называют удельной теплотой испарения. Т.о, испарение воды сопровождается затратой энергии, характеризующейся количеством теплоты, которое нужно сообщить единице её массы, имеющей температуру 1, чтобы превратить её в пар при той же температуре.

Испарение происходит при любой температуре. Но с её возрастанием скорость испарения увеличивается, так как интенсивность теплового движения молекул в этом случае также возрастает. Одновременно с испарением наблюдается процесс конденсации водяного пара, т.е. происходит непрерывный обмен молекулами между этими фазами. В зависимости от преобладания первого или второго процесса над водной поверхностью будет наблюдаться насыщенный водяной пар, динамическое равновесие или перенасыщенный водяной пар. Указанные состояния водяного пара в воздухе можно характеризовать соответствующими разностями давления водяного пара: ℮0 - ℮ > 0, ℮0- ℮ = 0, ℮0- ℮ < 0, где ℮0 - давление насыщенного водяного пара в воздухе, определяемое по температуре поверхности воды; ℮ - парциальное давление водяного пара в воздухе. Разность ℮0- ℮ - дефицит насыщения воздуха.

Итак, в замкнутом объеме интенсивность испарения зависит от температуры поверхности воды, определяющей значение ℮0 , и фактического парциального давления водяного пара ℮ над испаряющей поверхностью. Чем выше температура воды и ниже фактическое парциальное давление водяного пара, тем больше испарение. В естественных условиях температура воды и влажность воздуха непостоянные и зависят от многих факторов: солнечной радиации, радиационного излучения подстилающей поверхности, стратификации атмосферы, скорости воздушного потока и др.

1. Методы расчета испарения с водной поверхности.

Оценка испарения с водной поверхности может быть произведена с использованием нескольких методов. Большое количество методов вызвано тем, что сложный механизм взаимодействия между водной поверхностью водоема и прилегающей к ней воздушной массой полностью не раскрыт. Более точным из разработанных методов считается инструментальный (прямой) метод, т. е. метод непосредственного измерения слоя испарившейся воды с помощью водных испарителей. К прямому методу относится и пульсационный метод. Однако они не всегда могут быть применены вследствие их трудоемкости и невозможности использования при разработке проекта. Поэтому для определения испарения с поверхности воды применяют косвенные методы, основанные на использовании уравнений водного и теплового балансов, турбулентной диффузии водяного пара в атмосфере, а также производят расчёт по метеорологическим данным с помощью эмпирических формул.

Например с поверхности открытого сосуда, с поверхности водоема и т. д. Испарение происходит при любой температуре, но для всякой жидкости с повышением температуры скорость его увеличивается. Объем, занимаемый данной массой вещества, при испарении скачком возрастает.

Облака на небе, иней на деревьях - это все следствия процессов испарения воды и конденсации водяного пара.

Следует различать два основных случая. Первый, когда испарение происходит в замкнутом сосуде и температура во всех точках сосуда одинакова. Так, например, испаряется вода внутри парового котла или в чайнике, закрытом крышкой, если температура воды и пара ниже температуры кипения . В этом случае объем образующегося пара ограничен пространством сосуда. Давление пара достигает некоторого предельного значения, при котором он находится в тепловом равновесии с жидкостью; такой пар называется насыщенным , а его давление - упругостью пара . Второй случай, когда пространство над жидкостью незамкнутое; так испаряется вода с поверхности пруда. В этом случае равновесие не достигается практически никогда, и пар ненасыщенный, а скорость испарения зависит от многих факторов.

Мерой скорости испарения является количество вещества, улетающего в единицу времени с единицы свободной поверхности жидкости. Английский физик и химик Д. Дальтон в начале XIX в. нашел, что скорость испарения пропорциональна разности между давлением насыщенного пара при температуре испаряющейся жидкости и действительным давлением того реального пара, который над жидкостью имеется. Если жидкость и пар находятся в равновесии, то скорость испарения равна нулю. Точнее, оно происходит, но с той же скоростью происходит и обратный процесс - конденсация (переход вещества из газообразного или парообразного состояния в жидкое). Скорость испарения зависит также от того, происходит ли оно в спокойной атмосфере или движущейся; скорость его увеличивается, если образующийся пар сдувается потоком воздуха или откачивается насосом.

Если испарение происходит из жидкого раствора, то разные вещества испаряются с разной скоростью. Скорость испарения данного вещества уменьшается с увеличением давления посторонних газов, например воздуха. Поэтому испарение в пустоту происходит с наибольшей скоростью. Напротив, добавляя в сосуд посторонний, инертный газ, можно очень сильно замедлить испарение.

При испарении вылетающие из жидкости молекулы должны преодолеть притяжение соседних молекул и совершить работу против удерживающих их в поверхностном слое сил поверхностного натяжения . Поэтому, чтобы испарение происходило, испаряющемуся веществу надо сообщить тепло, черпая его из запаса внутренней энергии самой жидкости или отбирая у окружающих тел. Количество тепла, которое нужно сообщить жидкости, находящейся при данной температуре и фиксированном давлении, чтобы перевести ее в пар при этой же температуре и давлении, называется теплотой испарения . Упругость пара растет с ростом температуры тем сильнее, чем больше теплота испарения.

Если к испаряющейся жидкости не подводить тепла извне или подводить его недостаточно, то жидкость охлаждается. Вот почему, оставив мокрую руку на воздухе, мы ощущаем холод. Заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно добиться значительного ее охлаждения. Согласно кинетической теории , испаряются наиболее быстрые молекулы, средняя энергия остающихся в жидкости молекул убывает - вот почему жидкость охлаждается.

Иногда испарением называют также сублимацию , или возгонку , т. е. переход твердого вещества в газообразное состояние. Почти все их закономерности действительно похожи. Теплота сублимации больше теплоты испарения приблизительно на теплоту плавления.

При температурах ниже температуры плавления давление насыщенных паров большинства твердых тел очень мало, и их испарение практически отсутствует. Бывают, однако, исключения. Так, вода при 0 °C имеет давление насыщенных паров 4,58 мм рт. ст., а лед при −1 °C - 4,22 мм рт. ст. и даже при −10 °C - всё еще 1,98 мм рт. ст. Этими сравнительно большими упругостями водяного пара объясняется легко наблюдаемое испарение твердого льда, в частности известный всем факт высыхания мокрого белья на морозе.

Каждый представитель царства флоры испаряет внушительные объемы влаги. Вода необходима растениям для осуществления процессов жизнедеятельности и поглощается ими через корневую систему. По стеблям она перекачивается в листья, откуда, следовательно, и испаряется. Как показывают научные исследования, растения усваивают только 3% поступающей к ним воды, а остальное - испаряют.

Процесс испарения воды с поверхности растений называется транспирацией. Фактически, это избавление живого организма от излишков воды, а также аналог потоотделения у представителей царства животных. Основная часть растений испаряет воду обратной стороной листьев, где находятся особые зеленые клетки (устьица), образующие между собой небольшие щели.

Роль испарения воды в жизни растений

• Когда растение всасывает воду, оно поглощает различные минеральные компоненты из жидкости. В самой воде их не очень много, поэтому через стебли прогоняется большой объем жидкости за сутки. Постепенно из-за корневого давления уровень воды в растении поднимается, и она поступает в листья, откуда и испаряется.
• Благодаря испарению жидкости растение может охлаждать себя. Это связано с эффектом максимальной теплоемкости воды. Если представитель флоры долгое время находится на солнце, начинается автоматическая транспирация, и водяной пар уносит лишнее тепло с собой.
• Испарение влаги является также необходимостью для растений, поскольку вода должна подниматься вверх для осуществления разных биохимических процессов, например, фотосинтеза.

Для окружающей среды, и в частности, для человека, испарение воды растениями тоже весьма значимо. Интенсивность этого явления, например, снижает питательность и вкусовые качества сельскохозяйственных культур. Чем чаще испаряется влага, тем скуднее становится почва, постоянно отдающая воду, обогащенную минеральными компонентами. Отсюда возникает необходимость регулярного облагораживания земель и их удобрения.

Процесс испарения воды растением

Как уже было обозначено, испарение воды возможно за счет наличия устьиц на листьях. Их количество у каждого организма неодинаковое и определяется ареалом обитания и характеристиками того или иного представителя флоры (уровнем воды в клетках, возрастом, осмотическим давлением клеточного сока). Интенсивность испарения влаги также зависит от наличия тени, воздушных масс и уровня воды в грунте.

Когда растение накапливает излишки воды, устьица расширяются, и их клетки образуют отверстия, откуда выходит водяной пар. В межклетниках жидкость всегда пребывает в состоянии пара, но выйти за пределы листа она может только при открытии устьиц. Обычно процесс транспирации происходит днем, когда устьица автоматически открыты. Но если растение страдает от засухи, оно меняет свой режим и минимизирует испарение воды.

Растения, которые произрастают в теплом климате, например, в тропиках, всегда имеют большие листья, чтобы с их поверхности испарялся максимальный объем воды в короткие сроки. В холодном или засушливом климате, соответственно, наоборот. Также, если растение не заинтересовано в регулярном избавлении от избытков воды, его листья в процессе эволюции покрываются восковым налетом или мелкими ворсинками. Нередки случаи, когда листья скручиваются при солнечном освещении, чтобы испарение уменьшилось.

Покрытосеменные растения испаряют воду не только с обратной, но и лицевой стороны листовых пластин. Это связано с тем, что устьица размещены по обеим сторонам, однако изнанка листа практически всегда находится в воде и испарение невозможно.

Наиболее интересный процесс, который протекает на нашей планете – процесс . Ведь круговорот воды в природе представляет собой массу различных переходных состояний воды, которые плавно переходят одно в другое и в целом составляют замкнутый круг. Можно вспомнить множество интересных примеров, которые помогут оценить возможности воды по перемещению на планете, ведь массы воздуха с каплями воды смещаются постоянно и непрерывно по всему земному шару. То есть, падающая на землю, постоянно разная. В этом тоже можно заметить уникальность воды. Но давайте рассмотрим процесс испарения более подробно.

Немного физики

Вода при любой температуре. В отличие от кипения, когда молекулы воды покидают общую массу жидкости из-за своей кинетической энергии, испарение происходит «добровольно». То есть, кинетическая энергия мала, но отрыв происходит из-за незначительного превышения. Чем меньше разница температур воды и окружающего воздуха, тем меньше молекул воды отправится в воздух. Конечно, объяснение на пальцах не всегда точно может показать, что именно творится с водой в такие периоды, но стоит отметить тот факт, что именно некоторые аспекты испарения помогают человеку жить проще.

Например, расчет поверхности жидкости, которая должна остыть, поможет прикинуть, сколько времени потребуется для того, чтобы вода остыла. Например, вода в чашке остынет медленнее, чем вода в тарелке. А все из-за того, что площадь больше. Ведь количество молекул, которые в среднем отрываются от общей массы воды, одинаково на единицу площади. Значит, чем больше площадь, тем больше молекул «вылетят» из воды и отберут вместе со средней кинетической энергией еще и температуру жидкости. Сложно? Что поделать, таково физическое описание процесса испарения. И в нем сокрыто немало секретов.

Параметры, испарение воды

Особенность испарения в том, что расчет поверхности может показать не только скорость остывания жидкости, но и то, насколько быстро напитается влагой что-то, расположенное над влагой. Кроме того, есть также один важный момент. Расчет поверхности жидкости, которая испаряется в помещении, показывает, как скоро можно получить определенную влажность. И хотя конечный результат состоит из нескольких параметров, основной (скорость испарения), можно получить только лишь произведя расчет поверхности.

Что еще может повлиять на испарение воды? Конечно же, влажность воздуха. Расчет поверхности воды, разность температур и численное значение влажности. Все эти параметры, умноженные на определенный коэффициент, дадут тот самый результат, при котором комната наполнится нужным количеством влаги без особых усилий. Чем больше разница в параметрах, тем быстрее будет происходить испарение. Если же влажность в помещении приближена к 100%, то и ждать испарения не стоит: молекулам воды в насыщенном воздухе деваться просто некуда.

Какие бывают поверхности

Итак, перейдем к тому, что можно назвать расчет поверхности. Это поиск площади поверхности жидкости, которая в настоящий момент испаряется. А испаряются все жидкости без исключения. Для этого расчета используются классические планиметрические формулы из геометрии. Овалы, окружности, квадраты и прямоугольники. Учитывая, что емкости для жидкости могут иметь совершенно различный вид, стоит иметь в запасе достаточное количество формул для проведения математических вычислений.

Если знать площадь, то можно легко определить навскидку скорость и степень испарения. Поэтому для тех, кто уверен в пользе влажности в помещении, это очень важно. Пользуйтесь формулами, рассчитывайте площадь и создайте уникальный климат в своей квартире.

Количественно испарение характеризуется массой воды, которая испаряется в единицу времени с единицы поверхности. Эта величина называется скоростью испарения. В системе СИ она выражается в кг/(м 2. с), в СГС – в г/(см 2. с).

Скорость испарения увеличивается с повышением температуры испаряющей поверхности. В процессе испарения молекулы воды, которые переходят в пар, тратят часть своей энергии на преодоление сил сцепления и на работу расширения, связанную с увеличением объема жидкости, которая переходит в газообразное состояние. В результате средняя энергия молекул, которые остаются в жидкости, уменьшается, и жидкость охлаждается. Для продолжения процесса испарения необходимо дополнительное тепло, которое называется теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с увеличением температуры испаряющей поверхности.

Если испарение проходит с поверхности воды, то эта зависимость выражается формулой:

Q = Q 0 - 0,65 . t, (5.9)

где Q - теплота испарения, Дж/г;

t – температура поверхности, которая испаряет, 0 С;

Q 0 = 2500 Дж/кг.

Если испарение проходит из поверхности льда или снега, то:

Q = Q 0 - 0,36 . t, (5.10)

Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в мм) слоя воды, которая испаряется за единицу времени. Слой воды, высотой 1мм, который испарится с площади 1 м 2 , отвечает ее массе в 1 кг.

Согласно закону Дальтона, скорость испарения W в кг/(м 2. с) прямо пропорциональная дефициту влажности, вычисленному по температуре испаряющей поверхности, и обратно пропорциональная атмосферному давлению:

где Е 1 - упругость насыщения, взятая по температуре испаряющей поверхности, гПа;

е - упругость пара в окружающем воздухе, гПа;

Р – атмосферное давление, гПа;

А – коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости ветра.

Из закона Дальтона видно, что чем больше разность (Е 1- е), тем больше скорость испарения. Если поверхность, которая испаряет, теплее воздуха, то Е 1 большее, чем упругость насыщения Е при температуре воздуха. В таком случае испарение продолжается даже тогда, когда воздух насыщен водяным паром, то есть если е=Е (но Е

Наоборот, если испаряющая поверхность холоднее воздуха, то при довольно большой относительной влажности может оказаться, что Е 1

Зависимость скорости испарения от атмосферного давления обусловлена тем, что в неподвижном воздухе молекулярная диффузия усиливается с уменьшением внешнего давления: чем оно меньшее, тем легче молекулам оторваться от испаряющей поверхности. Однако атмосферное давление у поверхности земли колеблется в сравнительно небольших пределах. Поэтому, оно не может существенным образом изменять скорость испарения. Но его приходится учитывать, например, при сравнении скоростей испарения на разных высотах в горной местности.

Скорость испарения зависит от скорости ветра . С увеличением скорости ветра увеличивается турбулентная диффузия, от которой в значительной мере зависит скорость испарения. Чем интенсивнее турбулентное перемешивание, тем быстрее протекает перенос водяного пара в окружающую среду. Если воздух переносится с суши на водоем, то скорость испарения с водоема увеличивается, так как в воздухе, который натекает на сравнительно более сухую поверхность, дефицит влажности больше, чем он над водоемом. При переносе воздуха с водной поверхности на сушу скорость испарения постепенно уменьшается в результате уменьшения дефицита влажности в воздухе, который находится над водой. На скорость испарения с поверхностей морей и океанов влияет их соленость, так как упругость насыщения над раствором меньше, чем над пресной водой.

На испарение из поверхности грунта значительно влияют физические свойства, состояние деятельной поверхности, рельеф и др. факторы. Гладкая поверхность испаряет меньше, чем шероховатая, так как над ней слабее развито турбулентное перемешивание, чем над шероховатой поверхностью. Светлые почвы при прочих равных условиях испаряют меньше, чем темные, так как они меньше нагреваются. Рыхлые почвы с широкими капиллярами испаряют меньше, чем плотные почвы с узкими капиллярами. Объясняется это тем, что по узким капиллярам вода поднимается ближе к поверхности почвы, чем по широкой. Скорость испарения зависит от степени увлажнения почвы: чем суше почва, тем медленнее происходит испарение. На скорость испарения влияет рельеф местности. На возвышенностях, над которыми имеет место интенсивное турбулентное перемешивание, испарение происходит быстрее, чем в низинах, балках и долинах, где воздух менее подвижен.

На скорость испарения влияет растительный покров. Он значительно уменьшает испарение непосредственно с поверхности почвы. Однако сами растения испаряют много влаги, которые берут из почвы. Испарение влаги растениями является физико-биологическим процессом и называется транспирацией.

Полная отдача водяного пара с определенной поверхности с одинаковым растительным покровом называется эвапотранспирацией. Она включает испарение из поверхности земли и от растений.

Испаряемость – это испарение, максимально возможное в данной местности с определенной деятельной поверхности при достаточном количестве влаги при существующих здесь метеорологических условиях.