чем различаются испарение и кипение
Чем отличается испарение от кипения
Твердое, жидкое и газообразное — каждое вещество может находиться при определенных условиях в этих агрегатных состояниях. Испарение и кипение представляют собой процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.
Что такое испарение и кипение
Испарение — процесс парообразования с поверхности жидкости.
Кипение — процесс парообразования в жидкости.
Сравнение испарения и кипения
В чем же разница между испарением и кипением?
Испарение с поверхности любой жидкости происходит всегда при любой температуре. Молекулы жидкости располагаются почти вплотную друг к другу, они колеблются около своего положения равновесия и связаны между собой силами притяжения. Молекулы жидкости не привязаны к определенным центрам, поэтому могут перемещаться по всей жидкости. Но у жидкостей есть всегда свободная поверхность, пограничный слой с газом. Молекулы в этом слое притягиваются с одной стороны молекулами, которые находятся внутри жидкости. Но наиболее быстрые молекулы, с кинетической энергией, которая выше энергии их связи с остальными молекулами, способны вылететь с поверхности жидкости. Они, отделившись от поверхности жидкости, образуют над ней пар. Часть молекул могут вследствие хаотического движения возвратится обратно в жидкость, а остальные безвозвратно теряются. У оставшихся молекул уменьшается средняя кинетическая энергия, это ведет к охлаждению жидкости.
Кипение — это испарение, которое происходит в самом объеме жидкости. Вода в обычном состоянии при комнатной температуре насыщена воздухом. В жидкости всегда есть пузырьки газа еще до кипения. При нагревании воды газ, который в ней есть, выделяется на дно и стенки сосуда. Так образуются воздушные пузырьки. Если давление насыщенного пара жидкости будет равняться или превышать давление газа в пузырьках, то жидкость начнет испаряться в них. При нагревании пузырьки, которые наполнены паром, раздуваются, расширяются и, наконец, всплывают на поверхность. Кипение представляет собой процесс, при котором происходит непрерывное образование и рост в жидкости пузырьков пара, куда идет испарение жидкости. Кипение данной жидкости происходит при определенной температуре и при определенном давлении и обнаруживается, когда пузырьки пара образуются во всей жидкости. Этот процесс будет происходить, когда давление ее насыщенных паров будет равняться внешнему давлению при определенной температуре.
TheDifference.ru определил, что отличие испарения от кипения заключается в следующем:
Испарение — это переход жидкости в газ, который происходит с пограничного слоя жидкости.
Испарение жидкости имеет место быть всегда при любой температуре.
Кипение — это процесс парообразования в жидкости.
Кипение происходит при определённой температуре и давлении.
Кипение и удельная теплота парообразования
Жидкость может переходить в парообразное состояние двумя способами – испарением и кипением. Испаряются жидкости во всем температурном диапазоне, в то время, как кипение происходит при строго определенной температуре для каждой конкретной жидкости.
Что такое кипение
Образование пара во всем объеме жидкости называют кипением.
Примечание: Интересен тот факт, что перед началом кипения от чайника с водой доносится специфический шум.
Различия между испарением и кипением
Характерным проявлением кипения может служить образование пузырьков пара внутри жидкости (рис. 1):
На следующем рисунке 2 представлены отличия процессов испарения и кипения подробнее:
Испарение происходит при любой температуре с поверхности, а кипение – только при одной конкретной температуре, но во всем объеме жидкости.
Процессы кипения и конденсации на графиках
Пусть небольшое количество воды находится в просторном закупоренном сосуде.
Разберем, как выглядят на температурных графиках процессы кипения и конденсации. Для начала рассмотрим график нагревания и кипения (рис. 3).
Вначале вода имела температуру +20 градусов Цельсия. Будем нагревать эту воду. Поначалу ее температура будет расти. На графике это показано наклонной синей линией, находящейся в левой части рисунка.
До бесконечности температура подниматься не будет. Как только температура достигнет некоторого предела, вода закипит. Из рисунка следует, когда температура воды достигла отметки +100 градусов Цельсия и начался процесс кипения. Этот процесс на рисунке схематично обозначен горизонтальной красной линией.
Горизонтальное положение линии кипения означает, что во время кипения температура воды не изменяется. Температура будет оставаться неизменной до тех пор, пока вся вода не превратится в газообразное состояние — пар. Для компактности рисунка я укоротил эту линию, на самом деле, длину этой линии нужно увеличить.
Уже после того, как вся вода превратилась в пар, температура пара начала повышаться. Это изображено на рисунке наклонной синей линией, находящейся правее красной линии.
Будем теперь отбирать тепловую энергию у молекул. Предположим, что мы охлаждаем горячий водяной пар, находящийся в закупоренном сосуде. Процессы его охлаждения и конденсации представлены на графике (рис. 4). Этот график можно получить, зеркально отразив вокруг вертикальной оси график, связанный с нагреванием, рассмотренный ранее.
Из графика следует:
Вначале температура пара уменьшается от +180 градусов Цельсия до +100 градусов. Это наклонная синяя линия, расположенная в левой части рисунка.
Затем, происходит конденсация пара. Молекулы пара собираются в капли жидкости. При этом, температура пара не изменяется и остается равной +100 градусам Цельсия.
Как только весь пар конденсируется, образовавшаяся жидкая вода начинает охлаждаться до конечной температуры + 20 градусов Цельсия. На графике охлаждение воды – это синяя наклонная линия, находящаяся справа от красной линии конденсации.
Температура кипения и как ее найти на графике
Чтобы жидкость закипела, ее нужно нагреть до температуры кипения.
На рисунке 5 представлен температурный график нагревания воды. Температуру кипения можно определить по горизонтальной линии, обозначающую процесс кипения. Нужно продолжить эту линию пунктиром по направлению к вертикальной оси температур. Точка, в которой пунктир упрется в ось и будет температурой кипения жидкости.
Температура кипения – это температура, при которой пар образуется во всем объеме жидкости. Такая температура у каждой жидкости своя, ее можно найти в справочнике физики.
Температуры кипения некоторых веществ
Сравним для наглядности значения температуры кипения некоторых веществ.
Нам известно, что температура кипения питьевой воды равна 100 градусам на шкале Цельсия.
При комнатной температуре некоторые вещества пребывают в газообразном состоянии, но при более низких температурах они превращаются в жидкости. Например, кислород превращается в кипящую жидкость при минус 183 градусах Цельсия.
В противоположность этому, вещества, которые мы привыкли видеть твердыми при комнатной температуре, в кипящую жидкость превратятся при более высоких температурах. К примеру, медь станет кипящей жидкостью при 2567 град. Цельсия, а железо – при 2500 град. Цельсия
На рисунке 6 представлен список некоторых веществ и указана температура, при которой эти вещества кипят.
Расширенный список жидкостей и их температуру кипения можно найти в справочнике физики.
Почему температура жидкости при кипении не изменяется
Тепловая энергия, которую получает жидкость во время кипения, тратится на образование пара во всем объеме жидкости. Поэтому во время кипения температура жидкости не изменяется.
Разберем подробнее, что происходит, когда мы сообщаем тепловую энергию какой-либо жидкости.
Получаемая от источника тепловая энергия передается молекулам жидкости. Скорость движения молекул увеличивается, а значит, растет их кинетическая энергия. Чем выше температура, тем быстрее будут двигаться молекулы.
Находясь в жидкости, каждая молекула притягиваются к соседним молекулам. То есть, молекулы удерживаются в жидкости силами притяжения соседних молекул. Если есть взаимодействие молекул – их взаимное притяжение, значит, есть потенциальная энергия такого взаимодействия.
По мере нагревания, энергия движения некоторых молекул увеличится настолько, что они преодолеют притяжение соседних молекул и, покинут жидкость. Чем выше температура, тем большее число молекул сможет покинуть жидкость.
Мы помним, что при испарении жидкость покидают молекулы, находящиеся только на ее поверхности. А во время кипения энергию, достаточную для того, чтобы вылететь из жидкости, получают не только молекулы на поверхности, но и молекулы, находящиеся внутри жидкости.
Примечания:
Как давление влияет на температуру кипения
Мы можем влиять на температуру кипения жидкостей, изменяя давление. Если давление воздуха увеличить, то температура кипения, так же, возрастет. К примеру, вода при давлении 220 атмосфер (это 21,6 миллионов Паскалей) закипит только тогда, когда ее температура поднимется до 370 градусов Цельсия.
А уменьшая давление, мы наоборот, температуру кипения жидкостей понизим. Именно из-за пониженного давления, температура кипения воды в высокогорных районах ниже, чем, на равнинной местности, которая ближе к уровню мирового океана. В горах вода закипает при температуре 90 градусов Цельсия. Из-за этого, некоторые продукты высоко в горах сварить не получится.
Чем выше давление, тем выше температура кипения жидкости. Уменьшив давление, мы понизим температуру кипения.
Что такое удельная теплота парообразования
Возьмем какую-либо жидкость массой 1 кг, предварительно нагретую до температуры кипения. Будем сообщать ей тепловую энергию, чтобы испарить эту жидкость полностью.
Та энергия (теплота), которую мы затратим, чтобы испарить с помощью кипения 1 кг жидкости, называется удельной теплотой парообразования. Удельной величиной эту теплоту называют потому, что она приходится на 1 кг жидкости.
Удельная теплота парообразования — это энергия, которую нужно затратить, чтобы испарить 1 кг жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения.
\(\large L \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>>\right)\) – удельная теплота парообразования (конденсации).
На рисунке 7 представлена таблица, в которой содержится удельная теплота парообразования (конденсации) при температуре кипения для некоторых жидкостей и металлов в расплавленном состоянии.
Что происходит с энергией во время кипения и конденсации
Кипение: жидкость получает тепловую энергию (количество теплоты), из нее вырываются молекулы. Полученная энергия тратится на преодоление притяжения соседних молекул и на расширение образовавшегося пара.
Конденсация: молекулы пара отдают тепловую энергию в окружающее пространство, собираясь в капельки — превращаясь в жидкость.
Выполняется закон сохранения энергии. Именно поэтому теплота парообразования и теплота конденсации совпадают. Процессы кипения и конденсации протекают при одной и той же температуре. Различие кроется в том, что кипение происходит с поглощением энергии, а конденсация связана с выделением энергии.
Как удельная теплота парообразования связана с количеством теплоты — формула
Пусть жидкость предварительно нагрета до температуры кипения, и нам известны:
Мы можем посчитать общее количество теплоты, требуемое для перевода всей жидкости в пар. Расчеты нужно вести по формуле:
\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;
\(\large L \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>> \right) \) – удельная теплота парообразования (конденсации);
\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, поглощенное жидкостью во время кипения, т. е. общая тепловая энергия для перевода всей жидкости в пар;
Формулу можно применять так же, чтобы рассчитать количество теплоты, выделяемое в окружающую среду молекулами пара при их конденсации.
Для процесса конденсации величина \(\large Q \) – это количество теплоты, выделенное молекулами пара в окружающую среду;
Чем удельная теплота парообразования отличается от количества теплоты
Отличия удельной теплоты парообразования от количества теплоты, приведены на рисунке 8:
В любом случае, жидкость предварительно нужно нагреть до температуры кипения.
Количество теплоты – это энергия, необходимая для конденсации или образования пара при температуре кипения для нескольких килограммов жидкости.
Удельная теплота парообразования – это энергия, необходимая для перевода в пар 1-го килограмма жидкости.
Разница между кипением и испарением
Вода кипит при 100 ° C, и температура не повышается, даже если к ней постоянно подается тепло. В отличие от этого, скорость испарения зависит от площади поверхности, в том смысле, что чем больше площадь, тем быстрее будет процесс. Давайте посмотрим на статью, представленную ниже, которая упрощает разницу между кипением и испарением.
Сравнительная таблица
Определение кипения
Температура, при которой начинается кипение, называется температурой кипения. Это зависит от давления, оказываемого на жидкость, т.е. чем больше давление, тем выше будет температура кипения. В процессе кипения, когда молекулы вещества настолько распространены, что оно может изменить свое состояние, образуются пузырьки и начинается кипение.
В этом процессе, когда мы нагреваем жидкость, давление пара возрастает, пока оно не станет равным атмосферному давлению. После этого в жидкости будет происходить образование пузырьков, которые будут перемещаться на поверхность и взрываться, что приведет к выделению газа. Даже если мы добавим больше тепла к жидкости, температура кипения будет такой же.
Определение испарения
Процесс, в котором элемент или соединение переводится из жидкого состояния в газообразное состояние из-за повышения температуры и / или давления, известен как испарение. Процесс может быть использован для отделения твердого вещества, растворенного в жидкости, такого как соль, растворенная в воде. Это поверхностное явление, то есть оно происходит от поверхности жидкости в пар.
Тепловая энергия является основным требованием для испарения, то есть для разделения связей, которые удерживают молекулы воды вместе. Таким образом, вода медленно испаряется в точке замерзания.
Испарение в значительной степени зависит от температуры и количества воды, присутствующей в водоеме, т.е. чем выше температура и чем больше воды, тем выше будет скорость испарения. Процесс может происходить как в естественной, так и в искусственной среде.
Основные различия между кипением и испарением
Приведенные ниже пункты заслуживают внимания, поскольку они объясняют разницу между кипением и испарением:
Заключение
Подводя итог, можно сказать, что кипение является более быстрым процессом по сравнению с испарением, так как молекулы жидкости движутся быстрее при кипении, чем в процессе испарения. В то время как кипячение производит тепло и не вызывает охлаждения жидкости, испарение приводит к охлаждению жидкости.
Испарение
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Испарение: что это за процесс
Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:
| Испарение | Кипение |
| При любой температуре, с поверхности жидкости | При определенной температуре, во всем объеме жидкости |
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.
В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.
Интенсивность испарения
Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.
Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:
Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.
Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.
По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.
Насыщенный пар
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.
Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.
На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.
Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Испарение в жизни
И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.
Испарение в организме человека и животных
Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.
Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.
Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.
При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶
Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Испарение у растений
Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.
Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.
Испарение в природе и окружающей среде
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.
Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.
В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.
Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.