Párolgás

A párolgás egy anyag folyékony halmazállapotból gőz- vagy gázhalmazállapotúvá történő fázisátalakulásának  folyamata , amely az anyag felületén megy végbe [1] . A párolgás során a részecskék (molekulák, atomok) kirepülnek (leszakadnak) a folyadék vagy szilárd anyag felületéről, miközben mozgási energiájuknak elegendőnek kell lennie a folyadék más molekuláiból származó vonzási erők leküzdéséhez szükséges munka elvégzéséhez [2 ] . A párolgási folyamat során az elpárolgott folyadékból kinyert energia csökkenti a folyadék hőmérsékletét, ami párolgásos hűtést eredményez [3] .

Átlagosan a folyékony molekuláknak csak egy töredéke rendelkezik elegendő hőenergiával ahhoz, hogy kilépjen a folyadékból. A párolgási folyamat a kondenzációs folyamat fordítottja (gőzből folyadékba való átmenet). A párolgás addig tart, amíg el nem éri az egyensúlyt, amely során a folyadék párolgása megegyezik a kondenzációjával. Zárt térben a folyadék elpárolog, amíg a környező levegő telítődik.

Általános jellemzők

A csészealjban hagyott folyadék teljesen elpárolog, mert bármikor vannak benne olyan molekulák , amelyek elég gyorsak (elegendő kinetikus energiával ) ahhoz, hogy legyőzzék a folyadék felszínén jelentkező intermolekuláris vonzási erőket, és elhagyják azt. A párolgó folyadék hőmérsékletének csökkennie kell, mivel a kilépő molekulák mozgási energiát vesznek fel. A párolgás sebessége a hőmérséklet emelkedésével nő.

A párolgást fordított folyamat kíséri – gőzkondenzáció . Ha a folyadék felszíne feletti gőz telített , akkor a folyamatok között dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a folyadékból egységnyi idő alatt távozó molekulák száma megegyezik a folyadékba visszatérő molekulák számával. Ha a folyadék feletti gőz telítetlen, akkor a párolgás addig folytatódik, amíg a gőz telítődik, vagy amíg a folyadék teljesen meg nem szárad.

A párolgás a hőmérséklet csökkenésével jár, mivel az átlagos energiát meghaladó energiájú molekulák kirepülnek a folyadékból. Kvantitatív értelemben a párolgási kalorimetriát a párolgás fajhője jellemzi .

A szél hozzájárul a párolgási sebesség növekedéséhez . Eltávolítja a gőzmolekulákat a folyadék felszínéről, megakadályozva a dinamikus egyensúly létrejöttét. A folyadék gyors elpárolgása és a vele kapcsolatos szárítás érdekében meleg levegőáramokat használnak. Használati példa lehet a háztartási hajszárító .

A párolgási sebességet a folyadék egységnyi felületéről a gázfázisba egységnyi idő alatt behatoló gőzáram felületi sűrűsége határozza meg. A felületi gőz fluxussűrűségének legnagyobb értéke vákuumban érhető el . A folyadék felett viszonylag sűrű gáznemű közeg jelenlétében a párolgás lelassul.

A szilárd test párologtatását szublimációnak (szublimációnak), a folyadék térfogatában és szabad felületén történő párologtatást pedig forrásnak nevezzük. A párolgás egy endoterm folyamat, amelyben a fázisátalakulási hő elnyelődik - a párolgási hő a folyékony fázisban a molekuláris kohéziós erők leküzdésére és a folyadék gőzzé alakulása során a tágulási munkára fordítódik.

A párolgási folyamat a molekulák hőmozgásának intenzitásától függ : minél gyorsabban mozognak a molekulák, annál gyorsabban megy végbe a párolgás. Ezenkívül a párolgást befolyásolja a külső (az anyaghoz képest) diffúzió sebessége , valamint magának az anyagnak a tulajdonságai: például az alkoholok gyorsabban párolognak el, mint a víz. Fontos tényező annak a folyadéknak a felülete is, amelyből a párolgás megtörténik: keskeny üvegből lassabban fordul elő, mint széles lemezből.

Matematikai leírás

A párolgás legegyszerűbb modelljét Dalton alkotta meg. Egyenlete szerint egységnyi területről időegység alatt elpárolgott anyag mennyisége [4] :

ahol  a moláris párolgási sebesség (mol/m² s), és  a gőzkoncentráció az anyag felületén és a környező térben, és  a parciális gőznyomások a folyadék felszínén és a környező térben, és  az arányossági együtthatók.

Ha a folyadék éppen most kezdett el párologni, vagy folyamatosan száraz levegő kerül a felületi rétegbe, akkor , és a párolgási sebesség maximális. Az együtthatók pedig a következőképpen fejezhetők ki: [5] :

hol  van a Nusselt szám , és  a diffúziós együtthatók a nyomás- és koncentrációgradienshez kapcsolódnak-e, - jellemző méret (például cseppátmérő).

A nyomás a legegyszerűbb modellben megegyezik a telítési gőznyomással a folyadék hőmérsékletén. A hőmérséklettől való függését hozzávetőlegesen egy exponenciális törvény írja le [6] :

Ez a függőség megsérül magas hőmérsékleten (közel a forrásponthoz) [7] .

Pontosabban a párolgási sebesség a Hertz-Knudsen egyenletből határozható meg [8] :

ahol  a molekulatömeg (SI-ben, akkor mol \ kg),  egy olyan együttható, amely kisebb vagy egyenlő azzal, hogy annak valószínűsége, hogy egy molekula visszaverődik a folyadék felszínéről, amikor az a levegőből ráesik.

erősen függ a folyadék felszínén lévő szennyeződéstől, és 10 -4 nagyságrendű is lehet, ha a szennyeződés jelentős [9] .

Az egyenletet Hertz az 1880-as években végzett tanulmányai után írta fel , Knudsen pedig 1915-ben finomította. 1913-ban Irving Langmuir kimutatta, hogy ugyanez az egyenlet a szilárd anyagok felszínéről történő párolgást is leírja ( szublimáció ) [9] .

Történelem

A párolgás jelensége ősidők óta ismert. Hésziodosz azt is írta, hogy az eső a folyókból kiszabaduló vízből képződik [10] . A későbbi szerzők helyesen értelmezték a felhőket a tengerek vízpárolgása eredményeként, és a Napra mutattak rá, mint a párolgás okozójára, és felhívták a figyelmet arra is, hogy a szél felgyorsítja a párolgás sebességét [11] . Hérakleitosz és Diogenes Laertes különbséget tett a víz és a nedves testek felszínéről párolgást kibocsátó anyagok között [12] . Az ókori filozófusok gyakran folyamodtak spiritiszta fogalmakhoz a fizikai folyamatokat magyarázva, például azt írták, hogy az egész világ lelke párolgás útján alakul ki. Az is ismert volt, hogy elpárologtatáskor az oldott só megmarad [12] .

Arisztotelészt tartják a legbefolyásosabb ókori filozófusnak . "Meteorológia" című munkájában ( görögül Τα μετεωρολογικά ) kidolgozta Hérakleitosz két gőzének elméletét, és azt állította, hogy a tenger és a föld felszínéről történő párolgás alapvetően különbözik egymástól: az első az eső oka, ill. a második a szél oka. Ezt a meglepő következtetést az okozta, hogy Arisztotelész nem hitte, hogy a szél csupán a levegő mozgása. Azt írta, ahogy minden mozgó vizet nem neveznek folyónak, úgy a szél sem egyszerű levegőmozgás. A folyónak és a szélnek is szivárgása kell, hogy legyen , szél esetében pedig a föld kiszáradásakor keletkező „füstnek” tekintette [13] .

Másrészt Theophrasztosz , Arisztotelész követője pontosabban értékelte a szél, a Nap és a párolgás közötti kapcsolatot. Így helyesen feltételezte, hogy a szél felgyorsítja a párolgást, mivel eltávolítja a vízből a már képződött gőzt. Nem támogatta Arisztotelész nézeteit sem a földről történő párolgás különös jelentőségéről, és azt írta, hogy „a levegő mozgása szél” [14] .

A párolgás természetéről és az időjáráshoz való viszonyáról olyan római szerzők is írtak, mint Plinius és Lucretius , de többnyire csak a görög filozófusok elméleteit dolgozták ki [14] . Az időjárás megmagyarázása mellett a görög és római tudósok a párolgáshoz fordultak, hogy megmagyarázzák egy másik problémát – miért nem áradnak ki a tengerek, holott a folyók folyamatosan öntik beléjük a vizet [15] .

Arisztotelész tekintélyének támogatásával a kettős párolgás elmélete egészen a reneszánsz kezdetéig uralta az európai tudományt [16] . Az egyik első tudós, aki megpróbálta elutasítani, Rene Descartes volt . Meteorájában (1637) azt írta, hogy a napfény ugyanúgy felemeli a víz részecskéit, mint a por séta közben. Ugyanakkor a nedves testek felületéről történő párolgást is ugyanígy vette figyelembe, mivel úgy vélte, hogy a szilárd testek nedvesekké válnak, amikor a vízrészecskék behatolnak egy szilárd test nagy részecskéi közé. Descartes is tagadta a szél különleges természetét, és a levegő szokásos mozgásának tartotta. Annak okát, hogy a folyadékok elpárolognak, a szilárd anyagok pedig nem, azt a vízrészecskék simább felületében látta, aminek köszönhetően könnyen elválaszthatók egymástól, míg a szilárd anyagok részecskéi erősebben tapadnak egymáshoz [17] .

A párolgás első kísérleti vizsgálatát Pierre Perrault készítette . 1669-1670 hideg telén 7 kiló hideg vizet tett a szabadba. 18 nap után feljegyezte, hogy egy kiló eltűnt. Nem ez volt az első megfigyelés, hogy hidegben is párolgás történhet, de ez volt az első kísérleti mérés ennek a folyamatnak az intenzitására. Perrault a vízen kívül más folyadékok, például olaj párologtatását is vizsgálta [17] . Egy másik fizikus, aki a párolgást tanulmányozta, Edmond Halley volt . Megmérte, milyen sebességgel távozik a víz a vékony csövekből. Eredményei (0,1 hüvelyk 12 óra alatt) lehetővé tették számára, hogy kijelentse, hogy ez a víz esőt, harmatot stb. alkot [18] . Halley hipotézisei a párolgás mechanizmusáról eltértek Descartes hipotéziseitől. Tehát azt írta, hogy ha a vízatomok átmérője tízszeresére nő, akkor sűrűségük kisebb lesz, mint a levegő sűrűsége, és elkezdenek „lebegni”. A víz levegőbe párolgási folyamatait a só vízben való feloldásának folyamatával is összehasonlította [18] . Halley azt írta, hogy a nap és a szél együttes hatása okozza a párolgást.

Halley és Descartes megközelítései a párolgás magyarázatának két népszerű megközelítését eredményezték. Az egyik szerint a víz "oldódott" a levegőben (ami azt jelentette, hogy levegő hiányában nem megy végbe a párolgás), a másik szerint pedig a vízrészecskék egyszerűen leváltak a fő tömegről [19] .

A francia matematikus , Sédille sokat tett a párolgás kísérleti tanulmányozásáért, mert szüksége volt ezekre az adatokra egy mérnöki probléma megoldásához – annak kiszámításához, hogy milyen gyorsan párolog el a versailles-i szökőkutak vize. 3 évig kísérletezett, 1688-tól 1690-ig. Mérései szerint egy év alatt mintegy 88 centiméter víz párolog el azon a területen, és ennek csak mintegy kétharmada tért vissza csapadékként. Azt is megjegyezte, hogy egy széles tartályból gyorsabban párolog el a víz, mint egy keskenyből (Sedili több réztartályt használt a kísérlethez) [20] .

1744-ben Desaguliers azt javasolta, hogy a párolgás elektrosztatikus jellegű (a folyadékrészecskéket taszítják a fő tömegből, mert azonos a töltésük), de a kísérletek nem igazolták az elektromosság erős hatását [19] .

A 18. század második felében kimutatták, hogy a vákuumban a párolgás lassabb, mint a levegőben, és az is, hogy a levegő páratartalma csökkenti a párolgás intenzitását, ami növelte az oldódás elméletének népszerűségét [21] .

1757-ben Franklin leírta a párolgás hűsítő hatását (megjegyezte, hogy az alkohollal átitatott hőmérő 6 fokkal szárazabb hőmérsékletet mutat) [21] .

1802-ben John Dalton írt le elsőként egy egyenletet, amely lehetővé tette a felszínről egy bizonyos idő alatt elpárolgó víz mennyiségének kiszámítását [21] .

1862-ben Thomas Tate megszerkesztette az "Evaporameter" ( görögül evaporameter ) készüléket a párolgási sebesség mérésére, és kimutatta, hogy az arányos a víz feletti szél sebességével [22] . Később Wilenmann korrigálta a Dalton-egyenletet, figyelembe véve, hogy a víz hőmérséklete alacsonyabb a környezeti levegő hőmérsékleténél, mivel a párolgás hűti azt [23] .

Még pontosabb egyenleteket írtak le Stefan (1873), Hertz (1882) és Knudsen (1915) [24] nagy pontosságú kísérletei után, valamint a Stefan-Boltzmann törvény [25] felfedezésének köszönhetően .

Evapotranspiráció

Az evapotranszspiráció  a földfelszínről történő párolgás , beleértve a növényi transzspirációt is . A közelmúltban az „ evapotranszspiráció ” kifejezést kezdték használni az evapotranszspirációra. Az evapotranszspirációt vízoszlop mm-ben fejezik ki, és ez korrelál az ökoszisztémák bioproduktivitásával . Potenciális evapotranszspiráció - az a vízmennyiség, amely egy bizonyos hőmérsékleti és páratartalom-tartományban, túlzott mennyiségű vízzel párologtatással felszabadulhat. A tényleges evapotranspiráció az a víztömeg, amelyet a növények egy adott helyen visszajuttatnak a légkörbe. A csapadék ellentéteként kezelik (általában a potenciális evapotranspiráció alatt). A tényleges evapotranszspirációt bárhol a világon a hőmérséklet határozza meg.

Van egy másik jellemzője a párolgásnak - az illékonyság. Párolgás alatt a lehetséges (víztartalékok által nem korlátozott) párolgást értjük egy adott területen, fennálló légköri viszonyok között.

A víz párolgási sebessége

Víz elpárologtatása 1 m²-től (kg/h-ban) a víz hőmérsékletétől és a környezeti feltételektől függően
Vízhőmérséklet nyugodt levegő Átlagos légmozgás Erős légelszívás
tizenöt 0,425 0,546 0,670
harminc 1.056 1.365 1.664
ötven 3.081 3.955 4,853
75 9.666 12.405 15.597
100 25.463 32.077 40.105

Jegyzetek

  1. ↑ a hulladék meghatározása . Dictionary.com . Letöltve: 2018. január 23. Az eredetiből archiválva : 2018. január 22.
  2. ↑ The New Student's Reference Work (1914) . - 1914. - P. 636. Archiválva : 2021. december 9. a Wayback Machine -nál
  3. ↑ Lohner, Science Buddies, Svenja . Chilling Science : Párolgásos hűtés folyadékokkal  , Scientific American . Archiválva az eredetiből 2022. március 24-én. Letöltve: 2022. február 8.
  4. ↑ Bolsakov, Gulin, Toricsnyev, 1965 , p. 95.
  5. ↑ Bolsakov, Gulin, Toricsnyev, 1965 , p. 96.
  6. ↑ Bolsakov, Gulin, Toricsnyev, 1965 , p. 99.
  7. ↑ Bolsakov, Gulin, Toricsnyev, 1965 , p. 100.
  8. ↑ Meissel, Glang, 1977 , p. 37.
  9. ↑ 1 2 Meissel, Glang, 1977 , p. 38.
  10. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 12.
  11. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 13.
  12. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. tizennégy.
  13. ↑ Brutsaert, 1982 , p. tizenöt.
  14. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 16.
  15. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 19.
  16. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 25.
  17. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 26.
  18. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 27.
  19. ↑ 1 2 Brutsaert, 1982 , p. 29.
  20. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 28.
  21. ↑ 1 2 3 Brutsaert, 1982 , p. harminc.
  22. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 32.
  23. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 33.
  24. ↑ Párolgási mechanizmus archiválva : 2018. július 19. a Wayback Machine -nél  (orosz)
  25. ↑ Brutsaert, 1982 , p. 36.

Irodalom

Linkek