Спросим у физиков: чем отличается кипение от испарения?

Что такое пароообразование?

Парообразованием называют изменение капельными жидкостями агрегатного состояния, в результате чего они из жидкости превращаются в пар.

Определение видов

Рассмотрим определения процессов кипения и испарения.

Кипение

Кипение — это процесс, происходящий внутри объёма жидкости. При комнатной t вода крайне насыщена воздухом, но в ней присутствуют пузырьки, свидетельствующие о наличии газа.

При нагревании он будет выделяться на стенки и дно сосуда. Это приводит к формированию воздушных пузырьков, а, находящаяся в них жидкость, начнёт испаряться, если давление пара станет больше давления газа, находящегося в пузырьках.

В процессе нагревания, наполненные паром пузырьки расширяются, что приводит к их всплыванию на поверхность. При кипении в жидкости всё время формируются пузырьки пара, через которые она испаряется. Для этого нужна определённая температура и давление.

При достижении температуры кипения молекулы начинают наращивать и поглощать тепловую энергию и энергию движения тела. Это приводит к увеличению скорости испарения, которое будет происходить, пока воздушные массы остаются насыщенными.

Если давление внешней среды приравняется к внутреннему молекулярному давлению жидкости, начнет происходить кипение, сопровождающееся преобразованием воды в пар.

Кипение бывает двух видов:

1. Пузырьковое. Пузырьковое кипение заключается во время от времени появляющихся и увеличивающихся пузырьках. Если этот процесс происходит медленно, то они наполняются паром. Их увеличение в размерах происходит за счёт быстрого испарения жидкости, что провоцирует их всплытие и образование пара.
2. Плёночное. Плёночное кипение возникает, когда некоторые пузырьки сливаются вместе до определённой критической отметки. Это приводит к формированию сплошного слоя пара, который время от времени прорывается в тело жидкости.

   Теплоотдача в такой ситуации резко снижается, так как плёнка плохо проводит тепло, а это приводит к увеличению температуры поверхности нагревания. Хорошим примером плёночного кипения считается капля воды, находящаяся на сильно нагретой плите.

Испарение

Испарение — процесс спонтанный, происходящий при температуре 20 — 25°C и спровоцированный перемещением высокоэнергетических молекул, переходящих в воздушную массу.

Находясь в жидкости, молекулы обладают некоторой степенью свободы и определённым количеством энергии движения тела, побуждающей их переходить в газовую фазу, справляясь со сдерживающим их напряжением. Переходят из жидкой в газообразную фазу молекулы, находящиеся на поверхности, так как им для этого нужно мало энергии.

Однако это доступно и молекулам, располагающимся глубже в структуре жидкости, при условии, что у них есть достаточная для этого энергия движения тела, позволяющая преодолеть сопротивление поверхности и не сталкиваться с другими молекулами, находящимися внутри.

Только в этом случае воздух примет молекулы паров, поглощающие тепловую энергию. В результате процесса испарения происходит снижение температуры той части жидкости, которая не преобразуется в пар.

Испарение становится возможным благодаря следующим особенностям молекулярной структуры жидкости:

• молекулы расположены очень близко одна к другой;
• отсутствует привязка молекул к каким-либо центрам, что позволяет им свободно перемещаться по всему телу жидкости;
• существуют силы притяжения, связывающие молекулы между собой;
• молекулы всё время находятся недалеко от собственного положения равновесия.

Чтобы произошло испарение, необходимо выполнить одно важное условие: накопление молекулами энергии движении тела, которая будет выше их связи другими молекулами в структуре жидкости. Это позволит им вылетать с поверхности и образовывать над ней пар.

Однако для молекул характерно хаотичное движение, в результате которого они возвращаются в жидкое состояние, а часть из них теряется безвозвратно. Оставшиеся в структуре тела жидкости молекулы характеризуются сокращением средних показателей энергия движения тела, что приведёт к снижению температуры.

В чем разница между процессами?

Есть отличия между этими двумя процессами. Если испарение — это парообразование, происходящее при комнатной температуре, то кипением называют преобразование воды в пар при достижении температуры кипения. Эта температура будет постоянной на протяжении всего процесса кипения.

При парообразовании, происходящем на поверхности воды, расположенные там молекулы участвуют в этой процедуре наибольшую часть времени.

Основное отличие этих процессов состоит в том, что для кипения свойственно поддержание постоянной температуры, в результате чего происходит газообразование, а испарение — это спонтанный, а не принудительный процесс, поддерживаемый изменением давления или температуры.

Кипение считают массовым явлением, происходящим во всём теле жидкости, в то время как, испарение затрагивает исключительно поверхностные молекулы. Кипячение приводит к образованию пузырьков во внутренней структуре, откуда они поднимаются и преобразуются в газ.

Что общего?

Сходства заключаются в следующем:

• происходит преобразование воды из жидкого состояния в газообразное;
• сокращается объём тела жидкости;
• часть молекул безвозвратно теряется;
• происходит отрыв молекул с наибольшей энергией движения тела.

Таблица сходств и различий

Рассмотрим таблицу, в которой наглядно показано сравнение и разница между процессами.

Заключение

Понимая разницу процессами кипения и испарения, можно их наблюдать и исследовать, занимаясь изучением основ физики и механизмов преобразования воды из жидкого состояния в парообразное.