Wszyscy jesteśmy świadomi jednego poważnego faktu z życia od dzieciństwa. Aby ostudzić gorącą herbatę, należy ją przelać do zimnego spodka i długo dmuchać po jej powierzchni. Kiedy masz sześć lub siedem lat, tak naprawdę nie myślisz o prawach fizyki, po prostu przyjmujesz je za pewnik lub, w kategoriach fizycznych, traktujesz je jako aksjomat. Jednakże, gdy z biegiem czasu uczymy się nauki, odkrywamy interesujące podobieństwa między aksjomatami a spójnymi dowodami, płynnie przekładając nasze założenia z dzieciństwa na twierdzenia dorosłych. To samo dotyczy gorącej herbaty. Nikt z nas nie wyobrażał sobie, że taki sposób chłodzenia jest bezpośrednio związany z parowaniem cieczy.
Fizyka procesu
Aby odpowiedzieć na pytanie, od czego zależy szybkość parowania cieczy, konieczne jest zrozumienie samej fizyki procesu. Parowanie to proces przemiany fazowej substancji ze stanu ciekłego skupienia do stanu gazowego. Każda ciekła substancja może wyparować, w tym bardzo lepka. Z wyglądui nie można powiedzieć, że pewna galaretowata zawiesina może stracić część swojej masy w wyniku parowania, ale w określonych warunkach tak się dzieje. Wyparować może również ciało stałe, tylko ten proces nazywamy sublimacją.
Jak to się dzieje
Zaczynając dociekać, od czego zależy szybkość parowania cieczy, należy zacząć od tego, że jest to proces endotermiczny, czyli proces, który zachodzi z absorpcją ciepła. Ciepło przemiany fazowej (ciepło parowania) przenosi energię do cząsteczek substancji, zwiększając ich prędkość i zwiększając prawdopodobieństwo ich rozdzielenia, jednocześnie osłabiając siły spójności molekularnej. Odrywając się od masy substancji, najszybsze cząsteczki wyłamują się z jej granic, a substancja traci swoją masę. Jednocześnie wyrzucone molekuły cieczy natychmiast zagotowują się, przeprowadzając proces przemiany fazowej po separacji, a ich wyjście jest już w stanie gazowym.
Aplikacja
Zrozumienie przyczyn, od których zależy szybkość parowania cieczy, możliwe jest prawidłowe regulowanie zachodzących na ich podstawie procesów technologicznych. Na przykład praca klimatyzatora, w wymienniku-parowniku, w którym wrze czynnik chłodniczy, odbierając ciepło z chłodzonego pomieszczenia, lub gotowanie wody w rurach kotła przemysłowego, którego ciepło jest przekazywane do potrzeby ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę. Zrozumienie warunków, od których zależy szybkość parowania cieczy, daje możliwość zaprojektowania i wykonania nowoczesnych i technologicznych urządzeń o kompaktowych wymiarach i podwyższonym współczynnikuwymiana ciepła.
Temperatura
Płynny stan skupienia jest wyjątkowo niestabilny. Z naszym ziemskim n. tak. (pojęcie „warunków normalnych”, tj. odpowiednich do życia człowieka), okresowo przechodzi w fazę stałą lub gazową. Jak to się stało? Od czego zależy szybkość parowania cieczy?
Podstawowym kryterium jest oczywiście temperatura. Im bardziej podgrzewamy ciecz, im więcej energii wnosimy do cząsteczek substancji, im więcej wiązań molekularnych zrywamy, tym szybciej przebiega proces przejścia fazowego. Apoteozę osiąga się przy stałym wrzeniu jąderkowym. Woda wrze w 100°C pod ciśnieniem atmosferycznym. Powierzchnia garnka czy np. czajnika, na której się gotuje, tylko na pierwszy rzut oka jest idealnie gładka. Przy wielokrotnym wzroście obrazu zobaczymy niekończące się ostre szczyty, jak w górach. Ciepło dostarczane jest punktowo do każdego z tych szczytów, a dzięki małej powierzchni wymiany ciepła woda natychmiast wrze, tworząc pęcherzyk powietrza, który unosi się na powierzchnię, gdzie zapada się. Dlatego takie gotowanie nazywa się musującym. Szybkość parowania wody jest maksymalna.
Ciśnienie
Drugim ważnym parametrem, od którego zależy szybkość parowania cieczy, jest ciśnienie. Kiedy ciśnienie spada poniżej atmosferycznego, woda zaczyna wrzeć w niższych temperaturach. Na tej zasadzie opiera się praca słynnych szybkowarów - specjalnych garnków, z których wypompowywano powietrze, a woda gotowała się już w temperaturze 70-80 ºС. Z drugiej strony wzrost ciśnieniazwiększa temperaturę wrzenia. Ta użyteczna właściwość jest wykorzystywana przy dostarczaniu wody przegrzanej z elektrociepłowni do centralnego ogrzewania i ITP, gdzie w celu utrzymania potencjału przekazywanego ciepła woda jest podgrzewana do temperatury 150-180 stopni, gdy konieczne jest wyłączenie możliwość gotowania w rurach.
Inne czynniki
Intensywne przedmuchiwanie powierzchni cieczy o temperaturze wyższej niż temperatura nawiewanego strumienia powietrza to kolejny czynnik determinujący szybkość parowania cieczy. Przykłady tego można zaczerpnąć z życia codziennego. Dmuchanie wiatrem o taflę jeziora, czyli przykład, od którego zaczęliśmy opowieść: dmuchanie gorącej herbaty nalanej do spodka. Ochładza się, ponieważ odrywając się od masy substancji, cząsteczki biorą ze sobą część energii, schładzając ją. Tutaj możesz również zobaczyć efekt powierzchni. Spodek jest szerszy niż kubek, więc z jego kwadratu może wydostać się większa ilość wody.
Sam rodzaj cieczy wpływa również na szybkość parowania: niektóre ciecze parują szybciej, inne natomiast wolniej. Istotny wpływ na proces parowania ma również stan otaczającego powietrza. Jeśli bezwzględna zawartość wilgoci jest wysoka (bardzo wilgotne powietrze, np. w pobliżu morza), proces parowania będzie wolniejszy.
