Випаровування

Рідина, залишена в блюдці, повністю випарується, тому що в будь-який час у ній є молекули, досить швидкі (з достатньою кінетичною енергією), щоб перебороти міжмолекулярні сили притягання на поверхні рідини і покинути її. Температура рідини, що випаровується, повинна знижуватися, тому що молекули, що її покидають, забирають кінетичну енергію. Швидкість випаровування зростає зі зростанням температури.

Випаровування супроводжується оберненим процесом — конденсацією пари. Якщо пара над поверхнею рідини насичена, то між процесами встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість молекул, що покидає рідину в одинцю часу дорівнює кількості молекул, що повертаються в неї. Якщо пара над рідиною ненасичена, то випаровування продовжуватиметься доти, доки пара не стане насиченою, або до повного висихання рідини.

Випаровування супроводжується зниженням температури, оскільки з рідини вилітають молекули з енергією, яка перевищує середню. Кількісно калориметрія випаровування характеризується питомою теплотою випаровування.

Зростанню швидкості випаровування сприяє вітер. Він забирає молекули пари з-понад поверхні рідини, заважаючи встановленню динамічної рівноваги. Для швидкого випаровування рідини, і пов'язаного з ним висушування, використовують потоки теплого повітря. Прикладом може бути побутовий фен.

Швидкість випаровування визначається поверхневою щільністю потоку пари, проникаючої за одиницю часу в газову фазу з одиниці поверхні рідини. Найбільше значення поверхневої щільності потоку пари досягається у вакуумі. При наявності над рідиною відносно щільного газового середовища випаровування сповільнюється.

Випаровування відбувається не лише з поверхні рідини, але і з поверхні усіх твердих тіл. Цей процес називають узгін або сублімація. При сублімації, як і при випаровуванні, речовина охолоджується.

Найпростіша модель випаровування була створена Дальтоном. Згідно його рівнянню, кількість речовини, що випаровується з одиничної площини за одиницю часу дорівнює^[1]:

${\displaystyle \omega =\beta _{c}(C_{s}-C_{0})=\beta _{p}(P_{s}-P_{0})}$ ,

де ${\displaystyle \omega }$  — молярна швидкість випаровування (моль/м²·с), ${\displaystyle C_{s}}$ і ${\displaystyle C_{0}}$  — концентрації пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, ${\displaystyle P_{s}}$ і ${\displaystyle P_{0}}$  — парціальний тиск пари на поверхні речовини і в оточуючому просторі, ${\displaystyle \beta _{c}}$ і ${\displaystyle \beta _{p}}$  — коефіцієнти пропорційності. Якщо рідина тільки почала випаровуватись, або ж сухе повітря постійно надходить, то ${\displaystyle C_{0}=P_{0}=0}$ , і швидкість випаровування максимальна. Коефіцієнти ${\displaystyle \beta }$ в свою чергу можуть бути виражені як^[2]:

${\displaystyle \beta _{c}={\frac {NuD_{c}}{x}},\beta _{p}={\frac {NuD_{p}}{x}}}$ ,

де ${\displaystyle Nu}$  — число Нуссельта, ${\displaystyle D_{p}}$ і ${\displaystyle D_{c}}$  — коефіцієнт дифузії віднесений до градієнта тиску і концентрації відповідно, ${\displaystyle x}$  — характерний розмір (наприклад, діаметр крапель).

Тиск ${\displaystyle P_{s}}$ у найпростішій моделі дорівнює тиску насиченої пари за температури рідини. Його залежність від температури можна наближено описати експоненційним законом^[3]:

${\displaystyle P_{s}=Ae^{-{\frac {B}{t}}}}$ .

Така залежність порушується для високих температур (наближених до температури кипіння)^[4].

Більш точно швидкість випаровування може бути визначення за рівнянням Герца—Кнудсена^[5]:

${\displaystyle \omega =\alpha _{\nu }{\sqrt {2\pi MkT}}(P_{S}-P_{0})}$ ,

де M — молекулярна маса, а ${\displaystyle \alpha }$  — коефіцієнт, що менший або дорівнює одиниці, який пов'язаний з ймовірністю молекули відбитися від поверхні рідини, коли вона падає на неї з повітря. Цей коефіцієнт сильно залежить від забруднення на поверхні рідини, і може мати порядок величини 10⁻⁴, якщо забруднення значне^[6].

Рівняння було записане Герцем після досліджень, проведених у 1880-ті, і уточнене Кнудсеном^[en] у 1915. У 1913 році Ірвінг Ленгмюр показав, що це ж рівняння описує і випаровування з поверхні твердих тіл (сублімацію)^[6].

Явище випаровування відоме з давніх часів. Ще Гесіод писав про те, що дощ утворюється з води, яка випаровується з річок^[7]. Пізніші автори правильно інтерпретували хмари як результат випаровування води з морів і вказували на Сонце як причину випаровування, а також звертали увагу, що вітер пришвидшує швидкість випаровування^[8]. Геракліт і Діоген Лаертський розрізняли виокремлювали випаровування з поверхні води і поверхні вологих тіл^[9]. Античні філософи часто пояснюючи фізичні процеси вдавалися до спіритуалістичних концепцій, наприклад, писали, що через випаровування утворюється душа усього світу. Також, було відомо, що при випаровуванні розчинена сіль лишається^[9].

Найбільш впливовим античним філософом вважається Арістотель. У своїй праці "Метеорологія" (грец. Τα μετεωρολογικά) він розвинув теорію двох випаровувань Геракліта, і стверджував, що випаровування з поверхні моря і поверхні землі є принципово різними: перші є причиною дощу, а другі — причиною вітру. Такий дивний висновок пояснювався тим, що Арістотель не вважав, що вітер — це просто рух повітря. Він писав, що, як не називають річкою будь-яку воду, що рухається, так і вітром не є простий рух повітря. І у річки і у вітру має бути витік, і у випадку вітру таким витоком він вважав "дим", що утворюється при висиханні землі^[10].

З іншого боку, Теофраст, послідовник Арістотеля, більш правильно оцінював зв'язок вітру, Сонця і випаровування. Так, він правильно припускав, що вітер пришвидшує випаровування, оскільки він прибирає пару, що вже утворилася, від води. Також він не підтримував погляди Арістотеля на особливе значення випаровування з землі, і писав, що "рух повітря — це вітер"^[11].

Римські автори, такі як Пліній і Лукрецій теж писали про природу випаровування і його зв'язок з погодою, проте в основному лише розробляли теорії грецьких філософів^[11]. Окрім пояснення погоди, грецькі і римські вчені зверталися до випаровування щоб пояснити ще одну проблему — чому моря не переповнюються, хоча ріки безперервно вливають в них воду^[12].

Підтримувана авторитетом Арістотеля, теорія подвійного випаровування домінувала у європейській науці аж до початку Ренесансу^[13]. Одним з перших вчених, хто спробував її відкинути був Рене Декарт. У своїй праці "Метеори" (1637) він писав, що сонячне світло підіймає частинки води подібно до того як пил підіймається під час ходьби. При цьому, випаровування з поверхні вологих тіл він розглядав таким же чином, оскільки вважав, що тверді тіла стають вологими коли частинки води проникають між більшими частинками твердого тіла. Декарт також заперечував особливу природу вітру, і вважав ним звичайний рух повітря. Причину, з якої рідини випаровуються а тверді тіла — ні, він вбачав у більш гладенькій поверхні частинок води, через що їх легко відокремити одна від одної, тоді як частинки твердих тіл сильніше чіпляються одна за одну^[14].

Перше експериментальне дослідженням випаровування було зроблене П'єром Перро^[en]. Холодної зими 1669-1670 року він виставив надвір 7 фунтів холодної води. Через 18 днів він зафіксував, що один фунт випарувався. Це не було першим спостереженням щодо того, що випаровування може відбуватися і на холоді, але було першим експериментальним вимірюванням інтенсивності цього процесу. Також Перро досліджував випаровування інших рідин крім води, наприклад, олії^[14]. Іншим фізиком, що досліджував випаровування був Едмонд Галлей. Він заміряв швидкість, з якою вода випаровується з тонких трубочок. Його результати (0,1 дюйма за 12 годин) дозволили йому стверджувати, що саме ця вода утворює дощі, росу тощо^[15]. Гіпотези Галлея щодо механізму випаровування відрізнялися від гіпотез Декарта. Так, він писав, що якщо атоми води збільшаться у діаметрі у 10 разів, їх густина стане меншою, ніж густина повітря, і вони почнуть "спливати". Також ,він порівнював процеси випаровування води у повітря з процесом розчинення солі у воді^[15]. Галлей писав, що спільна дія Сонця і вітру є причиною випаровування.

Підходи Галлея і Декарта породили два популярних підхода до пояснення випаровування. Згідно одного, вода "розчинялася" у повітрі (що означало, що за відсутності повітря випаровування не буде відбуватися), а згідно іншого, частинки води просто відриваються від основної маси^[16].

Французький математик Седілю^[fr], багато зробив для експериментального дослідження випаровування, оскільки йому були необхідні ці дані для вирішення інженерної задачі — обчислення, як швидко буде випаровуватися вода з фонтанів Версалю. Він ставив експерименти протягом 3 років, з 1688 по 1690-й рік. За його вимірами, за рік у тій місцевості випаровувалося близько 88 сантиметрів води, і лише близько двох третин з цієї кількості поверталося у вигляді опадів. Також він зазначив, що вода випаровувалася з широкої ємності швидше, ніж з вузької (Седілю використовував кілька мідних ємностей для досліду)^[17].

У 1744 році Дезаґульє припустив, що випаровування має електростатичну природу (частинки рідини відштовхуються від основної маси, бо мають однаковий заряд), проте експерименти не продемонстрували сильного впливу електрики ^[16].

У другій половині 18 століття було показано, що випаровування у вакуумі відбувається повільніше ніж у повітрі, а також, що вологість повітря зменшує інтенсивність випаровування, що підвищило популярність теорії розчинення^[18].

У 1757 році Франклін описав охолоджуючий ефект випаровування (він зазначив, що змочений спиртом термометр показував температуру, на 6 градусів нижчу ніж сухий)^[18].

У 1802 році Джон Дальтон першим записав рівняння, що дозволяло обчислити кількість води, що випаровується з поверхні за деякий час^[18].

У 1862 році Томас Тейт^[en] сконструював прилад "евапораметр" (грец. evaporameter) для вимірювання швидкості випаровування, і показав, що вона є пропорційною до швидкості вітру над водою^[19]. Пізніше Йохан Віленманн^[en] скоректував рівняння Дальтона, врахувавши той факт, що температура води є нижчою за температуру оточуючого повітря через те, що випаровування охолоджує її^[20].

Ще більш точні рівняння були записані після серії високопрецизійних експериментів Стефана (1873), Герца (1882) і Кнудсена (1915)^[21], та завдяки відкриттю закону Стефана — Больцмана^[22].

Сумарне випаровування — випаровування з земної поверхні, включає транспірацію рослин. Останнім часом для сумарного випаровування почали вживати термін «евапотранспірація». Евапотранспірація виражається в мм водяного стовпа і корелює з біопродуктивністю екосистем. Евапотранспірація потенційна — кількість води, яке могло б виділитися шляхом евапотранспірації при певному режимі температури і вологості при надрясній кількості води. Евапотранспірація фактична — маса води, яка в даному місці повертається рослинами в атмосферу. Розглядається як величина, протилежна кількості опадів (як правило, нижче потенційної евапотранспірації). Евапотранспірація фактична в будь-якій точці Земної кулі визначається температурою.

Розрізняють ще одну характеристику випаровування — випарність. Під випарністю розуміють потенційно можливе (не обмежене запасами води) випаровування в даній місцевості при існуючих атмосферних умовах.

Випаровуваність (випаровність), (рос. испаряемость; англ. (e)vaporability, volatility; нім. Verdampfungsfähigkeit f) — потенційно можливе випаровування з поверхні рідини за даних умов.

• Пароутворення
• Сублімація
• Випромінювання Гокінга
• Випаровування через мембрану

• Чолпан П. П. Фізика. К.: Вища школа, 2003. — 567 с.
• Мельничук С. П. Будівельна фізика. Конспект лекцій для студентів спеціальності 5.130406 «Зелене будівництво і садово-паркове господарство».- Львів: Львівський державний екологічний політехнікум, 2003. — 144 с.
• Большаков Г.Ф., Е.И. Гулин, Н.Н. Торичнев. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. — Ленинград : «Химия», 1965. — 260 с.
• Л.Майссел, Р.Глэнг. Технология тонких пленок. — Москва : «Советское радио», 1977. — Т. 2. — 768 с.
• Wilfried Brutsaert. Evaporation into the Atmosphere. Theory, History, and Applications. — Dordrecht : Springer, 1982. — 302 с. — ISBN 978-90-481-8365-4.

• Випаровування [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
• (англ.) Global Potential Evapo-Transpiration (Global-PET) and Aridity Index (Global-Aridity) — растрові геодані потенційної випаровуваності та дефіциту атмосферних опадів (індекс аридізації) від Консорціуму геопросторових даних (англ. Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI)). Роздільна здатність 30 кутових секунд (≈1 км на екваторі).