§ 19. Поглощение энергии при испарении жидкости. Выделение энергии при конденсации пара

ПОЧЕМУ ИСПАРЕНИЕ ОХЛАЖДАЕТ ЖИДКОСТЬ: ЭКСПЕРИМЕНТ И МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ

Каждому знакомо ощущение свежести или озноба, когда на кожу попадает капля воды или одеколона: жидкость быстро улетучивается, а в месте нанесения отчётливо чувствуется холод. Причём одеколон или спирт охлаждают кожу значительно сильнее, чем обычная вода.

Это явление легко проверить в точном физическом эксперименте. Если взять обычный комнатный термометр и обмотать его резервуар кусочком марли или ткани, смоченной водой, а рядом поместить второй сухой термометр, их показания разойдутся: столбик влажного прибора начнёт опускаться и покажет более низкую температуру. Если же подуть на влажный термометр или включить вентилятор, испарение резко ускорится, и температура упадёт ещё заметнее. Этот классический опыт убедительно доказывает: процесс испарения жидкости неизбежно сопровождается поглощением энергии и охлаждением самой жидкости.

Молекулярно-кинетическая теория просто и наглядно раскрывает внутренний механизм этого охлаждения:

• В любой жидкости частицы совершают непрерывное хаотическое тепловое движение с самыми разнообразными скоростями.
• Покинуть жидкость способны только наиболее быстрые молекулы, чья кинетическая энергия достаточна для преодоления притяжения всех соседних частиц и совершения работы выхода в воздух.
• Когда самые быстрые и высокоэнергетичные микрочастицы непрерывно улетают, средняя скорость и средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул неизбежно уменьшаются.
• Поскольку температура тела напрямую зависит именно от средней кинетической энергии движения его молекул, температура испаряющейся жидкости обязательно понижается.

ТЕПЛООБМЕН С ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ И ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ИСПАРЕНИЕ

Возникает естественный вопрос: почему же мы не замечаем заметного охлаждения воды, налитой в открытый стакан или графин на столе? Ведь вода в нём непрерывно испаряется день за днём.

Причина кроется в непрерывном теплообмене с окружающей средой. Как только температура воды в стакане хоть на долю градуса опускается ниже температуры комнатного воздуха, теплота начинает самопроизвольно переходить от более тёплого воздуха к более холодной воде через дно, стенки стакана и открытую водную гладь. Этот непрерывный приток тепла извне компенсирует энергетические потери на испарение.

Таким образом, если к испаряющейся жидкости не подводить теплоту извне (например, в изолированном сосуде), она будет остывать сама. Чтобы испарение шло при постоянной температуре, жидкости необходимо непрерывно передавать определённое количество теплоты из окружающей среды.

ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

Наряду с испарением в природе непрерывно протекает противоположный процесс — переход пара в жидкое состояние (конденсация). Если на испарение энергия всегда затрачивается, то при конденсации происходит строго обратное: конденсация пара сопровождается выделением энергии в окружающую среду.

Физическая природа выделения тепла объясняется действием межмолекулярных сил:

• Молекулы пара, хаотически блуждающие над поверхностью, при приближении к зеркалу жидкости захватываются мощными силами межмолекулярного притяжения.
• Втягиваясь обратно в жидкость, молекулы разгоняются силами притяжения, совершающими положительную работу, подобно тому как падающее тело набирает скорость под действием силы тяжести.
• Потенциальная энергия взаимодействия частиц превращается в дополнительную кинетическую энергию их теплового хаотического движения. В результате соударений средняя кинетическая энергия молекул поверхностного слоя жидкости возрастает — жидкость нагревается и отдаёт избыточное тепло окружающим телам.

Согласно фундаментальному закону сохранения энергии, при конденсации пара выделяется в точности то же количество теплоты, которое было поглощено при образовании этой массы пара при той же температуре.

Именно по этой причине ожог водяным паром при температуре 100 °C оказывается несравненно более тяжёлым и опасным, чем ожог кипятком той же температуры. Горячая вода при попадании на кожу лишь постепенно остывает, отдавая теплоту своего остывания. Водяной пар же в первый момент соприкосновения с кожей сначала мгновенно конденсируется в воду, выбрасывая колоссальную скрытую теплоту фазового перехода, и только после этого образовавшийся кипяток продолжает обжигать ткани.

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АТМОСФЕРЕ: РОСА, ТУМАН И ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКОВ

В масштабах всей планеты процессы поглощения и выделения энергии при фазовых переходах играют определяющую роль в формировании погоды и климата:

• Выпадение росы: После тёплого летнего дня с наступлением ясной безветренной ночи почва и трава быстро остывают за счёт теплового излучения в космос. Прилегающий к земле влажный воздух охлаждается, и содержащийся в нём водяной пар конденсируется в виде чистых прозрачных капелек росы на листьях и стеблях. Примечательно, что выделяющаяся при конденсации росы теплота немного подогревает растительность и предохраняет всходы от ранних ночных заморозков.
• Образование тумана: Если ночное охлаждение охватывает не только траву, но и обширные приземные слои воздуха, конденсация пара происходит в объёме. Для конденсации в воздухе необходимы микроскопические центры — так называемые ядра конденсации (мельчайшие взвешенные пылинки, частички дыма и несгоревшего топлива). Вокруг них пар превращается в миллиарды взвешенных капелек, образуя плотную белую пелену тумана.
• Образование облаков: Нагретый у тёплой поверхности Земли воздух становится легче и поднимается конвекционными потоками в верхние слои атмосферы. По мере подъёма внешнее атмосферное давление падает, поднимающийся воздух расширяется, совершает работу против внешнего давления за счёт своей внутренней энергии и сильно охлаждается. Водяной пар конденсируется в крошечные водяные капельки, рождая белые облака. В нижних ярусах облака состоят из капель воды, а в высоких морозных слоях — из ледяных кристалликов.
• Глобальный круговорот воды: Ежегодно с поверхности Мирового океана, рек, озёр и суши испаряется колоссальный объём воды — около 511 тысяч кубических километров. Поднимаясь в небо, водяной пар поглощает гигантское количество солнечной энергии, переносится ветрами на тысячи километров и при конденсации возвращает это тепло атмосфере, проливаясь дождями и орошая континенты.
• Биологическая терморегуляция: Испарение влаги с поверхности кожи (потоотделение у человека и животных, транспирация у растений) служит совершенным природным механизмом охлаждения, спасающим живые организмы от смертельного теплового удара в палящий зной.