Почему исчезают лужи после дождя? Вода постепенно испаряется. А почему пахнет мыло? Ответ тот же: мыло испаряется, и его частицы попадают к нам в нос. Испарение с поверхности твердых и жидких веществ, а также кипение жидкостей в физике имеют общее название – парообразование. Пронаблюдаем за ним на опытах.
Опыт 1. В две мензурки нальем поровну воды. Воду из левой перельем в тарелку. Через несколько дней окажется, что в ней вода испарилась полностью, а в мензурке – лишь частично. Почему?
Испаряться могут только те молекулы, которые находятся вблизи поверхности жидкости (ведь с других сторон она окружена стенками сосуда). Поэтому большая площадь поверхности воды в тарелке способствует большему количеству вылетов молекул. Следовательно, испарение идет быстрее.
Итак, площадь свободной поверхности – первая причина, влияющая на скорость парообразования.
Опыт 2. Поставим на весы два стакана. В левый нальем кипятка, а в правый – столько же холодной воды. Сначала весы будут в равновесии. Но через 5-10 минут оно нарушится: стакан с горячей водой станет легче! Значит, горячая вода испаряется быстрее холодной.
МКТ объясняет это так. Вылететь из жидкости могут только те частицы, кинетическая энергия которых больше, чем потенциальная энергия притяжения к остальным частицам. При повышении температуры скорость движения всех частиц возрастает, следовательно, возрастает и их кинетическая энергия. Значит, большее количество частиц может вылететь из жидкости.
Итак, температура вещества – вторая причина, влияющая на скорость парообразования.
Опыт 3. Отправимся на кухню и выберем там миску и тарелку с одинаковыми диаметрами. В каждую из них нальем по стакану воды и поставим в спокойное место. Через несколько дней мы увидим, что вода из тарелки испарилась полностью, а из миски – лишь частично. Почему же так произошло? Ведь площади свободных поверхностей воды в миске и воды в тарелке одинаковы.
Взгляните на рисунок: края миски сильнее возвышаются над поверхностью воды, чем края тарелки. Поэтому пар над поверхностью тарелки быстрее рассеивается по комнате за счет диффузии или дуновений ветра. Следовательно, над водой в миске насыщенность (то есть плотность) пара заметно больше. Его молекулы, двигаясь во всевозможных направлениях, будут часто влетать обратно в воду, из-за чего испарение из миски замедляется.
Итак, плотность пара над поверхностью, с которой происходит парообразование – третья причина, влияющая на его скорость.
Опыт 4. В одинаковые стаканы нальем равное количество различных жидкостей: спирта, воды, масла и ртути. По прошествии примерно недели мы обнаружим, что спирт испарился полностью, вода – наполовину, а масло и ртуть практически не уменьшили своего объема.
Итак, род вещества – четвертая причина различной скорости парообразования.
С точки зрения МКТ это объясняется так. Частицы различных жидкостей неодинаково прочно связаны друг с другом (то есть неодинаково сильно притягиваются друг к другу). Например, молекулы масла или ионы ртути сильно взаимодействуют друг с другом. Энергия же взаимодействия молекул спирта или бензина значительно меньше, поэтому их отрыв друг от друга и переход в воздух происходит легче, и эти жидкости испаряются быстрее.