Каждое вещество при определенных условиях может находиться в одном из трех состояний — твердом, жидком и газообразном. При этом оно состоит из тех же молекул и атомов, отличается только их поведение и энергетическое состояние. Чтобы понять, что такое испарение в физике, необходимо сначала узнать, как устроено вещество.
Три состояния вещества и фазовые переходы
Начнем с самого стабильного состояния — твердого. Все молекулы (атомы) такого вещества расположены на определенном расстоянии друг от друга и достаточно прочно связаны между собой. В кристаллических телах они образуют упорядоченную структуру, называемую кристаллической решеткой. В аморфных они расположены достаточно беспорядочно, но тоже не обладают большой степенью свободы.
Расстояния между атомами достаточно большие, но силы, действующие между ними не позволяют покинуть определенную позицию. Максимум, что могут частицы — это совершать колебательные движения с высокой частотой. Но энергия атомов не дает возможности преодолеть притяжение соседей по решетке или иной структуре и покинуть ее.
Такое расположение атомов обеспечивает определенные свойства твердых тел:
- сохранение формы,
- стабильный объем,
- упругость,
- сжимаемость.
Когда взятое произвольно твердое вещество начинать нагревать, то тепловая энергия передается атомам. Они ускоряют частоту и амплитуду колебаний до тех пор, пока кинетическая энергия движения не превысит удерживающую силу. Атом покидает свое место в структуре вещества и переходит в относительно свободное состояние. Почему относительно? Он все еще с большой силой притягивается к другим молекулам и атомам. При этом расстояние между частицами уменьшается. Вещество теряет в объеме. Когда все атомы покинут свои места, структура твердого вещества разрушается, и оно превращается в жидкость.
Такой процесс получил название плавление. Он происходит при стабильной температуре. Сколько бы мы не нагревали тело, достигшее точки плавления, нагреть его нельзя, вся тепловая энергия уходит на разрушение структурных связей внутри вещества.
Когда вся масса тела перейдет из твердого состояния в жидкое, изменятся некоторые свойства:
- жидкость приобретет текучесть,
- форма повторяет конфигурацию сосуда, в который она залита,
- сжать жидкость практически невозможно, расстояние между частицами очень маленькое и возникают значительные силы отталкивания,
- масса вещества не меняется.
Внутри жидкости происходят сложные процессы, определяющие хаотическое движение молекул и атомов. Они передвигаются с большой скоростью, но не покидают объема. Силы притяжения между ними еще достаточно высокие.
Продолжая нагревать жидкость, мы увеличиваем энергию молекул, и они становятся способными преодолеть силы притяжения между частицами вещества. Расстояние между ними увеличивается, часть молекул получает столь высокую энергию, что покидает поверхность жидкости. Начинается испарение. Это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, который происходит на поверхности.
Если образование пара начинается в объеме жидкости, то это уже другой процесс, который называется кипением. Испарение и кипение взаимосвязаны, но переход атомов в парообразное состояние, то есть, испарение, происходит намного раньше и при более низкой температуре, чем кипение.
От чего зависит испарение
Если рассматривать жидкость при температуре близкой к точке кипения, то энергетическое состояние атомов достаточно высокое, чтобы большая часть их могла покинуть поверхность. Но далеко они не улетят. На атомы действует несколько факторов. Первый — это температура внешней среды. Если воздух вокруг сосуда с жидкостью холодный, то атомы быстро теряют энергию и возвращаются обратно. Чем больше разница температур над поверхностью жидкости и в объеме, то тем позже начинается испарение.
Второй параметр — внешнее давление. Чтобы покинуть жидкость, атом должен развить высокую скорость, сравнимую со скоростями молекул воздуха. Чем выше давление, тем больше эта скорость, значит больше энергии нужно испаряющемуся атому. Вывод — скорость испарения зависит от давления воздуха над поверхностью жидкости и его температуры.
Рассматриваем ситуацию, когда испарение происходит в воздушной среде. Если в сосуде другой газ, например, ацетилен, который тяжелее воздуха, то испарение начнется еще позже.
Может ли жидкость испаряться без нагревания?
Да, может. Движение частиц жидкости носит хаотический характер. Это же касается и скоростей их движения. Обязательно найдется определенный процент атомов, вектор движения которых направлен вверх, а скорость достаточна для преодоления силы тяжести и притяжения к другим атомам жидкости. Чем ниже давление над поверхностью, тем больше таких атомов. Если откачать воздух из сосуда с водой, то испарение может даже перейти в кипение, причем совершенно без нагревания.
Когда в этом опыте начинать увеличивать давление, то атомы возвращаются в жидкость. Происходит обратный процесс, называемый конденсация. Также конденсируется пар и при снижении температуры воздуха над жидкостью. Частицы теряют кинетическую энергию и возвращаются в жидкое состояние.