Что быстрее испаряется вода или жидкий азот
Испарение
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Испарение: что это за процесс
Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:
| Испарение | Кипение |
| При любой температуре, с поверхности жидкости | При определенной температуре, во всем объеме жидкости |
Испарение на уровне молекул
Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.
В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.
Интенсивность испарения
Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.
Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:
Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.
Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.
По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.
Насыщенный пар
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.
Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.
На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.
Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Испарение в жизни
И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.
Испарение в организме человека и животных
Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.
Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.
Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.
При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶
Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Испарение у растений
Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.
Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.
Испарение в природе и окружающей среде
Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.
Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.
В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.
Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.
Что быстрее испаряется вода или жидкий азот
Предупреждаем, что все сказанное в данной статье носит ознакомительный характер, и повторять эти эксперименты на практике не стоит, так как они опасны. И все же очень интересно, что же будет, если просить кипятильник в жидкий азот. Сперва ознакомимся с главными участниками эксперимента: азот, и кипятильник.
Используется жидкий азот преимущественно как источник газообразного азота, но в удобном компактном состоянии. Это вещество для огнетушителей, но в бытовых условиях его не встретишь, так как хранится оно от нескольких часов до нескольких недель.
Пожарные службы по вызову используют его, так как азот выделяясь охлаждает очаг, но его главное преимущество в том, что одновременно он вытесняет кислород, и горение становится невозможным. В отличие от воды и пены, азот не оставляет следов пожаротушения и быстро испаряется, так как при обычных атмосферных условиях вещество сразу смешивается с воздухом.
В веществе привлекает то, что оно не взрывоопасно и не ядовито, а его уникально низкая температура создает условия для множества увлекательных экспериментов. Но как раз в температуре и часть проблемы, так как условия для создания самого вещества в такой форме создать сложно, точнее энергетически, это затратный процесс
Прибор способен кипятить воду в домашних условиях. Металлическая пружина крепится к изолированной пластиковой ручке, от которой идет провод. Спиралевидный стержень нагревается сам, и греет воду. По технике безопасности запрещено включать кипятильник, не опустив его в воду. В противном случае прибор перегреется и сгорит даже на весу, а при его соприкосновении с предметами может случиться возгорание в помещении.
Чем же так опасно включать кипятильник без воды? Дело в том, что его температура на максимуме достигает 800*С. Глину обжигают при 700*С, а при 900 уже размягчается металл и стекло. Так что такая температура сравнима с условиями плавильной печи при производстве стекла или металла.
До начала эксперимента стоит отметить, что при такой, казалось бы, высокой температуре для бытового прибора пружина даже не желтеет. Это особенность алюминия, трубка остается светло-серой, потому на видео эффект не такой, как хотелось бы экспериментаторам.
Эксперимент опускания кипятильника в жидкий азот
Для эксперимента берется кипящий жидкий азот, его наливают в миску, от которой тут же расходится по полу белый пар испаренного вещества. В комнатной температуре слишком жарко, чтоб жидкость долго оставалась в таком состоянии, потому придется поторопиться. На атмосфере при температуре +22*С прозрачная субстанция тут же закипает.
Кипятильник следует держать в перчатке с термической защитой. Миска с жидким азотом должна стоять на подставке. При опущении греющегося кипятильника моментально начинается реакция, при которой кипение, очевидно, становится интенсивнее.
Вопреки ожиданиям взрыва не происходит, но возможно это лишь потому, что кипятильник поначалу еще не нагрет. Ведь его нельзя раскалять без воды или вне другой жидкости, как азот.
В процессе нагрева металлического стержня кипячение проходит все интенсивнее и интенсивнее, и даже бьет высоким ключом. Однако вопреки ожиданиям, густого красивого пара нет. Его действительно просто нет, так как испарившийся азот настолько нагрет, что сразу переходит в атмосферу, смешиваясь с воздухом.
Ведь и наш воздух, как известно, на 80% состоит из того же самого азота, только другой температуры. И даже когда азот нагрет, это имеет эффект просто горячего воздуха, как если бы его нагрело солнце или даже костер.
Неожиданный поворот событий ожидает в конце. Алюминиевая трубка перегреваясь наконец-то краснеет и желтеет, и обламывается в кипящий азот. Та часть металлической части кипятильника, которая выглядывает из воды, не охлаждается, потому попросту плавится и отпадает.
Немного другого эффекта можно было бы ожидать от железного кипятильника, но такой сложно найти в продаже, так как он экономически менее целесообразен при изготовлении бытовых приборов. Но даже с железом эффект получился бы похожим.
Свойства жидкого азота
| Марка азота / состав | ||||||
| Особой чистоты (ОСЧ) | Повышенной чистоты | Технический | ||||
| 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | |
| Объемная доля азота, %, не менее | 99,999 | 99,996 | 99,99 | 99,95 | 99,6 | 99,0 |
| Объемная доля кислорода, %, не более | 0,0005 | 0,001 | 0,001 | 0,05 | 0,4 | 1,0 |
Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К
Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К
| Т, К | ρ, кг/м3 |
| 63,15 | 868,1 |
| 70 | 839,6 |
| 77,35 | 807,8 |
| 80 | 795,5 |
| 90 | 746,3 |
| 100 | 690,6 |
| 110 | 622,7 |
| 120 | 524,1 |
| 126,25 | 295,2 |
Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов
| Хладагент | Температурный интервал охлаждения металла, К | Расход хладагента, л на 1 кг металла | ||
| Алюминий | Нержавеющая сталь | Медь | ||
| При использовании теплоты парообразования | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 1,0 | 0,53 | 0,46 |
| При использовании теплоты парообразования и теплоемкости пара | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 0,64 | 0,34 | 0,29 |
Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота
125367, г.Москва,
Полесский проезд, д. 14а
Часто задаваемые вопросы
Общие вопросы
В помещениях с естественной вентиляцией допускается работа с открытыми криогенными сосудами в том случае, если объем помещения в м 3 превышает объем жидкости, находящейся в сосудах Дьюара в литрах, не менее чем в 7 раз.
Вопросы по жидкому азоту и сосудам Дьюара
Согласно Правил «Европейского соглашения о международной перевозке опасных грузов (ДОПОГ) жидкий азот в количестве до 333 кг может перевозиться без соблюдения ограничений, установленных для опасных грузов. Это правило подтверждено Приказом Минтранса РФ от 08.08.1995 г. № 73.
Допускается к перевозке в одной транспортной единице без соблюдения вышеуказанных Правил сосудов Дьюара YDS-15L (емкостью 16 л), заполненных жидким азотом, в количестве до 15 шт.
Действие переливного устройства основано на повышении давления в криогенном сосуде при введении в жидкость «теплой» массы и использовании эффекта газ-лифт. Испарившаяся часть жидкости после герметизации горловины сосуда создает в нем избыточное давление, которое заставляет жидкость по сифону устройства переливается в заполняемую емкость.
Никаких дополнительных устройств для перелива жидкости не требуется.
Часть переливного устройства, вставляемая в сосуд Дьюара, является жесткой конструкцией и приспособлена только к сосуду определенной высоты.
Использование переливного устройства для сосудов Дьюара с горловинами разного диаметра возможно применением дополнительного уплотнителя.
Сосуды Дьюара YDS-15L (емкость 16 л) или YDS-20L (емкость 20 л). в зависимости от потока пациентов. Криохирургический аппарат КриоИней необходимо периодически заправлять, поэтому нужно выбирать сосуды, к которым есть переливное устройство. Переливать через воронку будет неудобно и тяжело.
Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии
Применение жидкого азота.
Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы. В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами — азот может успешно заместить воздух.
Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели.
В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент, а жидкий азот применяется при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.
Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет.
Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение — самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров.
Жидкий азот используют во многих направлениях медицины: хирургия, нейрохирургия, офтальмология, оториноларингология, гинекология и прочие. Жидкий азот применяют для таких процедур, как криотерапия и криодеструкция – удаление патологических тканей и новообразований (бородавок, папиллом). После нанесения жидкого азота на новообразование патологические ткани замораживаются и разрушаются под воздействием низкой температуры – 100 ºС до – 196 ºС.
Кожное новообразование разрушается посредством воздействия низкой температуры. Данный метод является безболезненным и не оставляет рубцов. Для проведения процедуры специалисты применяют криохирургические инструменты со сменными наконечниками. Наконечники меняют в зависимости от размера новообразования.Также жидкий азот в сосудах Дьюара используется для хранения биоматериалов и стволовых клеток.
Применение жидкого азота в косметологии достаточно обширно, так как это средство позволяет быстро избавить пациента от некоторых заболеваний и исправить дефекты внешности. Простота технологии и хороший лечебный эффект низкой температуры делают это вещество незаменимым, а в зависимости от того, какова методика была выбрана и действие на кожу и ткани оказывается различным.
Жидким азотом делают криомассаж кожи лица. За счет кратковременного воздействия холода улучшается кровоснабжение, кожа приобретает здоровый цвет, очищается, становится упругой. Также пропадают прыщи и рубцы после акне. Кроме того, криомассаж оказывает омолаживающий эффект.
Кроме того, жидкий азот широко используется в ветеринарной медицине. Жидкий азот в сосудах Дьюара применяется при удалении новообразований у животных и лечении онкологии. В сельском хозяйстве сосуды Дьюара требуются для транспортировки и хранения биоматериалов, которые предназначены для искусственного осеменения животных: коров, лошадей и т.д.