Применение испарения в природе
  Варикоз        17 августа 2019        186         0

Применение испарения в природе

С процессом испарения и конденсации жидкостей, особенно воды, мы сталкиваемся постоянно и в природе, и в быту. Эти процессы часто настолько очевидны, что мы считаем их само собой разумеющимися и, проходя мимо каких-либо явлений, быть может, не обращаем на них особого внимания. Но давайте зададим себе несколько вопросов:

  • А почему же и при каких условиях жидкости испаряются и конденсируются?
  • Каков механизм испарения и конденсации?
  • Как можно управлять этими процессами?
  • Наконец, как можно использовать эти процессы?

Чтобы ответить на поставленные вопросы, давайте чуть более основательно пронаблюдаем процессы испарения и конденсации жидкостей или вспомним то, что мы видели ранее и зафиксируем опытные факты, которые смогут послужить основой для построения дальнейших рассуждений.

Предварительно давайте договоримся о том, что принципиального отличия пара от газа нет. Деление на пар и газ чисто условное. Иногда вещество, находящееся в газообразном состоянии, независимо от условий называют паром (например, водяной пар). Иногда, наоборот, газом (например, углекислый газ). Мы в дальнейшем различия между паром и газом делать не будем. Однако, термин «пар» заменять на термин «газ» не станем, поскольку весь разговор затеян нами ради того, чтобы глубже понять свойства только одного из газов (или паров) – водяного пара.

Поставим на горячую электроплитку чайник с небольшим количеством воды. Через некоторое время вода закипит, и из носика чайника с большой скоростью начнет вырываться струя водяного пара. Количество воды в чайнике будет уменьшаться, что само по себе уже свидетельствует о переходе ее в другое агрегатное состояние. Но обратим внимание на то, что непосредственно перед носиком чайника пар мы не видим. Только на некотором расстоянии от носика, пар начинает конденсироваться, в результате чего появляется туман, представляющий собой огромное количество мельчайших частичек воды.

Опыт свидетельствует о том, что когда температура пара была большой, он не конденсировался. Вода находилась в газообразном состоянии. Когда температура понизилась, вода перешла в жидкое состояние.

Сконденсировать водяные пары и вновь превратить их в воду можно и таким способом. Поставим на горячую электроплитку кастрюлю с водой. Через некоторое время вода закипит, и с ее поверхности будет происходить процесс интенсивного испарения. Если над кастрюлей расположить холодную металлическую крышку, пар сконденсируется. Образовавшуюся воду можно будет собрать в расположенном рядом стакане. Описанный опыт изображен на фотографии и схематических рисунках.

Явление конденсации водяного пара и образование тумана можно наблюдать и над некоторыми промышленными предприятиями.

И, конечно же, замечательные природные явления – образование облаков, туч, проливание дождя – также представляют собой процессы парообразования и конденсации водяных паров.

Существенно, что процесс испарения идет не только при нагревании жидкости, а при любой температуре. Этот вывод может сделать каждый, кто при обычной комнатной температуре разольет воду и некоторое время понаблюдает за ее поведением. Более того, испарение может происходить не только с поверхности жидкости, но и с поверхности твердого тела. Такой вывод можно сделать, вывесив выстиранное белье для просушки на мороз. Процесс непосредственного перехода вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую стадию, называется возгонкой или сублимацией.

Попытаемся выяснить, от каких факторов зависит скорость испарения жидкости. Для этого вновь обратимся к опыту.

Смочим одну ватку в горячей, а другую в холодной воде и с одинаковым нажимом проведем ватками по матовым стеклам. Площадь образовавшихся мокрых следов начнет постепенно уменьшаться. След, оставленный ваткой, смоченной в горячей воде, исчезает несколько быстрее, чем след, оставленный ваткой, смоченной в холодной воде.

Повторим опыт, внеся в него следующее изменение. Смочим стекла водой одинаковой температуры. Около одного стекла включим вентилятор, около второго стекла движения воздуха создавать не будем. Результат опыта аналогичен предыдущему. Вода испаряется со стекол с разной скоростью.

Проделаем опыт с мокрыми пятнами разной площади. Скорость испарения воды здесь также различна.

Внесем в опыт еще одно изменение. Смочим одну ватку в воде, а другую в ацетоне и вновь с одинаковым нажимом проведем ватками по матовым стеклам. Площадь образовавшихся мокрых следов начнет постепенно уменьшаться. След, оставленный ваткой, смоченной в ацетоне, исчезает гораздо быстрее, чем след, оставленный ваткой, смоченной в воде.

Таким образом, мы можем сделать некоторые обобщения.

  • Жидкость, имеющая свободную поверхность, и находящаяся в открытом сосуде, может испаряться.
  • Скорость испарения зависит от рода жидкости, площади ее свободной поверхности, наличия над ней ветра, температуры.
  • При определенных условиях, например, при понижении температуры, пар может конденсироваться.

Встречаются и другие случаи, когда нет внешних признаков испарения жидкости. Так, например, жидкость, находящаяся в ограниченном по объему закрытом сосуде, может сколь угодно долго не менять своего объема. В сырую, дождливую погоду практически бессмысленно пытаться сушить белье, даже если оно находится под навесом.

Наиболее интересный процесс, который протекает на нашей планете – процесс испарения воды. Ведь круговорот воды в природе представляет собой массу различных переходных состояний воды, которые плавно переходят одно в другое и в целом составляют замкнутый круг. Можно вспомнить множество интересных примеров, которые помогут оценить возможности воды по перемещению на планете, ведь массы воздуха с каплями воды смещаются постоянно и непрерывно по всему земному шару. То есть, вода, падающая на землю, постоянно разная. В этом тоже можно заметить уникальность воды. Но давайте рассмотрим процесс испарения более подробно.

Немного физики

Вода испаряется при любой температуре. В отличие от кипения, когда молекулы воды покидают общую массу жидкости из-за своей кинетической энергии, испарение происходит «добровольно». То есть, кинетическая энергия мала, но отрыв происходит из-за незначительного превышения. Чем меньше разница температур воды и окружающего воздуха, тем меньше молекул воды отправится в воздух. Конечно, объяснение на пальцах не всегда точно может показать, что именно творится с водой в такие периоды, но стоит отметить тот факт, что именно некоторые аспекты испарения помогают человеку жить проще.

Например, расчет поверхности жидкости, которая должна остыть, поможет прикинуть, сколько времени потребуется для того, чтобы вода остыла. Например, вода в чашке остынет медленнее, чем вода в тарелке. А все из-за того, что площадь больше. Ведь количество молекул, которые в среднем отрываются от общей массы воды, одинаково на единицу площади. Значит, чем больше площадь, тем больше молекул «вылетят» из воды и отберут вместе со средней кинетической энергией еще и температуру жидкости. Сложно? Что поделать, таково физическое описание процесса испарения. И в нем сокрыто немало секретов.

Параметры, испарение воды

Особенность испарения в том, что расчет поверхности может показать не только скорость остывания жидкости, но и то, насколько быстро напитается влагой что-то, расположенное над влагой. Кроме того, есть также один важный момент. Расчет поверхности жидкости, которая испаряется в помещении, показывает, как скоро можно получить определенную влажность. И хотя конечный результат состоит из нескольких параметров, основной (скорость испарения), можно получить только лишь произведя расчет поверхности.

Что еще может повлиять на испарение воды? Конечно же, влажность воздуха. Расчет поверхности воды, разность температур и численное значение влажности. Все эти параметры, умноженные на определенный коэффициент, дадут тот самый результат, при котором комната наполнится нужным количеством влаги без особых усилий. Чем больше разница в параметрах, тем быстрее будет происходить испарение. Если же влажность в помещении приближена к 100%, то и ждать испарения не стоит: молекулам воды в насыщенном воздухе деваться просто некуда.

Какие бывают поверхности

Итак, перейдем к тому, что можно назвать расчет поверхности. Это поиск площади поверхности жидкости, которая в настоящий момент испаряется. А испаряются все жидкости без исключения. Для этого расчета используются классические планиметрические формулы из геометрии. Овалы, окружности, квадраты и прямоугольники. Учитывая , что емкости для жидкости могут иметь совершенно различный вид, стоит иметь в запасе достаточное количество формул для проведения математических вычислений.

Если знать площадь, то можно легко определить навскидку скорость и степень испарения. Поэтому для тех, кто уверен в пользе влажности в помещении, это очень важно. Пользуйтесь формулами, рассчитывайте площадь и создайте уникальный климат в своей квартире.

Раскрытие основных научных положений изучаемой темы во взаимосвязи с природой и жизнедеятельностью человека

Просмотр содержимого документа
«Роль испарения в жизни человека»

Цель: раскрытие основных научных положений изучаемой темы во взаимосвязи с природой и жизнедеятельностью человека.

Задачи: ознакомление учащихся с элементами экспериментального метода исследования явления; раскрытие роли испарения в природе и жизнедеятельности человека.

Учитель физики объясняет тему урока через проблемные вопросы и физический эксперимент.

Учитель биологии делает два сообщения.

Учителя организуют решение расчетных и качественных задач с биологическим содержанием.

В конце урока дается практическое домашнее задание.

На уроке понадобятся: эпидиаскоп, экран; набор склянок с различной жидкостью (эфир, спирт, вода, подсолнечное масло); спиртовка, кисточка, колба; пипетка, стекло, резиновая трубка; вентилятор, термометр, вата; кристаллы йода в пробирке, жидкостный манометр.

Учитель физики. По природоведению вы изучали круговорот воды в природе. Давайте вспомним (показ рис. 1 через эпидиаскоп).

С поверхности океанов, морей, рек и суши вода под действием солнечного тепла испаряется и поднимается вверх в виде невидимого пара.

Так что называется испарением?

Ученики. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Учитель физики. В воздухе водяной пар охлаждается, превращается в мельчайшие капельки воды. Из них образуются облака. Так что называется конденсацией?

Ученики. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Учитель физики. Вытертая мокрой тряпкой школьная доска быстро высыхает – вода превращается в пар. Точно так же высыхают полы после мытья, мокрое белье, чернила, которыми вы только что написали на бумаге.

Каков же механизм испарения? Иначе, почему жидкости испаряются?

Молекулы жидкости непрерывно движутся с разными скоростями. Если какая-нибудь «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют над нею пар. Пар – газообразное состояние вещества.

Почему же жидкости испаряются постепенно?

В первую очередь переходят в пар быстрые молекулы. У оставшихся молекул жидкости при соударении с другими молекулами меняется скорость. Некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы оказаться у поверхности и вылететь из жидкости.

При любой ли температуре испаряются жидкости?

Жидкости могут испаряться при любой температуре. Наблюдение за природой подтверждает это. Например, лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают и летом в жару, и осенью, когда уже холодно. Почему? Потому что при любой температуре в жидкости есть быстрые молекулы.

Зависит ли испарение от температуры жидкости и как? Для выяснения этого проведем опыт.

На стекле 2 капли воды. Стекло подогревается снизу под одной из капель.

Учитель физики. Почему подогреваемая капля испаряется быстрее?

Ученики. С увеличением температуры испарение жидкости усиливается, так как чем выше температура, тем больше число быстродвижущихся молекул, способных покинуть жидкость.

На доску кисточкой наносятся мазки различных жидкостей: эфира, спирта, воды и масла.

Учитель физики. Почему эфир испаряется быстрее?

Ученики. Силы сцепления между молекулами эфира меньше, чем между молекулами других жидкостей.

Пипеткой капнуть эфир на стекло и на лист промокательной бумаги. Наблюдается процесс испарения.

Учитель физики. Почему с промокашки быстрее испаряется эфир?

Ученики. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетают с нее в воздух.

Учитель физики. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Часть молекул, покинувших жидкость, снова в нее возвращается. Если испарение происходит в закрытом сосуде, то число молекул, вылетающих из жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. Поэтому масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Если же сосуд открыт, то масса жидкости в нем со временем уменьшается.

Бумага, смоченная водой, обдувается вентилятором.

Учитель физики. Почему бумага высыхает быстрее?

Ученики. Так как создавшийся ветер (поток воздуха) уносит образовавшийся пар.

Учитель физики. Сделаем вывод. От чего же зависит скорость испарения жидкости? ( В тетрадях зарисовывается схема.)

Учитель физики. Как вы думаете, испаряются ли твердые тела?

Ученики. Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение некоторых твердых тел обнаруживается по запаху. Например, испарение нафталина, камфары. Испаряется и лед, вследствие чего на морозе можно сушить белье, которое из обледеневшего становится сухим.

Испарение кристаллов йода. Если подогреть пробирку с небольшим количеством кристаллов йода на слабом пламени, то кристаллы начнут испаряться. Пары йода имеют густой фиолетовый цвет, поэтому их хорошо видно. При охлаждении пробирки из паров йода образуются сразу кристаллики йода.

Учитель физики. Но вернемся к жидкостям. Так как при испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, то средняя скорость оставшихся молекул становится меньше. Следовательно, средняя кинетическая энергия молекул уменьшается. Это означает, что внутренняя энергия (И) испаряющейся жидкости уменьшается. (рис. 2).

Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.

Энергичные молекулы улетают = И ↓ = t˚↓ .

Шарик термометра обматывается ватой, смоченной в эфире.

Учитель физики. Почему столбик термометра опускается?

Ученики. Быстро испаряющийся эфир отнимает часть внутренней энергии от ртути (спирта) термометра, вследствие чего их температура понижается.

Учитель физики. Почему же при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры?

Ученики. Испарение происходит медленно, и температура воды поддерживается постоянной за счет количества теплоты, поступающей из окружающего воздуха.

Учитель физики. Поглощение энергии при испарении жидкости можно наблюдать еще на одном опыте.

Опрокинутую колбу соединяют резиновой трубкой с жидкостным манометром. Сверху на колбу кладут лоскуток ткани и на него наливают пипеткой немного эфира.

Учитель физики. Почему в коленце манометра, присоединенного к колбе, уровень жидкости повышается?

Ученики. Испаряясь, эфир поглощает энергию из воздуха, воздух в колбе охлаждается, давление воздуха в колбе уменьшается, о чем можно судить по повышению уровня жидкости в колене манометра, присоединенного к колбе.

Учитель физики. Мы говорили, что может происходить и обратный процесс: переход молекул из пара в жидкость. Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

При конденсации = И↑ = t˚↑.

Конденсацией пара объясняется образование облаков (мельчайших капелек воды).

Учитель физики. Таким образом, испарение и конденсация – это наиболее легко регулируемые способы изменения внутренней энергии вещества. Поэтому испарение и конденсация должны играть большую роль в жизнедеятельности человека и животных. Ребята, вы хорошо знаете, что когда жарко, человек потеет и, наоборот, выходя из воды, даже в жаркий день, вы чувствуете холод. Почему? (Ответы учащихся.)

Учитель биологии. Ребята, вы правы, когда жарко – человек потеет. Это хорошо. Для терморегуляции организма человека важную роль играет потоотделение. Влага, содержащаяся в организме человека, во время жары через поры в эпителии выходит наружу. Потоотделение обеспечивает постоянство температуры тела человека. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия тела, благодаря этому организм охлаждается. Получается, потея, мы спасаем себя от перегрева организма.

Учитель физики. Процесс испарения будет зависеть от условий окружающей среды, то есть от влажности окружающего воздуха. Нормальной считается влажность воздуха 40-60%.

Учитель биологии. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Если же влажность окружающего воздуха высока – более 70%, то жить и работать становится тяжело (влажные тропики, красильные цеха заводов). Если влажность меньше 40% при нормальной температуре воздуха, это приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию (пустыни, металлургические заводы).

Учитель физики. Невольно приходит на ум сценка из водевиля А.П.Чехова «Свадьба», в которой испарение играет не последнюю роль (зачитывает).

Змеюкина. Дайте мне атмосферы! Слышите. махайте на меня, махайте… Скажите пожалуйста, отчего мне так душно?

Ять. Это оттого, что вы вспотели-с…

Змеюкина. Фуй, как вы вульгарны! Не смейте так выражаться. Ах, оставьте меня в покое! Дайте мне поэзии, восторгов! Махайте, махайте…

Учитель биологии. Различные условия окружающей среды, затрудняющие или ускоряющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма.

Почему в жару не надо носить кожаную, клеенчатую, синтетическую одежду?

Ученики. Такая одежда затрудняет потоотделение, что приводит к перегреву организма.

Учитель физики. Решим задачу биофизического содержания.

При длительной тяжелой физической работе человек выделяет пот объемом около 10 л. Какая масса воды может быть нагрета от 40˚ до 100˚ за счет той тепловой энергии, которая затратилась на испарение пота объемом 10 л? Для приближенного ответа считаем, что Lпота ≈ Lводы.

L = 2,3·10 Дж/кг, m1 = рV1 = 1000 кг/м³ ·10 ·10 м² = 10 кг

V1 = 10 л = 0,01 м³, Q1 = Lm – количество теплоты, затраченное

t1 = 40˚С, на испарение пота. 6 6

t2 = 100˚С Q1 = 2,3·10 Дж/кг·10 кг = 23·10 Дж.

С = 4200 Дж/кг ˚С, Q2 = Сm2 (t2 – t1) – количество энергии,

р = 1000 кг/м³ необходимое для нагревания воды. Q2 = Q1

m2 = ? m2 = Q2 /c (t2 – t1) = 23·10 Дж/4200Дж/кг˚С·

Учитель биологии. Большую роль играет испарение в жизни растений. Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведу такой пример: за один вегетационный период одно растение (подсолнечник или кукуруза) испаряет до 200 кг и более воды, то есть бочку солидных размеров. При таком энергичном испарении требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого служит корневая система, размеры которой огромны. Интересны растения пустыни. Например, кактусы – растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превратились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, малопроницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными, почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало влаги.

Очень интересна роль испарения у животных и птиц. Послушаем доклад ученика.

Сообщение ученика «Роль процесса испарения у животных и птиц»

Известно, что верблюд может не пить 2 недели. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой шерстью – шерсть спасает от перегрева и препятствует испарению влаги в организме. Верблюд никогда, даже в самый зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если широко открыть рот, испаряется много воды. Частота дыхания верблюда очень низка – 8 раз в минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34 ˚С, а днем в жару повышена до 41 ˚С. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется очень важное приспособление для сохранения воды впрок. Известно, что из жира, когда он «сгорает» в организме, получается много воды – 107 г из жира массой 100 г. Таким образом, из своих горбов верблюд может извлечь воду массой до 50 кг.

Для уравновешивания неизбежной потери воды за счет испарения многие животные всасывают ее через покровы тела в жидком или газообразном состоянии (амфибии, насекомые, клещи). В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с поверхности воздушных мешков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. В связи с этим в жаркую погоду птица открывает клюв.

Учитель физики. Изучив тему испарения, мы узнали, какую большую роль играет испарение в жизни растений и животных, как это важно для человека. Вы теперь сможете ответить на ряд вопросов, в объяснении которых вы затруднялись.

Наполните маленький стаканчик водой и вылейте воду на тарелку.

Снова наполните тот же стаканчик водой и поставьте его вместе с тарелкой в спокойное место (например на шкаф), предоставив воде испаряться.

Запишите дату и час начала опыта.

Кода вода из тарелки вся испарится, снова запишите время.

Запишите время, когда из стакана испарится четверть всей находящейся в нем воды.

Измерьте диаметры стакана и тарелки, определите площади поверхности жидкости в них.

Сопоставьте время испарения жидкости с площадью ее поверхности.

Напишите отчет о работе.

На следующем уроке можно провести физический диктант по 2-м вариантам. (Вопросы варианта классу диктовать поочередно).

I вариант II вариант

1. Почему в жару собаки высовывают 1. Почему фрукты, предназначенные

язык? для сушки, разрезают на тонкие

2. Почему вода, налитая в сосуд из 2. Почему, выходя из воды даже в

слабо обожженной глины, заметно жаркий день, вы чувствуете холод?

холоднее окружающего воздуха?

3. Почему палец, смоченный в эфире, 3. Почему синтетическая одежда

будет ощущать холод? затрудняет регулировку температуры

4. Почему в сухом воздухе 4. Почему в банях некоторые

переносить жару легче? металлические трубы, по которым

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Опрос

У Вас здоровые ногти?

Просмотреть результаты

Загрузка ... Загрузка ...
Adblock detector