Учёный из Томска показал, как испаряются соленые растворы

Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.

«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо.

Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.

В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С. Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении.

Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции. «Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом.

 Возникающее из-за конвекции движение воздуха ускоряет испарение капель с меняющейся концентрацией. Однако этим фактором, как и теплопереносом внутри самой капли, в теоретических моделях до сих пор пренебрегали как несущественным. Мы же показали, что таким образом предполагаемая скорость испарения может быть ошибочно занижена почти в десять раз», — сказал Мисюра. Предсказание скорости испарения капель солевых растворов необходимо для разработки новых технологий струйной печати и покрытий, медицинской диагностики и охлаждения микроэлектроники. Статья с исследованием опубликована в журнале Scientific Reports.

Испаре?ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул (то есть самые быстрые), вырываются за границы вещества (жидкости). При этом средняя энергия оставшихся молекул становится меньше (жидкость остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом мы ускоряем процесс испарения.

Испаряться могут не только жидкости, но и твердые тела. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией (или возгонкой). Легко наблюдать образование кристалликов йода из паров йода. Достаточно 2-3 кристаллика йода положить в пробирку и нагреть ее в пламени спиртовки. Можно видеть, что кристаллики йода не плавятся, а испаряются, образуя темно-бурые пары, которые на холодных стенках пробирки оседают в виде пятен. Рассматривая эти пятна через лупу, легко обнаружить, что они представляют собой группы кристалликов.

Факт сублимации твердых фаз убедительно подтверждается и просто в жизни: хорошо известен факт высыхания белья на морозе. Испаряющиеся частицы твердого тела образуют над ним пар совершенно так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с твердым телом, также называется насыщенным паром. Как и в случае жидкости, давление насыщенного пара над твердым телом зависит от температуры, быстро уменьшаясь с понижением температуры. Без труда можно убедиться в том, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при низкой. В принципе любое твердое вещество сублимирует (именно любое, даже железо или медь). И если мы не замечаем возгонки, то это означает лишь, что плотность насыщенного пара незначительна.

Кривая зависимости давления, насыщенного пара сублимирующих твердых тел от температуры. Эта кривая является линией равновесия твердой и газообразной фаз. Область слева от кривой соответствует твердому, справа от нее – газообразному состоянию.

Сублимация, так же, как и плавление, связана с разрушением кристаллической решетки и требует порцию необходимой для этого энергии. Эта энергия определяет скрытую теплоту сублимации, которая равна скрытой теплоте перехода из газообразного состояния в кристаллическое. Теплота возгонки равна поэтому сумме теплоты плавления и парообразования.

По сути каждое вещество во вселенной испаряется. Молекулы с поверхности улетают в окружающую среду. Запахи, которые мы чувствуем это молекулы любого предмета, залетевшие к нам в нос.

Всё вокруг нас испаряется? И рано или поздно испарится?

Спасибо за интерес. Оценивайте, ставьте лайк, комментируйте, делитесь. Подписывайтесь.