ГОУ Гимназия № 000
«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Реферат
Факторы, влияющие на скорость испарения воды
Жалеев Тимур
Руководитель:
Введение
Определение испарения. Цель работы. Актуальность работы Описание структуры работы.
Основная часть
Механизм испарения на молекулярном уровне. Факторы, влияющие на скорость испарения.
2.1 Влияние на скорость испарения температуры воды.
2.1.1 Неравномерность прогрева воды.
2.1.2 Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число Рэлея. Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью передачи энергии.
2.1.3 Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа Рэлея в воздухе и тип режима перемешивания воздуха.
2.2.1 Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха «на бесконечности».
2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.
2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока водяных паров от поверхности.
2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.
Заключение.
Список литературы.
Введение.
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поглощением тепла.
Цель данной работы: выявить факторы, влияющие на скорость испарения воды.
Актуальность:
1. При испарении расходуется большое количество теплоты, следовательно, этот процесс можно использовать для охлаждения.
2. Интенсивность испарения существенно влияет на влажность воздуха, которая является определяющей во многих процессах.
3. Изучение механизмов испарения позволит построить более правдоподобные модели распределения температуры и влажности, т. е. позволит более точно предсказывать различные климатические процессы. Для расчета таких моделей используются современные вычислительные системы, но для их правильной работы необходимо детальное понимание всех процессов, влияющих на формирование погоды.
В данной работе мы рассмотрим факторы, влияющие на скорость испарения воды и их взаимосвязь.
На испарение влияет много факторов, но наиболее значимые из них температура поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью воды. На каждый из этих факторов влияет ряд других:
1. Температура воды. На нее влияет температура окружающего воздуха. Теплообмен от воздуха к воде и обратно осуществляется теплопередачей (непосредственной передачей тепла без перемешивания) и конвекцией. Конвекция в свою очередь может проходить в разных режимах: ламинарном и турбулентном. Ламинарный – это режим, при котором жидкость перемещается стационарными струями без перемешивания. Турбулентный – это режим, при котором жидкость беспорядочно перемешивается из-за большой разности температур.
2. Влажность воздуха над поверхностью воды. На нее влияет интенсивность испарения воды (чем больше пара вышло из воды, тем больше его в воздухе), площадь поверхности (чем больше площадь поверхности, тем больше пара выходит из воды), ветер или другие формы конвекции в воздухе (насколько быстро удаляются водяные пары от поверхности воды).
Основная часть.
Механизм испарения на молекулярном уровне.Молекулы воды, которые имеют достаточную кинетическую энергию и находятся близко к поверхности, способны оторваться от остальных молекул воды, т. е. происходит испарение. Если быстрые молекулы находятся в толще воды, а не на поверхности, то, ударяясь о другие молекулы, совершают над ними работу и теряют свою энергию. Быстрые молекулы воды, которые оторвались от поверхности воды, уносят энергию с собой, поэтому внутренняя энергия воды понижается, и она охлаждается.
Некоторые молекулы водяного пара, двигаясь хаотически, возвращаются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. Скорость конденсации зависит от концентрации молекул водяного пара.
2. Факторы, влияющие на скорость испарения.
2.1. Влияние на скорость испарения температуры воды.
На скорость испарения влияют многие факторы, но главный из них – температура поверхности воды. Чем больше температура, тем больше средняя скорость молекул, и, следовательно, больше молекул с большими скоростями, которые способны вылететь с поверхности. Вода не имеет одинаковую температуру во всей толще, для изучения испарения важна температура именно на поверхности. В свою очередь на эту температуру влияет целый ряд факторов:
1. Температура в толще воды . Количество теплоты из толщи воды к поверхности может переноситься двумя способами: теплопередачей или конвекцией. Конвекция начинается тогда, когда жидкость имеет большую температуру на глубине, в этом случае расширяясь при большей температуре, она начинает подниматься вверх. В воде при испарении необходимое для конвекции распределение температур происходит из-за того, что на поверхности вода, испаряясь, становится холоднее.
2. Температура воздуха обычно больше, чем температура на поверхности воды, потому что на поверхности происходит испарение и вода охлаждается. Поэтому, как правило, происходит подвод тепла из воздуха к поверхности. В случае если температура воздуха меньше, то тепловой поток идет в обратную сторону, причем скорость теплоотвода зависит от конвекции воздуха над поверхностью воды.
3. Интенсивность испарения влияет на температуру воды на поверхности. Чем больше интенсивность испарения, тем больше энергии унесли молекулы, и тем меньше температура поверхности. Чем меньше температура, тем меньше энергии в воде, и тем меньше интенсивность испарения.
Мы видим, что все указанные факторы тесно взаимосвязаны между собой: если увеличивается скорость испарения, температура поверхности жидкости уменьшается, следовательно, увеличивается теплообмен между поверхностью и толщей воды, с другой стороны, увеличивается теплообмен между поверхностью воды и воздухом, а также конвекционный поток над водой.
Безусловно, полностью учесть все эти факторы может только компьютерная модель.
2.1.1 Неравномерность прогрева воды.
Рассмотрим более детально процесс передачи тепла в толще воды. Практически всегда в не идеализированных условиях температура в разных местах жидкости неодинакова: вода испаряется только сверху, следовательно, охлаждается только сверху. Нагрев воды также происходит обычно неравномерно. Например, солнечные лучи проникают в толщу воды и по-разному нагревают их в зависимости от прозрачности воды. Любой другой источник более высокой или низкой температуры также передает тепло неравномерно, например рука держащего сосуд человека.
Если температура воды сверху меньше, то начинает происходить конвекция: холодная вода тяжелее горячей, поэтому холодная вода опускается, а горячая – поднимается. Но так как жидкость не перемешивается полностью, а перемещается целыми объемами, температура распределяется неравномерно. В случае возникновения конвекции жидкость начинает двигаться целыми «кусками». Если в этом случае поместить термометр в некоторую точку жидкости, он покажет колебание температуры, которое и будет отражать это движение «кусков» горячей или холодной жидкости.
2.1.2. Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число Рэлея. Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью передачи энергии.
Как уже говорилось выше, конвекция – это явление, при котором теплообмен происходит путем перемешивания вещества. С ее помощью горячая вода перемещается из толщи к поверхности, а остывшая из-за испарения вода, в свою очередь, перемещается от поверхности ко дну.
Жидкость, при нагревании снизу или охлаждении сверху может перемешиваться в двух режимах: ламинарном и турбулентном.
Ламинарный поток - это поток, при котором жидкость перемещается стационарными струями без перемешивания и беспорядочных быстрых изменений скорости. В случае ламинарных потоков движение жидкости можно изобразить при помощи линий тока: воображаемых линий, вдоль которых перемещаются частицы воды.
Турбулентный поток – это поток, при котором из-за большой разности температур жидкость беспорядочно перемешивается. В этом случае невозможно указать определенную траекторию движения частицы.
В случае турбулентного потока происходит более равномерное перемешивание всей жидкости. Если в случае ламинарного перемешивания перемещаются целые «куски» определенной температуры, то в случае турбулентного режима жидкость имеет почти одинаковую температуру по всему объему.
Вид режима (ламинарный или турбулентный) определяется числом Релея. Число Рэлея – это безразмерная величина, оно считается по формуле
, где
g - ускорение свободного падения; измеряется в м/с2.
β - коэффициент теплового расширения жидкости; вычисляется по формуле
Где ΔV – изменение объема тела, V – начальный объем тела, ΔT – изменение температуры; измеряется в К-1.
ΔT - разность температур между поверхностью и толщей воды; измеряется в К.
L - определяющий линейный размер поверхности теплообмена; измеряется в м. Это максимальная длина на поверхности сосуда, например для круглого сосуда это диаметр, для прямоугольного – диагональ и т. д.
ν - кинематическая вязкость жидкости; численно равна ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t + 0,000221t2)), где t – температура и ρ – плотность жидкости; измеряется в 10-6 м2/с.
χ - температуропроводность жидкости; вычисляется по формуле https://pandia.ru/text/78/415/images/image006_104.gif" alt="\varkappa" width="14 height=10" height="10"> - теплопроводность, cp - удельная теплоемкость, ρ - плотность; измеряется в м2/с.
После того, как это число достигает некоторого, так называемого критического значения, в жидкости возникают конвективные потоки. Это критическое значение примерно равно. Если число Рэлея меньше 7,4 Raкрит, то никаких потоков не наблюдается. В области от 7,4 Raкрит до 9,9 Raкрит возникает один основной ламинарный поток с одной частотой колебания и много маленьких. В интервале от 9,9 Raкрит до 10,97 Raкрит возникает еще один основной ламинарный поток с другой частотой колебания, но маленькие потоки остаются. До 11,01 Raкрит появляется третий ламинарный поток с третьей частотой. После 11,01 Raкрит возникают турбулентные потоки.
Для воды и цилиндрического сосуда высотой 2,2 см и радиусом 12,5 см при комнатной температуре (200 " style="margin-left:-5.3pt;border-collapse:collapse">
ρ = 998,2 кг/м3
β = 0,00015 К-1
ν =1,004*10-6 м2/с
0,6 Вт/(м*К)
ср = 4183 Дж/(кг*К)
χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 м2/c
Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3669
Разность температур 0,2° была рассчитана программой, которая создает модели испаряющейся воды.
Можно сделать вывод, что при этих условиях режим конвекции - турбулентный
2.1.3. Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа Рэлея в воздухе и тип режима перемешивания воздуха.
На температуру поверхности воды также влияет и температура окружающего воздуха.
Если температура воздуха отличается от температуры воды, происходит теплообмен между водой и воздухом за счет теплопередачи и конвекции.
Конвекция в воздухе также определяется числом Рэлея. Там оно меньше на один-два порядка, потому что вязкость и температуропроводность больше у воздуха, чем у воды.
Ниже приведены данные для расчета числа Рэлея и сами расчеты для воздуха:
|
ρ = 1.205 кг/м3 β = 0,00343 К-1 ν =15.11*10-6 м2/с 0.0257 Вт/(м*К) ср = 1005 Дж/(кг*К) |
χ = /(cp*ρ) = 2,122e-5 м2/c Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 40990,072 |
|
Конвекция в воздухе |
На конвекцию также влияет влавжность воздуха. Т. к. водяные пары имеют плотность меньше, чем плотность воздуха, влажный воздух легче сухого и начинает подниматься вверх. Таким образом, чем выше скорость испарения, тем выше влажность воздуха, тем интенсивнее конвекция.
2.2. Влияние влажности воздуха.
Как уже говорилось, при увеличении влажности воздуха над поверхностью воды, увеличивается конденсация т. е. уменьшается интенсивность испарения. Поэтому попытаемся разобраться, какие факторы влияют на величину влажности воздуха, для этого сначала сформулируем точное определение влажности.
Абсолютная и относительная влажность.
Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряется в г/м3. Относительная влажность воздуха – это отношение текущей абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре. Чем выше температура, тем выше максимально возможная абсолютная влажность.
2.2.1. Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха «на бесконечности».
Воздухом «на бесконечности» называется воздух, находящийся на таком удалении от поверхности жидкости, что его влажность не зависит от наличия этой поверхности. Влажность воздуха «на бесконечности» безусловно, влияет на влажность воздуха у поверхности. Пар с поверхности воды вытесняет пар, который уже был в воздухе, тем самым стремиться увеличить влажность «на бесконечности». Чем больше влажность воздуха на бесконечности, тем сложнее вытеснить поднимающемуся пару находящийся на бесконечности» пар, и тем менее интенсивно происходит испарение.
2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.
При высокой влажности, по сути, испарение происходит с той же скоростью, но конденсация происходит быстрее, и, следовательно, можно считать, что испарение происходит медленнее. Конденсация – это обратный испарению процесс, то есть переход из газообразного состояния в жидкое.
2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока водяных паров от поверхности.
Водяные пары, если их влажность отличается от влажности на бесконечности, перемещаются от поверхности воды при помощи двух процессов: диффузии и конвекции.
Диффузия – это процесс выравнивания концентраций веществ в некотором объеме путем проникновения молекул одного вещества в другое. Она зависит от скорости движения молекул, то есть от температуры среды. Диффузия в газах проходит довольно быстро.
Конвекция – это явление передачи тепла путем перемешивания вещества. Вещество перемешивается из-за разности температур, которая может быть вызвана испарением. Конвекция, по сравнению с диффузией происходит медленно.
Можно также отметить, что ветер, уносящий пар от поверхности, влияет на скорость испарения сильнее предыдущих двух факторов.
2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.
Если площадь поверхности с которой происходит испарение маленькая – пары сразу рассеиваются в окружающем пространстве, если большая то не сразу, так как они занимают значительную область пространства. По формуле Дж. Дальтона для скорости испарения в которой указана зависимость оной от площади поверхности: Р=AS(F-f)/H где S - поверхность сосуда, F - предельная упругость при данной температуре, f - упругость пара в окружающей среде, H - давление, а A - коэффициент, зависящий от природы жидкости. Также имеет значение форма сосуда. Например, если при равной площади поверхности один сосуд будет вытянутой формы, а другой – круглый, то диффузия унесет пар быстрее от вытянутого сосуда, следовательно, испарение с него будет происходить быстрее.
Подведем итог: на скорость испарения влияют главным образом два фактора: температура поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью, но на эти два фактора влияют множество других. На диаграмме представлена общая взаимосвязь этих факторов между собой.
Заключение.
В нашей работе мы изучили факторы, влияющие на скорость испарения воды. В результате выяснено, что на скорость испарения влияют главным образом температура на поверхности воды и влажность воздуха над сосудом, но также влияют и площадь поверхности, конвекция, диффузия, влажность «на бесконечности».
Список литературы:
1. Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Коэффициент теплового расширения. Ссылка действительна на 02.04.2012.
2. *****. Вязкость воды. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Ссылка действительна на 02.04.2012.
3. Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Температуропроводность. Ссылка действительна на 02.04.2012.
4. Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Число Рэлея. Ссылка действительна на 02.04.2012.
5. Большая советская энциклопедия. Турбулентность. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Ссылка действительна на 02.04.2012.
6. *****. Неустойчивости и пространственно-временные структуры. http://otherreferats. *****/physics/_0.html Ссылка действительна на 02.04.2012.
7. Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Теплопроводность. Ссылка действительна на 02.04.2012.
8. Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Удельная теплоёмкость. Ссылка действительна на 02.04.2012.
9. Инженерный справочник Таблицы DVPA. info. Обзор: Температура, плотность, удельная теплоемкость, объемный коэффициент теплового расширения, кинематическая вязкость, и число (критерий) Прандтля для сухого воздуха при атмосферном давлении в в диапазоне -150 /+400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Ссылка действительна на 02.04.2012.
10. Значение слова "Испарение" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона. http://be. /article045569.html Ссылка действительна на 02.04.2012.
Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Температуропроводность. Данные соответствуют 02.04.12.
Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Число Рэлея. Данные соответствуют 02.04.12.
Большая советская энциклопедия. Турбулентность. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Данные соответствуют 02.04.12.
*****. Неустойчивости и пространственно-временные структуры. http://otherreferats. *****/physics/_0.html Данные соответствуют 02.04.12.
Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Коэффициент теплового расширения. Данные соответствуют 02.04.12.
*****. Вязкость воды. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Данные соответствуют 02.04.12.
Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Теплопроводность. Данные соответствуют 02.04.12.
Википедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Удельная теплоёмкость. Данные соответствуют 02.04.12.
Инженерный справочник Таблицы DVPA. info. Обзор: Температура, плотность, удельная теплоемкость, объемный коэффициент теплового расширения, кинематическая вязкость, и число (критерий) Прандтля для сухого воздуха при атмосферном давлении в в диапазоне -150 /+400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Данные соответствуют 02.04.12.
Значение слова "Испарение" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона. http://be. /article045569.html Данные соответствуют 02.04.12.
Кафедра ЭТТ. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы»
Лабораторная работа № 1. Особенности нанесения пленок
При термовакуумном испарении
Цель работы : ознакомление с особенностями генерации и распространения потока молекул в вакууме и c распределением толщины пленки по поверхности подложки большой площади при термовакуумном испарении.
Основные понятия и соотношения
При термовакуумном испарении поток атомов или молекул вещества генерируется при нагревании материала в вакууме до температуры, близкой или превышающей его температуру плавления.
Испарениес поверхности жидкой фазы наиболее часто используется в технике. Для объяснения механизма процесса было предложено несколько моделей. В простейшей из них жидкая фаза (расплавленный материал) рассматривается как система осцилляторов, поверхностные молекулы которой связаны с определенной энергией испарения. Предполагается, что переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превосходит энергию испарения. Предполагается также, что все молекулы поверхности имеют одну и ту же энергию связи и равную вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.
В усовершенствованной статистической модели состояние молекул на поверхности описывается максвелловским распределением по энергии и пространственным распределением, связывающим смещение молекул от равновесного положения с их потенциальной энергией. Испарение молекулы происходит тогда, когда она смещается на такое расстояние, что ее потенциальная энергия становится равной энергии испарения.
Экспериментальные исследования показали, что статистическая модель достаточно хорошо применима к жидкостям, испарение которых происходит за счет обмена одиночных атомов с одноатомным паром (ртуть, калий, бериллий и ряд других металлов). Аналогично ведут себя и некоторые органические жидкости, молекулы которых имеют сферическую симметрию и малые энтропии испарения (например, четыреххлористый углерод – CCl 4).
В веществах, молекулы которых имеют различные степени свободы в конденсированном и газообразном состояниях, при испарении должно происходить изменение не только поступательного движения, но и внутренней энергии молекул. В тоже время статистически маловероятно, что молекула на поверхности получает в один и тот же момент как кинетическую, так и потенциальную энергии, необходимые для испарения при термодинамическом равновесии. Более вероятно, что молекула получает вначале необходимую кинетическую энергию, а затем должна до момента испарения получить квант внутренней энергии.
Полагают, что среди различных видов внутренней энергии молекул, наибольшее влияние на вероятность испарения оказывает энергия вращения. Это подтверждается тем, что время релаксации, необходимое для получения вращательной степени свободы молекулой с добавленной кинетической энергией, больше, чем для других процессов. Таким образом, ограничение испарения происходит вследствие потери одной степени свободы, которая уменьшает число возможных состояний для молекул в жидкой фазе. Такая форма ограничения фазового перехода называется ограничением по энтропии.
Испарение с ограничением по энтропии подтверждается для жидкостей с малыми полярными молекулами, которые испаряются с невозмущенных поверхностей (бензин, хлороформ, этанол, метанол и др.). Некоторые органические жидкости имеют вращательную степень свободы и в активированном состоянии.
При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла и лишь небольшую часть (меньше 0,1%) составляют двухатомные молекулы. Для некоторых элементов (C, S, Se, Te , P, As, Sb) пары состоят из многоатомных молекул.
Испарение с поверхности твердой фазы , называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и состояний с различным числом атомов в первом и последующем слое. Так как силы связи, действующие на данный атом со стороны соседних атомов, являются аддитивными (складываются), то значения энергии испарения для атомов в различных состояниях будут различными. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей (соседей), что создает благоприятные условия для испарения других атомов.
При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.
Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10 -2 Торр, а остаточных газов – не более 10 -4 – 10 -5 Торр.
Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом.
Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку.
При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.
Расчет скорости испарения
Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением:
, (1)
где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества .
Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле:
, (2)
где – скорость испарения, г·см –2 ·с –1 ; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К.
Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением:
, (3)
в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1.
Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду:
, (4)
где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения.
Таблица 1
При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки.
Расчет толщины пленок
Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением:
(5)
В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами .
Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением:
, (6)
где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от
Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя
центра подложки в точке А до точки Б , в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества.
Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид:
, 
. (7)
Точечный испаритель
представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества 
. Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид:
; 
. (8)
В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя.
Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h
| х/h | 0,25 | 0,5 | 0,75 | |||
| (d/d0)п | 0,83 | 0,64 | 0,41 | 0,25 | 0,04 | |
| (d/d0)т | 0,88 | 0,71 | 0,51 | 0,35 | 0,09 |
Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы:
Использование испарителей большой площади,
Использование кольцевых испарителей,
Применение большого числа одновременно работающих испарителей,
Перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории,
Смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки,
Применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке.
При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид:
, 
. (9)
Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:
. 
. (10)
Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителя относительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки.
. 
. (11)
Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала.
Задание к работе
При домашней подготовке необходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d 0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий.
При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости:
Распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d 0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d 0 при х=0);
Относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d 0 для исследуемых испарителей;
Для заданного d 0 и размера подложки 100х150 мм 2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %.
Примечание : необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания».
Требования к отчету
Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать:
Теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку),
Эскизы конфигурации систем испарения,
Расчетные формулы,
Последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки,
Ответы на контрольные вопросы.
6. Контрольные вопросы
Чем определяется максимально возможная толщина пленки при термовакуумном испарении?
Какие соотношения связывают толщину пленки с температурой испарителя?
Как испаряют порошкообразные материалы?
Какие типы испарителей применяют для испарения порошковых материалов?
Что такое сублимация?
Какие требования предъявляются к материалам испарителей?
При каких условиях происходит послойный рост пленки при испарении?
Как происходит испарение с поверхности твердой фазы?
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12
Большая часть водяного пара поступает в атмосферу с поверхности морей и океанов. Особенно это относится к влажным, тропическим районам Земли. В тропиках испарение превышает количество осадков. В высоких широтах имеет место обратное соотношение. В целом же по всему земному шару количество осадков приблизительно равно испарению.
Испарение регулируется некоторыми физическими свойствами местности, в частности температурой поверхности воды и крупных водоемов, преобладающими здесь скоростями ветра. Когда над поверхностью воды дует ветер, то он относит в сторону увлажнившийся воздух и заменяет его свежим, более сухим (т.е. к молекулярной диффузии добавляется адвекция и турбулентная диффузия). Чем сильнее ветер, тем быстрее сменяется воздух и тем интенсивнее испарение.
Испарение можно характеризовать скоростью протекания процесса. Скорость испарения (V) выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от дефицита насыщения, атмосферного давления и скорости ветра.
Скорость испарения, гласит закон Дальтона, пропорционально разности между давлением насыщающего пара при температуре испаряющей поверхности и фактическим давлением водяного пара:
V = А(Е S – е),
где Е S – упругость водяного пара при температуре испарителя; е – фактическая упругость водяного пара в воздухе над испаряющей поверхностью; А – коэффициент пропорциональности.
Чем больше разность (Е S – е), тем быстрее идет испарение. Если температура испарителя больше температуры воздуха, то испарение продолжается, когда воздух уже насыщен (т.е. когда е=Е, а Е<Е S).
Согласно формуле Августа, скорость испарения обратно пропорциональна давлению атмосферы р:
Но этот фактор хорошо выражен лишь в горах, где имеет место большой перепад высот, а значит и атмосферного давления.
Скорость испарения также зависит от скорости ветра (v). Таким образом, суммарная формула для расчета V:
.
Испарение в реальных условиях измерить трудно. Для измерения испарения применяют испарители различных конструкций или испарительные бассейны (с площадью поперечного сечения 20 м 2 или 100 м 2 и глубиной 2 м). Но значения, полученные по испарителям, нельзя приравнивать к испарению с реальной физической поверхности. Поэтому прибегают к расчетным методам: испарение с поверхности суши рассчитывается исходя из данных по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, которые легче получить путем измерений. Испарение с поверхности моря можно вычислить по формулам, близким к суммарному уравнению.
Различают фактическое испарение и испаряемость.
Испаряемость – потенциально возможное испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях.
При этом подразумевают либо испарение с поверхности воды в испарителе; испарение с открытой водной поверхности крупного водоема (естественного пресноводного); испарение с поверхности избыточно увлажненной почвы. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды за единицу времени.
В полярных областях испаряемость мала: около 80 мм/год. Это связано с тем, что здесь наблюдаются низкие температуры испаряющей поверхности, а давление насыщенного водяного пара Е S и фактическое давление водяного пара малы и близки между собой, поэтому и разность (Е S – е) невелика.
В умеренных широтах испаряемость изменяется в широких пределах и имеет тенденцию к росту при продвижении с северо-запада на юго-восток материка, что объясняется ростом в этом же направлении дефицита насыщения. Наименьшие значения в этом поясе Евразии наблюдаются на северо-западе материка: 400–450 мм, наибольшие (до 1300–1800 мм) в Центральной Азии.
В тропиках испаряемость мала на побережьях и резко увеличивается во внутриматериковых частях до 2500–3000 мм.
У экватора испаряемость относительно низка: не превышает 100 мм по причине небольшой величины дефицита насыщения.
Фактическое испарение на океанах совпадает с испаряемостью. На суше оно существенно меньше, главным образом, зависит от режима увлажнения. Разность между испаряемостью и осадками можно использовать для расчета дефицита увлажнения воздуха.
VI районная научно-практическая конференция
школьников Яшкинского района «Открытия юных исследователей»
Секция: технология
Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости.
ученица 5 класс
МБОУ «СОШ №2Яшкинского
муниципального района»
05.02.2004г. рождения
адрес:652010, пгт. Яшкино, ул. Пограничная,18
научный руководитель:
Локк Наталья Викторовна,
учитель технологии
МБОУ «СОШ №2Яшкинского
муниципального района»
адрес: 652010, пгт. Яшкино, ул.Мирная,12
Яшкинский район 2015
Оглавление
Введение …………………………………………………………………… 3
Глава I . Испарение ……………………………………………………..… ... 3
Что такое испарение?...……………………………………………….. 3
Механизм процесса испарения ………………………………………..3
Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости….…………..4
1.4Роль испарения в природе и в жизни человека ……………..………..4
Глава II . Результаты проведенного исследования ………………....… 5
2.1 Анализ анкетирования………………………………….. ……………..5
2.2 Результаты проведенных опытов ……………………………………..6
Глава III .Заключение ……………………………………………………...10
Литература ………………………………………………………………….12
Введение
Процесс испарения – это очень интересное физико-химическое явление, его интересно наблюдать и оно часто встречается в нашей жизни.Все знают, что если развесить выстиранное белье, то оно высохнет. И так же очевидно, что мокрый тротуар после дождя обязательно станет сухим. Мы часто сушим волосы феном и при этом они высыхают намного быстрее, чем без применения фена, кипение жидкости когда мы варим суп? В связи с этим возникают вопросы. Как именно и почему это происходит? От каких факторов зависит?
Цель исследования: исследовать зависимость скорости испарения воды от различных факторов среды.
Для достижения цели поставили следующие задачи:
изучить литературу по данному вопросу, материалы Интернет-сайтов;
установить опытным путем, какие факторы влияют на скорость испарения;
выяснить, какова роль испарения в природе и в жизни человека;
исследовать и проанализировать, что знают об испарении ученики нашего класса;
Объект исследования: испарение жидкости (воды)
Предмет исследования: факторы, влияющие на скорость испарения жидкости.
Гипотеза: скорость испарения зависит от рода вещества, площади поверхности жидкости и температуры воздуха, объема жидкости, наличие перемещающихся воздушных потоков над ее поверхностью.
Методы исследования :
Поиск необходимой информации в литературных источниках и сети Интернет.
Анализ и обработка информации.
Анкетирование, анализ и обобщение результатов анкетирования.
Опыты.
Глава I . Испарение
1.1 Что такое испарение?
Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности жидкости. Испарение происходит с поверхности воды, почвы, растительности, льда, снега и т.д. за счет энергии, получаемой Землей от Солнца.
1.2Механизмпроцесса испарения
Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния превращается в пар. Молекулы воды, находясь в непрерывном движении, преодолевают силу взаимного молекулярного притяжения и вылетают в воздух, находящийся над поверхностью воды.
Вылетевшие с поверхности воды молекулы образуют над ней пар. У оставшихся молекул воды при соударениях изменяются скорости, некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы, оказавшись у поверхности, вылететь из жидкости. Этот процесс продолжается непрерывно, поэтому вода испаряется непрерывно. Таков механизм испарения.
1.3 Факторы, влияющие на скорость испарения жидкости
Существует несколько факторов, влияющих на скорость испарения жидкости.
1.Какая из луж, образовавшихся после дождя, высохнет быстрее: большая или маленькая? Скорость испарения жидкости зависит от объёма, поэтому меньшая лужа высохнет быстрее.
2. Где вода испарится быстрее: в круглой тарелке или в высоком кувшине? Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности: чем больше площадь поверхности, тем больше будет количество частиц, покидающих жидкость, и испарение будет происходить быстрее.
3.В какой день вода луж, прудов, озер, рек, морей, влага, содержащаяся в растениях, испаряется быстрее: солнечный или пасмурный? С увеличением температуры испарение происходит быстрее – в теплой жидкости скорость движения молекул больше, больше молекул имеет шанс покинуть жидкость и перейти в состояние, которое мы называем «газ».
4.Зачем жители полярных стран смазывают жиром лицо в сильный мороз? Скорость испарения зависит от рода жидкости, жир испаряется медленно, поэтому кожа лица не переохлаждается
5.Вы пьете чай, он очень горячий. Что вы сделаете, чтобы он остыл быстрее? Белье высыхает быстрее в какую погоду – в ветреную или тихую? Если воздух над жидкостью движется, то он сдувает, уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и вместе с тем освобождает пространство для следующих молекул. В этом случае процесс испарения ускоряется.
Таким образом, проанализировав литературу по теме, мы узнали, что скорость испарения зависит от ряда факторов.
1.4 Роль испарения в природе и в жизни человека
Главную роль в круговороте воды в природе играет испарение.Это непрерывный процесс. Испарение происходит с поверхности океана, суши и ее водоемов.
Испарение играет огромную роль в растительном, животном мире и в жизни человека. Оно предохраняет человека, животных и растения от перегрева.
Ни одно растение не может жить без воды. Она составляет от 70 до 95% сырой массы тела растения. Все процессы жизнедеятельности организма протекают с использованием воды: прорастание семян, рост и развитие взрослого растения, фотосинтез, образование плодов и семян. Важно, что при испарении поддерживается непрерывный ток воды по растению снизу вверх. Клетки листа, отдавшие воду, начинают активно её поглощать из сосудов жилок. Вместе с водой к клеткам поступают растворённые вещества. Следовательно, питание клетки прямо связано с испарением. При испарении организм растения охлаждается. Если процесс испарения нарушен, растение в потоках яркого солнечного света может пострадать от ожогов.
У растений засушливых мест, где воды в почве очень мало, а воздух горячий и сухой, имеются разнообразные приспособления, позволяющие уменьшить потерю влаги. У кактусов вместо листьев колючки; так как их поверхность небольшая, то испарение замедлено. У алоэ листья узкие, покрытые восковым налетом, предохраняющим от интенсивного испарения.
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 птицы открывают клюв.
Организм человека, с помощью испарения охлаждается. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение. Оно обеспечивает постоянство температуры тела человека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.
На производстве испарение применяется для сушки деталей. В технике испарение применяется как средство для очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой (получение бензина, керосина). Процесс испарения также лежит в основе двигателей внутреннего сгорания, холодильных установок, а также в основе всех процессов сушки в сушильных камерах.
Глава II . Результаты проведенного исследования
2.1 Анализ анкет
Чтобы выяснить, знают ли одноклассники что-нибудь о процессе испарения, я провела анкетирование среди ребят (Приложение 1, 2). В анкетировании приняло участие 20 одноклассников. В результате анкетирования выяснили:
Знают, что такое процесс испарения - 80% (16уч-ся).
Чаще всего наблюдали процесс испарения:
на кухне, когда кипит чайник - 85 % (17уч-ся);
над рекой - 15 % (3уч-ся);на улице после дождя -25% (5уч-ся);
Считают, что процесс испарения влияет на жизнь человека -85% (17уч-ся);
2.2Результаты проведенных опытов.
Для исследования зависимости скорости испарения от различных факторов был проведен ряд опытов.
Опыт №1.
Проверка зависимости скорости испарения жидкости от её объема.
Оборудование: два одинаковых стакана, вода, мензурка.
Возьмем два одинаковых стакана и нальем в них воду в разных объемах. Поместим стаканы в одинаковые условия и будем наблюдать
Вывод: скорость испарения зависит от объёма жидкости (массы). При одинаковой температуре воды и внешних условиях в обоих стаканах вода испарилась с одинаковой скоростью. В том стакане, где объём воды был меньше, она испарилась раньше, чем в том, где объём был больше;
Опыт №2.
Проверка зависимости скорости испарения жидкости от величины её поверхности.
Оборудование: стакан, тарелка, вода, мензурка.
Для проведения опыта возьмём стакан и тарелку. Нальём в них воду одинаковой массы и температуры. Поместим в среду с одинаковыми условиями. Будем наблюдать.
Вывод : по результатам опыта видно, что скорость испарения зависит от величины её поверхности. Если в узкий и широкий сосуд налить одинаковый объём воды, то можно увидеть, что в широком сосуде вода испаряется быстрее. Следовательно, чем больше площадь поверхности, тем большее число молекул вылетает в воздух. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости.
Опыт № 3.
Проверка зависимости скорости испарения жидкости от температуры.
Оборудование: 2 одинаковых стакана, вода, мензурка.
Возьмем 2 одинаковых стакана и нальем в них воду одинаковой массы и температуры. Поставим 1 стакан с водой в теплое место, а другой в более прохладное место и будем наблюдать до тех пор, пока вода в одном из стаканов не испарится.
Стакан №1(мл)Теплое место
Стакан №2 (мл)
Прохладное место
01.02.2015
17.00-17.10
02.02.2015
17.00-17.10
03.02.2015
17.00-17.10
04.02.2015
17.00-17.10
05.02.2015
17.00-17.10
06.02.2015
17.00-17.10
07.02.2015
17.00-17.10
08.02.2015
17.00-17.10
09.02.2015
17.10-17.10
10.02.2015
17.00-17.10
11.02.2015
17.00-17.10
Вывод: в результате проделанного опыта я выяснила, что вода испаряется быстрее в том сосуде, который находится в месте с более высокой температурой, потому что при нагревании скорость движения молекул увеличивается, молекулы сталкиваются и выбрасываются в воздух.
Опыт №4.
Проверка зависимости скорости испарения жидкости от рода жидкости.
Оборудование: три одинаковые тарелки, три салфетки, спирт, масло, вода, три пипетки.
В тарелки положила салфетки и на них капнула поочерёдно одинаковое количество воды, спирта и масла. Поставила в тёплом помещении и заметила, что спирт испарился через 3 минут, вода –через 12 минут и масло – через 2часа, остался след.
На 1 листе - вода
на 2 листе – масло
на 3 листе – спирт
Вывод: в результате проделанного опыта я выяснила, что разные жидкости испаряются по-разному, значит, скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости.
Опыт №5.
Проверка зависимости скорости испарения жидкости от ветра.
Оборудование: две одинаковые салфетки, вода, фен.
Намочим две одинаковые салфетки водой. Одну оставим высыхать на воздухе, а на другую направим горячую струю воздуха с помощью фена. Через 3 минуты эта салфетка стала сухой, другая же оставалась влажной ещё14 минут.
Вывод: если воздух над жидкостью движется, скорость испарения увеличивается, так как поток воздуха помогает молекулам жидкости оторваться от поверхности и перейти в парообразное состояние. Горячий воздух ускорит этот процесс.
III . Заключение
В представленной работе я более подробно узнала, что такое испарение, как оно происходит, что скорость испарения жидкостей зависит от разных факторов:
1. Скорость испарения зависит от объёма жидкости (массы). При одинаковой температуре воды и внешних условиях в обоих стаканах вода испарилась с одинаковой скоростью. В том стакане, где объём воды был меньше, она испарилась раньше, чем в том, где объём был больше;
2. Скорость испарения зависит от величины её поверхности. Если в узкий и широкий сосуд налить по одинаковому объему воды, то можно увидеть, что в широком сосуде вода испаряется быстрее. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь поверхности, тем большее число молекул вылетает в воздух. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости;
3. Вода испаряется быстрее в том сосуде, который находится в месте с более высокой температурой, потому что при нагревании скорость движения молекул увеличивается, молекулы сталкиваются и выбрасываются в воздух;
4. Разные жидкости испаряются по-разному, значит, скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости;
5. Если воздух над жидкостью движется, скорость испарения увеличивается, так как поток воздуха помогает молекулам жидкости оторваться от поверхности и перейти в парообразное состояние. Горячий воздух ускоряет этот процесс.
Моя гипотеза о зависимости скорости испарения жидкости от разных факторов подтвердилась.
Данная работа актуальна, так как люди активно используют процесс испарения в своей жизни, применяют его в производстве различных механизмов и машин, используют в быту. В природе этот процесс происходит вне зависимости от деятельности человека и задача людей – не нарушать этот процесс. Для этого необходимо любить природу и любить нашу Землю!
Литература
Горев Л.А. Занимательные опыты и викторины по физике [Текст] /Л.А. Горев.- М.: ЭКСМО,2009
Исаева О.Г. Я познаю мир [Текст] / О.Г. Исаева.- АСТ, Астрель, 2004
МейяниА. Большая книга экспериментов для школьников [Текст] / А. Мейяни. - М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006.
Испарение [Электронный ресурс]:Викепидия.– Режим доступа: .- 10.12.2013
Парообразование [Электронный ресурс]: Классная физика для любознательных.– Режим доступа: . – 15.12.2013
Процесс испарения летучих жидкостей описывается уравнением Лангмюра - Кнудсена:
где W - скорость испарения; m - масса испарившейся жидкости; τ - продолжительность испарения; s-поверхность испарения; P1 - давление пара жидкоcти; M - молекулярная масса; T - температура поверхности испарения; 0 < k < 1 - поправочный коэффициент.
За счет теплоты испарения поверхность жидкости охлаждается, что вносит погрешность в определение скорости испарения. Понижение температуры поверхности испарения зависит от летучести растворителя (рис. 21): чем выше летучесть растворителя, тем больше снижение температуры поверхности. При экспериментальных определениях летучести растворителей необходимо учитывать передачу теплоты из воздуха и от подложки. С учетом этого понижение температуры испаряющей поверхности можно выразить следующей формулой:
где h - коэффициент теплопередачи; k - теплопроводность; ΔHисп - теплота испарения; рi0 - давление насыщенного пара растворителя; Pi00 - давление пара растворителя над поверхностью; Cn - экспериментальный коэффициент, учитывающий теплопередачу от подложки; сn можно рассчитать на основании экспериментальных результатов; для ацетона Cn = 4,8.
Расчетные результаты имеют хорошую сходимость с экспериментальными. Так, при испарении воды при 25 0C ее поверхность охлаждается до 15,6 0C При этом давление пара снижается с 3,20 кПа(24 мм рт. ст.) до 1,73 кПа (13 мм рт. ст.).
Рис. 21. Понижение температуры поверхности при испарении растворителей: 1 - бутилацетат; 2- толуол; 3-изопропиловый спирт; 4-гексан; 5-ацетон.
Если окружающий воздух имеет влажность 50 %, что соответствует давлению водяного пара 1,60 кПа (12 мм рт. ст.), то движущая сила испарения, равная разности давлений пара, в случае отсутствия охлаждения поверхности при 25 °С составляла бы 3,20 - 1,60 =1,60 кПа (12 мм рт. ст.); когда же имеет место охлаждение поверхности, движущая сила существенно уменьшается: 1,73- 1,60 = 0,13 кПа (1 мм рт. ст.). Следовательно, и скорость испарения снижается в 12 раз.
При диффузии растворителя из слоя жидкости его молекулы должны диффундировать через: а) жидкую фазу к поверхности, б) поверхностный слой жидкости и в) ламинарный пограничный слой воздуха. После этого, попав в турбулентный слой обтекающего воздуха, пары растворителя уносятся. С точки зрения диффузии, испарение жидкости описывается уравнением Гарднера:
(13)
где а - константа; D - коэффициент диффузии молекул жидкости в воздух; P-атмосферное давление; х - эффективная толщина ламинарного воздушного слоя над поверхностью испарения.
Если уравнение Лангмюра - Кнудсена (11) справедливо только для испарения растворителя в вакууме, то уравнение Гарднера (13) можно применять в случае испарения на воздухе; однако оно также содержит константу, значение которой определяется условиями проведения эксперимента. Кроме входящих в уравнение Гарднера параметров на испарение существенное влияние оказывает также скорость воздуха над поверхностью испарения.
Эффективная толщина ламинарного слоя над поверхностью х зависит как от скорости воздуха, так и от формы сосуда, в котором проводится определение. Эти параметры, а также протяженность поверхности испарения, контактирующей с потоком воздуха, учитывает следующее уравнение:
(14)
где n-концентрация пара у поверхности; H - расстояние от поверхности испарения до стенки; l- длина поверхности испарения; V1 - линейная скорость воздуха; D - коэффициент диффузии молекул растворителя в воздух; ξ - аэродинамический коэффициент смещения (коэффициент захвата).
Формулы (11), (13) и (14) позволяют выражать абсолютную скорость испарения. Для технолого-лакокрасочников чаще всего достаточно иметь относительные величины для сравнения летучести растворителей. Относительную летучесть Wотн определяют по продолжительности испарения определенного количества растворителя в сравнении с эталонным растворителем, например диэтиловым эфиром, бутилацетатом (БА) или ксилолом:
(15)
где τВА90% - время испарения 90 % бутилацетата; τ90% - время испарения 90 % данного растворителя.
Для определения относительной летучести растворителей разработаны различные методы и их модификации. В основе этих методов лежит определение кинетики испарения растворителей из тонких пленок, поскольку процесс испарения из больших масс растворителей не дает представления о характере улетучивания растворителя из лакокрасочных покрытий.
Для исследования кинетики испарения небольшие количества растворителя наносят на различные подложки как пористые (ватман, фильтровальная бумага), так и гладкие (стекло, алюминий). Чтобы подложка во время опыта смачивалась равномерно, поверхность, например, алюминиевых дисков обрабатывают раствором щелочи. Другая трудность состоит в исключении неравномерности слоя из-за капиллярного эффекта. В зависимости от формы и размера диска, на который наносят растворитель, жидкость может либо подниматься по его бортикам, либо собираться в середине диска.
