Siamo tutti ben consapevoli di un fatto serio della vita fin dall'infanzia. Per raffreddare il tè caldo, è necessario versarlo in un piattino freddo e soffiarlo a lungo sulla sua superficie. Quando hai sei o sette anni, non pensi davvero alle leggi della fisica, le dai per scontate o, in termini fisici, le prendi come un assioma. Tuttavia, man mano che impariamo la scienza nel tempo, scopriamo interessanti somiglianze tra assiomi e dimostrazioni coerenti, traducendo agevolmente le nostre ipotesi infantili in teoremi degli adulti. Lo stesso vale per il tè caldo. Nessuno di noi avrebbe potuto immaginare che questo modo di raffreddarlo sia direttamente correlato all'evaporazione del liquido.
Fisica del processo
Per rispondere alla domanda su cosa determina la velocità di evaporazione di un liquido, è necessario comprendere la fisica stessa del processo. L'evaporazione è il processo di transizione di fase di una sostanza da uno stato liquido di aggregazione a uno stato gassoso. Qualsiasi sostanza liquida può evaporare, anche molto viscosa. In apparenzae non si può dire che un certo impasto gelatinoso possa perdere parte della sua massa per evaporazione, ma in determinate condizioni è esattamente quello che succede. Un solido può anche evaporare, solo questo processo è chiamato sublimazione.
Come succede
Partendo a capire da cosa dipende la velocità di evaporazione di un liquido, bisogna partire dal fatto che si tratta di un processo endotermico, cioè un processo che avviene con l'assorbimento del calore. Il calore di transizione di fase (calore di evaporazione) trasferisce energia alle molecole di una sostanza, aumentando la loro velocità e aumentando la probabilità della loro separazione, mentre indebolendo le forze di coesione molecolare. Allontanandosi dalla massa della sostanza, le molecole più veloci escono dai suoi confini e la sostanza perde la sua massa. Allo stesso tempo, le molecole liquide espulse bollono istantaneamente, effettuando il processo di transizione di fase dopo la separazione, e la loro uscita è già allo stato gassoso.
Applicazione
Capendo le ragioni da cui dipende la velocità di evaporazione di un liquido, è possibile regolare correttamente i processi tecnologici che si verificano sulla base di essi. Ad esempio, il funzionamento di un condizionatore d'aria, nello scambiatore di calore-evaporatore di cui bolle il refrigerante, prelevando calore dalla stanza refrigerata, o l'ebollizione dell'acqua nelle tubazioni di una caldaia industriale, il cui calore viene ceduto al esigenze di riscaldamento e fornitura di acqua calda. Comprendere le condizioni da cui dipende la velocità di evaporazione di un liquido offre l'opportunità di progettare e produrre apparecchiature moderne e tecnologiche di dimensioni compatte e con un coefficiente maggioretrasferimento di calore.
Temperatura
Lo stato di aggregazione del liquido è estremamente instabile. Con il nostro terrestre n. y. (il concetto di "condizioni normali", cioè adatte alla vita umana), tende periodicamente a passare ad una fase solida o gassosa. Come succede? Cosa determina la velocità di evaporazione di un liquido?
Il criterio principale è, ovviamente, la temperatura. Più riscaldiamo il liquido, più energia apportiamo alle molecole della sostanza, più legami molecolari rompiamo, più veloce sarà il processo di transizione di fase. L'apoteosi si ottiene con un'ebollizione nucleata costante. L'acqua bolle a 100°C a pressione atmosferica. La superficie di una pentola o, ad esempio, di un bollitore, dove bolle, è solo a prima vista perfettamente liscia. Con un aumento multiplo dell'immagine, vedremo vette acuminate infinite, come in montagna. Il calore viene fornito in modo puntuale a ciascuno di questi picchi e, a causa della piccola superficie di scambio termico, l'acqua bolle istantaneamente, formando una bolla d'aria che sale in superficie, dove collassa. Ecco perché tale ebollizione è chiamata frizzante. Il tasso di evaporazione dell'acqua è massimo.
Pressione
Il secondo parametro importante, da cui dipende la velocità di evaporazione di un liquido, è la pressione. Quando la pressione scende al di sotto dell'atmosfera, l'acqua inizia a bollire a temperature più basse. Il lavoro delle famose pentole a pressione si basa su questo principio: pentole speciali, da dove veniva pompata l'aria e l'acqua bolliva già a 70-80 ºС. L'aumento della pressione, invece,aumenta il punto di ebollizione. Questa utile proprietà viene utilizzata quando si fornisce acqua surriscaldata da una centrale termica al riscaldamento centrale e all'ITP, dove, per mantenere il potenziale di calore ceduto, l'acqua viene riscaldata a temperature di 150-180 gradi, quando è necessario escludere la possibilità di bollire nei tubi.
Altri fattori
Il soffiaggio intensivo della superficie del liquido con una temperatura superiore alla temperatura del getto d'aria immessa è un altro fattore che determina la velocità di evaporazione del liquido. Esempi di questo possono essere presi dalla vita di tutti i giorni. Soffiare la superficie del lago con il vento, o l'esempio con cui abbiamo iniziato la storia: soffiare del tè caldo versato in un piattino. Si raffredda per il fatto che, staccandosi dal grosso della sostanza, le molecole portano con sé parte dell'energia, raffreddandola. Qui puoi anche vedere l'effetto della superficie. Un piattino è più largo di una tazza, quindi più massa d'acqua può potenzialmente fuoriuscire dal suo quadrato.
Il tipo di liquido stesso influisce anche sulla velocità di evaporazione: alcuni liquidi evaporano più velocemente, altri, al contrario, più lentamente. Anche lo stato dell'aria circostante ha un'influenza importante sul processo di evaporazione. Se il contenuto di umidità assoluta è elevato (aria molto umida, ad esempio vicino al mare), il processo di evaporazione sarà più lento.
