Испарение — явление перехода твердых и жидких тел в соответствующее им газообразное состояние — в пары, переход, не сопровождающийся разложением молекул сложных тел на составляющие их атомы (в отличие от диссоциации, см. ниже). Множество разных наблюдений заставляет нас предполагать, что все тела при всех температурах испаряются; большинство твердых тел и многие жидкости (напр. тяжелые масла) испаряются при обыкновенных условиях чрезвычайно слабо и медленно, некоторые же твердые тела (камфара) и многие жидкости испаряются при тех же условиях быстро и сильно; эти последние вещества называют поэтому иногда летучими. И. воды (снега), спирта и других легкоиспаряющихся веществ наблюдается по изменению объема или веса их с течением времени; И. трудноиспаряющихся веществ становится заметным глазу лишь при высоких температурах; на И. этих веществ и при более низких температурах указывает в некоторых случаях запах их (камфара, нафталин, мускус, некоторые металлы). И. состоит в отделении частиц от свободной поверхности тел в соседнюю окружающую среду. Это явление становится сильнее с повышением t° до некоторого предела ее, при котором парообразование начинается во всей массе жидкости; t° эта называется температурой кипения, само явление — кипением. Температура кипения есть характерная для каждого вещества величина. Если И. происходит в замкнутом пространстве, то вещества, как показывает опыт, испаряются в определенном количестве, после чего И. прекращается. Тогда пар насыщает пространство, в котором он образовался, и называется насыщающим. В этом случае И. прекратится, когда газ, находящийся внутри пространства, получит вследствие И. упругость большую, чем она была раньше. Этот избыток упругости всегда тот же для той же жидкости при той же температуре, независимо от формы и размеров замкнутого сосуда, от природы и давления заключенного в нем газа. Этот избыток упругости измеряется давлением ртутного столба некоторой вышины; если в замкнутом пространстве не было первоначально никакого газа, то высота ртутного столба прямо показывает упругость паров данной жидкости, насыщающих при данной t° пространство. Упругость паров над жидкостью противодействует стремлению частиц отделиться от поверхности ее, и когда пар насытит пространство, то упругость его такова, что как раз равна стремлению частиц к отделению, и тогда И. прекращается. Если упругость паров в окружающем пространстве меньше этой предельной упругости, то пары насыщают пространство и жидкость будет продолжать испаряться, пока не насытит пространство или вся не испарится. Если при этом сосуд с жидкостью находится в незамкнутом пространстве, то соседний с жидкостью слой воздуха насыщается мало-помалу парами, но И. не прекращается, так как пар из этого слоя диффундирует в окружающий воздух или уносится его течениями; таким образом над сосудом с жидкостью устанавливается, при спокойном воздухе, столб пара, упругость которого от предельной (у уровня жидкости) падает по мере удаления от жидкости до нуля (теоретически вывел Стефан, 1882; опытно показал Блазиус, 1884). Столб этот растекается по бокам, пар из него уносится диффузией и течениями, и жидкость мало-помалу вся испаряется. Если уменьшением объема замкнутого сосуда мы сделаем упругость больше предельной, то пары, начиная пересыщать пространство, собираются в жидкие частицы и оседают (конденсируются), соединяясь с жидкостью до тех пор, пока не останется столько пара, что он как раз насыщает пространство при данной температуре. Состояния пара ненасыщающего и перенасыщающего — состояния неустойчивые, стремящиеся перейти при посредстве И. или конденсации в состояние пара, насыщающее пространство. Воздух заключает всегда некоторое количество водяных паров, и относительное количество их определяется понятием о влажности (см.). В сыром помещении, т. е. таком, в котором водяные пары насыщают пространство, вода, выставленная в открытом сосуде, не будет вовсе испаряться, между тем как в сухом воздухе вода будет испаряться, пока его не насытит. Если мы внезапно охладим воздух, то водные пары, насыщавшие его раньше, будут его перенасыщать и осядут в виде росы; наоборот, если мы нагреем воздух насыщенный парами, то возобновим в нем испарение. Стремление к И. растет с t°, причем растет и упругость паров, насыщающих пространство; температура кипения наступает тогда, когда упругость паров достигнет упругости газа, окружающего жидкость. Температура кипения зависит от давления окружающего газа и тем выше, чем больше давление. И. — явление, неразрывно связанное с существованием жидкостей, и потому играет весьма важную роль в природе и в промышленности. Изучение его привело к ряду данных о скорости И. и о явлениях, его сопровождающих, данных весьма противоречивых и до сих пор еще не объединенных и даже не вполне ясных. Скорость И., т. е. время, потребное на И. единицы веса тела (напр. грамма) с единицы поверхности (напр. кв. стм.), зависит: 1) от поверхности жидкости и легкости удаления из нее диффундирующего пара, т. е. от размеров и формы сосуда, в котором находится жидкость; 2) от природы внешней среды и ее движения или покоя; 3) от t° жидкости; 4) от внешнего давления; 5) от природы жидкости; 6) от природы поверхности, с которой происходит И., и 7) от некоторых других причин, напр. электризации жидкости.
1) Влияние формы и размеров сосуда на И. Влияние это слагается из: а) влияния величины поверхности, b) влияния формы сосуда на легкость удаления паров посредством диффузии. Долго полагали, что количество испарившейся жидкости пропорционально ее поверхности. Дальтон, давший в 1803 г. для количества P испаряющейся в единицу времени жидкости формулу:
|
|
(1) |
где S — поверхность сосуда, F — предельная упругость при данной темпер., f — упругость пара в окружающей среде, H — барометрическое давление, а А — коэффициент, зависящий от природы жидкости, нашел это предположение справедливым для не слишком малых поверхностей. Убеждение в справедливости этого соотношения держалось до последнего времени, хотя уже Рейшауер (1861 г.) и позже Фризиани (1876 г.) показали, что это не так. Из 4-х сосудов Рейшауера, поверхности которых были в отношении 1:2,78:5,50:19,05, испарились количества воды в отношении 1:2,6:4,48:12,66. У Фризиани с двух поверхностей с отношением 1:4 испарились количества в отношении 1:2,73. Позже в 1882 г. Стефан теоретически вывел формулы для скорости И. из круговых и эллиптических сосудов, из которых видно, что И. пропорционально радиусу, а не поверхности сосудов. Формула Стефана:
|
|
(2) |
где K — коэффициент диффузии пара в окружающей среде, а r — радиус сосуда, проверена была им самим и найдена верной для кругов и не слишком растянутых эллипсов; к тому же результату о пропорциональности И. окружности, а не поверхности пришел и Б. И. Срезневский («Журн. Русск. физико-химического общества», XIV и XV), исследуя И. капель с помощью эвапориметра Ф. Ф. Петрушевского. В 1885 г. Гудайль предложил новый закон, который гласит, что И. пропорционально величине некоторой фиктивной «поверхности И.», которая получится, если мы построим поверхность, соединяющую все точки среды, окружающей жидкость, в которых упругость паров еще насыщает пространство. Нужно полагать, что предположение Гудайля правильно и что неправильности формул Дальтона и Стефана происходят от влияний краев сосуда на истечение и диффузию пара. Влияние трудности диффузии на скорость И. заметно даже в широких сосудах. Стефан (1882 г.) теоретически показал, что в круглом сосуде радиуса r на расстоянии а от центра вследствие большей трудности диффузии испарится меньше, чем у краев, а именно:
|
|
(3) |
где P — все количество испарившейся жидкости. Опыты Винкельмана (1888 г.) вполне подтвердили формулу Стефана. Влиянию различной легкости диффузии следует также приписать разности в И. из равновеликих сосудов разных форм. Фризиани (1876 г.), испаряя воду с 5 равных поверхностей формы круга, шести-, пяти-, четырех— и треугольника, получил относительные количества 1:1,03:1,02:1,03:1,12. И. из тонких капиллярных трубок следует приведенным выше законам, только пока уровень жидкости не опустится в трубке; тогда, как показал Стефан (1874 г.), испарение следует законам: 1) И. обратно пропорционально расстоянию уровня от края трубки, 2) скорость И. не зависит от диаметра. Опыты Гульелмо (1882 г.) и Винкельмана (1884 г.) подтвердили в общем положения Стефана, но Винкельман показал, что эти законы лишь приблизительны и изменяются, смотря по обстоятельствам (состав жидкости, температура, давление и т. д.).
2) Влияние природы внешней среды и ее движений. Природа внешней среды влияет постольку, поскольку меняется коэффициент диффузии пара с изменением ее. В 1876 г. Кирхман показал, что камфара, легко улетучивающаяся и возгоняющаяся в воздухе, вовсе не улетучивается при тех же условиях в углекислоте и, как позже показал де Гин (1891 г.), — в водороде. По опытам Кирхмана, углекислота плохая испарительная среда для терпенов, хлороформа и сернистого углерода и, наоборот, хорошая для эфира, алкоголей и воды. Струя углекислоты, пропущенная над смесью спирта с эфиром, быстро испаряет эфир, извлекает воду из эфирных масел и т. д. В 1877 г. Баумгартнер нашел для эфира, сернистого углерода, хлороформа и алкоголя приблизительно следующие отношения скоростей И. в воздухе, углекислоте, водороде и светильном газе:
| Воздух | Углекислота | Светильный газ | Водород |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,80 | 1,60 | 3,50 |
Почти те же величины получил и Гульельмо (1881 г.), исследовавший тот же вопрос. Отсюда Баумгартнер заключил, что скорость И. обратно пропорциональна корням квадратным из плотностей газов (отн. плотностей 1:1,5:0,45:0,069, обратно отн. корня из плотностей 1:0,82:1,5:3,85). Винкельман, исследуя И. гомологич. эфиров в воздухе, углекислоте и водороде, нашел этот закон лишь приблизительно верным. По де Гину (1890 г.), И. зависит и от внутреннего трения газовой среды и скорость И. тем больше, чем больше коэффициент внутреннего трения [1]. Движения газовой среды, окружающей жидкость, сильно способствуют быстроте И. Влияние их заключается в удалении газа, уже насыщенного парами, и в ускорении процесса диффузии. Сильное влияние ветра на быстроту было известно уже давно. Гудайль (1885 г.) наблюдал, что ветер со скоростью всего 0,25 м в секунду увеличивает И. почти в три раза. Подробнее исследовал вопрос де Гин (1891 г.); он нашел, что вначале скорость И. растет весьма быстро с увеличением скорости воздушного потока, при больших же скоростях все медленнее и медленнее; для средних скоростей скорость И. пропорциональна корню квадратному из скорости воздушного потока.
3) Влияние температуры. Повышение температуры жидкости и окружающей среды влияет двояко на увеличение скорости И.: 1) повышая упругость пара жидкости и 2) облегчая диффузию паров. С повышением t° быстро растет упругость паров, насыщающих пространство, как видно из следующего:
| Т = | -20° | 0 | +20° | +50° | +100° | +200° |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Вода | 0,93 мм | 4,6 | 17,4 | 92,0 | 760 | 11689 |
| Эфир | 68,9 мм | 188,4 | 432,8 | 1264 | 4953 | — |
| Спирт | 33,4 мм | 12,7 | 44,5 | 219,9 | 1698 | — |
| Ртуть | — | 0,0002 | 0,0013 | 0,013 | 0,285 | 18,25 |
| Жидк. углекислота | 27 атм. | 35 атм. | 58 атм. | — | — | — |
| Жидкий аммиак | 1,8 атм. | 4,2 атм. | 20 атм. | — | — | — |
Камфара: при T = 41°.. . 1,7 мм; при Т = 101°.. . 27,2 мм; при Т = 160°.. . 240,7 мм (по Рамзею и Юнгу).
По Дальтону (1803), скорость И. растет пропорционально разности (F — f). Де Гин (1892), работавший на 89 лет позже, пришел к аналогичной формуле:
|
|
(4) |
где А — постоянная, a v скорость течения воздуха. Стефан (1874) поверил опытами свою формулу (форм. 2) и нашел ее согласной с действительностью; по-видимому она, хотя и выведена из теоретических оснований, ближе выражает истину, чем формула Дальтона и де Гина. Когда в этой формуле F =H, то наступает неограниченное И., т. е. кипение [2].
Повышение температуры облегчает диффузию паров и увеличивает поэтому скорость И.; это предсказал Стефан и подтвердил опытами Винкельман (1884). Последний показал, что при высоких температурах И. в капиллярных трубках вследствие легкости диффузии не следует второму закону Стефана (см. выше); де Гин (1891) показал, что даже одно нагревание внешней газовой среды благодаря облегчению диффузии ускоряет И. Жерне (1874—1876), исследуя И. перегретых выше точки кипения жидкостей, получил результаты, к которым не приложимы ни законы Дальтона, ни Стефана, очевидно вследствие сильного выделения пара и быстрого его удаления во внешнюю среду.
4) Влияние внешнего давления и паров, заключающихся во внешней среде. По формуле Дальтона (форм. 1), И. обратно пропорционально барометрическому давлению. Гудайль (1885), проверяя эту формулу, нашел ее достаточно точной при спокойном воздухе, Винкельман же (1888) убедился, что формула Стефана ближе выражает истину; опыты с водой при внешних давлениях от 50—760 мм дали разницы с формулой Стефана лишь в 1,5%, а с формулой Дальтона — до 12%. Влияние влажности внешнего воздуха на скорость И. воды исследовал непосредственно только де Гин (1891). Он пропускал (при Т = 20°) над испарителем струю воздуха разной влажности от 0% до 100% и получил при этом следующие относительные количества испарившейся воды:
| Влажность | И. | Влажность | И. |
|---|---|---|---|
| 0 | 103,8 | 60,0 | 46,5 |
| 7,7 | 89,1 | 62,4 | 41,8 |
| 14,3 | 83,7 | 100,0 | 9,0 |
Интересен факт, что и насыщенный парами воздух увлекал еще водяные пары, хотя, вероятнее всего, это увлечение было чисто механическое.
5) Влияние природы вещества. Различные вещества, обладая различной упругостью пара и различными коэффициентами диффузии их паров, обладают при тех же условиях различной скоростью И. Так, при Т = 20° Ц. имеют упругости пара:
| Алкоголь | 44 мм |
| Амил. спирт | 2,77 мм |
| Метил. спирт | 88,67 мм |
| Пропил спирт | 15,2 мм |
| Изобутил. спирт | 8,6 мм |
| Изоамил. спирт | 2,3 мм |
| Уксусн. кислота | 11,73 мм |
| Муравьиная кислота | 31,4 мм |
| Хлороформ | 160,5 мм |
| Бензол | 75,65 мм |
| Этил. эфир | 433 мм |
| Серн. углерод | 91 мм |
| Ртуть | 0,0013 мм |
| Жидкая углекислота | 58,8 атм. |
| Жидкий аммиак | 8,2 атм. |
Коэффициенты диффузии в воздухе при 0°:
| Эфир | 0,0775 |
| Алкоголь | 0,1016 |
| Сернистый углерод | 0,0883 |
Неоднократно пытались, не входя в эти особенности каждого вещества, определить зависимость между молекулярными весами веществ и скоростью их И. Де Гин (1883) нашел, изучая И. эфиров жирных кислот, что «молекулярная летучесть» их, т. е. частное от убыли в весе в единицу времени, деленное на молекулярный вес, образует геометрическую прогрессию с определенным знаменателем для каждого ряда веществ (знаменатель приблизительно = 3). Аналогичные законы нашли Винкельман (в равные времена испаряются равные веса) и Спербе (1887). Позже, в 1891 г., де Гин думал найти новую законность — именно что количества испарившихся веществ caeteris paribus относятся как произведения упругости пара на молекулярный вес. Ближе к истине подходит простой закон, найденный и проверенный на большом количестве веществ Шаллем и Коссаковским (1891), именно: времена, в которые испаряются равные веса жидкостей (кроме воды и некоторых спиртов), обратно пропорциональны молекулярным весам, т. е.
|
|
(5) |
или произведение времени И. (Z) на молекулярный вес (m) и упругость пара (p), разделенное на плотность (s), есть величина постоянная, близкая к единице. Эта величина для
| Сернистого углерода | 1 |
| Эфира | 0,99 |
| Хлороформа | 1,007 |
| Ацетона | 0,954 |
И. растворов солей идет медленнее И. одного растворителя, так как упругость паров раствора тем меньше упругости паров растворителя, чем больше соли в растворе. Так, по Вюльнеру упругости водных растворов едкого кали (KOH) при 20° Ц. следующие:
| Процент KOH | 9,1% | 16,7% | 28,6% | 32,9% |
| Упругость пара | 16,4 мм | 15,20 | 12,4 | 10,45 |
между тем как для воды при 20° Ц. упругость равна 17,4 мм. Лаваль (1885), исследовавший в обширной работе различные вопросы И., нашел для И. растворов зависимость:
|
|
(6) |
где е — количество испарившегося раствора, Е — количество воды, испарившейся при тех же условиях в то же время, s отношение количества соли в растворе к тому, которое насыщало бы раствор при этой температуре, К — коэффициент, величина которого для:
| Углекислого кали | 0,80 |
| Углекислого натра | 0,83 |
| Поваренной соли | 0,49 |
| Хлористого калия | 0,47 |
и т. д.
Величина К приблизительно равна для всех температур. И. смесей легко испаряющихся жидкостей подчиняется весьма сложным законам. Планк (1888) показал теоретически, что состав пара этих смесей в процентном отношении другой, чем состав смеси; Коновалов (1881) и Винкельман (1890) подтвердили это на опыте. Напр. пар 6,1% раствора изобутилового спирта в воде имеет состав пара: 66% спирта и 34% воды. Вот, по Лавалю, результат двух опытов над И. спирта с водой:
| Алког. градус. |
И. смеси | И. спирта в смеси |
И. воды в смеси |
И. чистого спирта |
И. чистой воды |
|---|---|---|---|---|---|
| 43,5 | 0,45 | 0,36 | 0,09 | 0,58 | 0,29 |
| 14,2 | 1,04 | 0,797 | 0,243 | 1,69 | 0,36 |
Растворение газов в воде (CO2, NH3) замедляет, по Лавалю, ее И., содержание в ней мелких подвешенных в ней тел (мел и т. д.) ускоряет И.
6) Влияние природы поверхности, с которой происходит И. Опыты Виоли (1873), Фризиани (1877), де Гина и других показали, что И. происходит быстрее со смоченной поверхности, впитывающей жидкость (напр. пропускная бумага), чем со свободной поверхности ее. Лаваль (1885) показал, что это справедливо не для всех поверхностей и не для всех жидкостей. Весьма важный в геофизическом отношении вопрос об И. воды из земли исследован был Габерландтом (1881) и Бателли (1891). Результаты этих исследований дали: 1) И. с сырой земли при возрастающей температуре больше И. с равной свободной поверхности воды, при падающей температуре — меньше; 2) с увеличением скорости ветра скорость И. со свободной поверхности растет быстрее, чем И. с земли; 3) чем больше влажность воздуха, тем больше отношение И. с земли к И. со свободной поверхности; 4) отношение это растет при возрастающей температуре и падает при убывающей.
7) Другие влияния. Электризация жидкости, по опытам Маскара (1876), увеличивает скорость И. иногда в 2—3 раза; увеличение скорости зависит, очевидно, от ускорения диффузии, так как, по теоретическим выводам Бути и И. И. Томсона, электризация поверхности жидкости уменьшает, правда, весьма, незначительно, упругость пара над ней.
Вопросы о скорости И. имеют весьма важное значение как для изучения природы, так и в промышленности (перегонка, устройство паровых котлов и т. д.).
Испарение твердых тел представляет некоторые особенности. Весьма часто кажущееся испарение их есть диссоциация вещества, напр. распадение нашатыря на аммиак и хлористоводородный газ. Диссоциация имеет тоже предельную упругость, при которой в замкнутом сосуде прекращается, и в этом отношении представляет много аналогии с И. Особенность, отличающая ее от И., состоит в том, что она сопровождается разложением вещества. Есть случаи, когда трудно разграничить И. и диссоциацию, именно тогда, когда вещества (напр. фосфор, йодистая ртуть) возгоняются в двух разных видах [желтая и красная йодистая ртуть (Франкенгейм), аморфный или кристаллический мышьяк (Гитторф) и т. д.]. Разница в видах обусловливается обыкновенно температурой возгонки; у аморфных видов упругость паров больше, чем у кристаллических, и поэтому они возгоняются раньше и быстрее последних. Так (Энгель, 1883), кристаллический мышьяк возгоняется только при 360° в пустоте, а аморфный уже при 260°.
Выветривание (см.) кристаллов представляет И. кристаллической воды их. Дебре (1868) показал, что и выветривание имеет предельную упругость, по достижении которой в замкнутом сосуде прекращается. Видеман (1874) и Мюллер-Ерцбах (1884) подтвердили данные Дебре и тождество выветривания с испарением. Распыление металлов в пустоте при накаливании током и распыление их при освещении, недавно (1890) наблюденное Ленардом и Вольфом, не причисляются обыкновенно к явлениям И., хотя все опытные данные указывают на то, что нет никаких причин делать это различие.
Если вещество может существовать при той же t° в двух видах — твердом и жидком, как напр., вода, то, как показали В. Томсон и Кирхгоф, ниже температуры плавления упругость паров жидкости будет больше упругости паров твердого тела при той же температуре; при температуре плавления упругости паров твердого и жидкого тела равны. Поэтому переохлажденная вода испаряется быстрее льда, а при 0° И. льда и воды идет одинаково быстро. По опытам Фишера, разница в упругости паров льда и воды при -10 градусах равна 0,28 мм ртутного столба, при — 5°.. . 0,18 мм, при -1°.. . 0,03 мм, а при 0° этой разницы, как и предвидит теория, нет.
Явления, сопровождающие испарение. И. веществ сопровождается рядом связанных с ним явлений, именно: 1) поглощением тепла, 2) электризацией, 3) увеличением растворенных в жидкости веществ вместе с парами.
1) Тепло, поглощаемое при испарении, называется скрытой теплотой парообразования и состоит из суммы двух частей: одна часть тепла идет на внешнюю работу, потребную для расширения вещества из объема жидкости в объем пара (внешняя скрытая теплота), другая уходит на само изменение состояния, т. е. на преодоление противодействующих И. сил сцепления (внутренняя скрытая теплота). С увеличением температуры первая величина увеличивается, вторая — уменьшается, и сумма обеих величин при этом уменьшается. Величины скрытых теплот для разных температур воды в калориях (единицы теплоты) следующие (по Цейнеру):
| Темпер. по Ц. |
Внешн. скр. тепл. |
Внутр. скр. тепл. |
Скрыт. тепл. |
|---|---|---|---|
| 0 | 31,07 | 575,43 | 606,50 |
| 20 | 32,75 | 559,83 | 592,58 |
| 50 | 35,54 | 536,12 | 571,66 |
| 100 | 40,20 | 496,29 | 536,49 |
Скрытая теплота парообразования у различных веществ весьма различна, у воды около 550—600 калорий, у хлороформа.. . 67, у эфира.. . 93, у жидкой углекислоты.. . 57, у жидкого аммиака.. . 294. Были попытки найти зависимость между скрытой теплотой парообразования и другими постоянными у разных веществ. Довольно близок к истине закон Троутона (1884):
|
|
(7) |
т. е. произведение молекулярного веса (М) на теплоту парообразования (r), деленное на абсолютную температуру кипения (T) [3], есть величина постоянная (около 23—26). Тепло, поглощающееся при И., отнимается от испаряющегося вещества и окружающей среды и производит охлаждение. Это охлаждение может при быстром И. достигнуть весьма сильной степени, и потому охлаждение посредством И. часто применяется в обыденной жизни и промышленности. И. эфира, жидкого аммиака или др. веществ замораживают воду в особых холодильных машинах и добывают лед, И. воды охлаждают ее самое (см. соотв. статью). Испарением жидкой углекислоты, жидкого воздуха и других сжиженных газов (см.) можно достигнуть наиболее низких известных температур (до -200° Ц.).
2) Раньше предполагали, что электризование сосуда и жидкости, сопровождающее обыкновенно всякое быстрое И. жидкости, есть явление, имеющее органическую связь с И. (Гоген, Рике). Опыты Блэка и Калишера показали, однако, что электризация зависит исключительно от трения паров о стенки сосуда, и доказали также неправильность взглядов Пальмиери (1861), полагавшего, что конденсация жидкостей сопровождается электризацией. Электризация при И. достигает иногда весьма сильной степени. При выходе паров из железной бутыли с жидкой углекислотой бутыль электризуется до того сильно, что из нее скачут длинные искры (см. также Гидроэлектрическая машина Армстронга).
3) При И. жидкостей увлекаются парами частицы растворенных в жидкости веществ. Маргерит-Делашарлонни (1886) наблюдал эти явления и нашел их даже при низких температурах и довольно слабых растворах.
Теории И. Существуют две теории И. Одна, чисто механическая, создана Клаузиусом и разработана Стефаном, Ван дер Ваальсом и другими. Клаузиус следующими словами излагает свой взгляд на механизм И.: «если мы станем рассматривать поверхность жидкости, то я принимаю, что при весьма большом разнообразии в движениях молекул может иногда произойти, что случайное благоприятное совпадение поступательного, колебательного и вращательного движений оторвет молекулу от соседних к ней молекул с такой силой, что еще раньше, чем влекущие ее назад силы лишат ее ее скорости, она уже выйдет из сферы действия их и улетит дальше в пространство, находящееся над жидкостью». «Если мы представим себе, что это пространство ограничено и в начале пустое, то мало-помалу оно все более и более наполняется этими оторванными молекулами. Эти молекулы действуют в пространстве так же, как газ, т. е. ударяют при своем движении в стенки. Одну из таких стенок образует сама жидкость; но если о нее ударится молекула, то не отскочит тотчас, но удержится притяжением, которое испытывает от других молекул при приближении к ним, и присоединится к жидкости. Состояние равновесия наступит, очевидно, тогда, когда в пространстве над жидкостью будет столько молекул, что средним числом в единицу времени столько же молекул ударятся о поверхность жидкости и удержатся ею, сколько молекул от нее оторвется в пространство. Наступившее таким образом состояние равновесия не есть состояние покоя, в котором бы И. совершенно прекратилось, но состояние, в котором непрерывно происходят одинаково сильные, а следовательно, и уравновешивающие друг друга испарение и оседание. При испарении происходит совершенное отделение некоторых молекул от остальной массы, что требует преодоления противодействующих сил, а следовательно, и потерю тепла. Это и объясняет исчезновение так назыв. скрытой теплоты парообразования».
По вычислениям Стефана, пути, скорости и размеры частиц паров различных жидкостей приблизительно следующие (при 0°):
| Скорости в см в секунду |
Путь x 108 см | Диам. x 109 см | |
|---|---|---|---|
| Эфир | 30310 | 220 | 76 |
| Спирт | 38290 | 330 | 52 |
| Хлороформ | 23810 | 240 | 80 |
Другая теория (Рамзей и Юнг, Леман и др.) предполагает, что молекулы жидкости суть комплексы газовых молекул, что при нагревании часть комплексов разлагается, часть газовых молекул уходит в пространство, другая же часть остается в жидкости. Равновесие наступает, когда число входящих в жидкость и выходящих из нее газовых молекул одинаково. Вопрос о том, существует ли граница испарения, т. е. температура, при которой упругость пара равна нулю, не решен. Дюринг предполагает ее существование; Винкельман и Дюринг полагают, что она для воды лежит при -100° Ц. Демарсэ опытно искал этой температуры для металлов и нашел для кадмия 160°, для цинка 184°, для висмута 292°, для свинца и олова 360°. Эти температуры дают лишь границы, при которых И. еще заметно, но не дают в действительности границы И. Вопрос этот пока не решен; по теории Клаузиуса, граница И. наступит, когда живая сила частицы не будет в состояния вывести ее из сферы действия соседних частиц. Причина, по которой некоторые вещества легко испаряются, лишь когда переходят из жидкого состояния в газообразное, другие же способны прямо переходить из твердого состояния в пары, лежит не в особенностях природы этих веществ, как полагали раньше, а лишь в условиях температуры и давления, в которых они находятся. Оствальд объяснил эти явления, указав на то, что всякое вещество, могущее переходить из жидкого состояния в твердое, можно посредством уменьшения давления сделать нерасплавляющимся, и наоборот, сделать посредством увеличения давления плавкими такие вещества, которые обыкновенно переходят прямо из твердого состояния в газообразное. Температура плавления мало зависит от давления, температура кипения, наоборот, весьма сильно; поэтому уменьшением давления можно достигнуть того, что падение температуры кипения перегонит падение температуры затвердевания и тогда тело может сильно испаряться и кипеть ниже температуры своего плавления. При этих условиях вся теплота, которую мы приложим к веществу, будет тратиться на его И., и вещество, сколько бы мы его не нагревали, не достигнет точки плавления. Таким образом, свойства всех веществ можно сделать, в общем, близкоравными и аналогичными, если только поставить их в соответствующие им условия температуры и давления.
Испарение (физико-географ. и метеорол.). Значение И. как фактора климата и особенно его роль в круговороте воды на земном шаре вполне оправдывают попытки введения его в круг метеорологических наблюдений. Но выше уже было указано, как трудно получить сравнимые между собой данные. Следующая таблица показывает это еще яснее. Опыты были сделаны в Страфильде, Тергиссе, в Англии, причем испаритель II имел диам. 8 дм. и был помещен в тени, остальные на солнце; испаритель IV имел поверхность 36 кв. фт. (3,33 м2), глубина воды в нем 0,55 м и он был врыт в землю; VI и XIV имели диаметр 5 дм.: первый был помещен на 4 дм., второй на 1 фт. над землей. За 6 месяцев (апрель — сентябрь) теплого и сухого 1870 г. И. в мм:
| II | 307 | За 6 самых теплых дней 1870 г. средняя темпер. воды в испарителях (t) — и И. (Е), причем И. из сосуда IV принято за 100 |
| IV | 458 | |
| VI | 916 | |
| XIV | 1035 |
| IV | t 21,7 |
E 100 |
|---|---|---|
| Малые сосуды глиняные и войлочные | 24,7 до 26,6 | 156 |
| Малые сосуды металлические на 1 фт. над землей | 29,3 до 29,8 | 220 |
Здесь ясно видно влияние затенения (II сравнительно с остальными), величины сосуда (IV сравнительно с другими на солнце), высоты над поверхностью (VI и XIV) и даже материала сосуда: в менее теплоемких и более теплопроводящих металлических вода более нагревается на солнце, а потому и И. больше. Большая часть наблюдений в России сделана посредством весового эвапориметра Вильда, небольшого сосуда, помещенного в тени, в термометрической клетке (см. Температура воздуха); но и при таких условиях получаются очень различные величины, как показывает след. пример двух близких мест.
Е — среднее суточное И. в мм, t средняя t°, е′/е — относительная влажность, W — сила ветра в метрах в секунду.
| E | t | e′/e | W | E | t | e′/e | W | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Василевичи | Пинск | |||||||
| июнь 1879 | 4,2 | 18,9 | 68 | 2,3 | 2,0 | 19,5 | 67 | 2,4 |
| август 1879 | 2,5 | 16,3 | 82 | 2,2 | 1,4 | 17,4 | 79 | 3,4 |
Казалось бы, по всем условиям следовало бы ожидать И. несколько большего в Пинске, чем в Василевичах, так как в первом температура выше, относительная влажность меньше и даже ветер сильнее. Обратный результат объясняется тем, что в Пинске наблюдения производились в саду с густой растительностью и сила ветра измерялась на значительной высоте над землей, где она гораздо больше, чем у поверхности. Той же причиной, т. е. уменьшением силы ветра лесной растительностью, нужно объяснить гораздо меньшее И. в лесу сравнительно с полем. Достаточно привести след. пример. В Баварии производились наблюдения в лесу и близ леса при совершенно одинаковых прочих условиях, те и другие в тени. И. за 7 теплых месяцев апрель — октябрь, в мм (кроме И. воды, наблюдалось еще И. насыщенной водой почвы):
| Вода | Почва | Почва, покрыт. сухими листьями | |
|---|---|---|---|
| Вне леса | 377 | 408 | |
| В лесу | 158 | 159 | 62 |
| Отношение : 100 | 239 | 257 | 658 |
т. е. в лесу с поверхности воды и почвы, насыщенной водой, но не покрытой сухими листьями, испаряется в 2½ раза менее, чем вне леса, а с почвы, покрытой сухими листьями, в 6½ раз менее. Весьма небольшой разностью температуры и относительной влажности в лесу и вне леса этих больших различий И. объяснить нельзя. То обстоятельство, что часто не обращали внимания на влияние величины сосуда и его установки на И., повело к неверным выводам относительно величины И. на земном шаре. Так, у Мори («Физическая география моря») встречается утверждение, что с поверхности океана у экватора испаряется в год 15 англ. ф., т. е. около 4500 мм. Очевидно, от непродолжительных наблюдений над И. малыми сосудами на солнце, на берегу, поторопились заключить об И. с поверхности океана, забывая влияние его размера, вследствие чего и температура поверхности не может быть особенно высока, причем влажность воздуха над океаном также умеряет И. Не только с поверхности океанов, но и с меньших водоемов теплых стран далеко не испаряется такое количество воды. Так, наблюдения на запруде Амти близ Нагпура, в центральных провинциях Индии, дали за 6 сухих месяцев (декабрь — май) 1155 мм, т. е. в среднем за сутки 6,3, а в самом теплом и сухом месяце — мае — 9,4. В этот месяц средняя температура воздуха на 6° выше, a влажность с лишком на 40% меньше, чем на океанах под экватором. Сопоставляем данные об И. за месяц наибольшего И.; (т) означает, что испаритель помещен в тени; средняя за сутки в мм; В — наблюдения по весовому испарителю Вильда.
| Водоем Амти | 9,4 | Нагпур, Индия, май | |
| В | на р. Кук-Узяк | 6,7 | Средняя Азия, Нукус, июль, 1875 г. |
| на земле | 12,0 | ||
| на выс. 1 1/2 м | 16,3 | ||
| (т.) в клетке | 10,4 | ||
| Водоем3 м в диам. 0,8 глуб. воды |
2,6 | Париж, Bureau Central, июнь | |
| II | 2,7 | Страфильд, Тёргисс, Англия, июль, 1870 г. | |
| IV | 3,9 | ||
| VI | 7,9 | ||
| XIV | 8,4 | ||
| Пруд | 3,5 | Павловск, июнь, 1881, 82 г. | |
| В (т.) | 2,5 | ||
| Пруд | 3,6 | Лесной институт, июль и август, 1893 г. | |
| В (т.) | 1,2 | ||
Очень важно не терять из виду различия между возможным И. или испаряемостью, иначе сказать, И. как фактором климата и действительным И. На морях то и другое возрастает параллельно, по мере повышения температуры воздуха и поверхности моря и уменьшения относительной влажности. То и другое вообще увеличивается от зимы к лету и уменьшается от лета к зиме. Причина параллельного хода обоих явлений та, что всегда имеется материал для И. — морская вода. На материках и островах дело происходит несколько иначе; здесь 4 среды участвуют в И. 1) снег и лед, 2) внутренние воды, 3) почва и вообще поверхность суши, 4) растения. Если запас влаги в виде осадков достаточен, то и здесь возможное и действительное И. возрастает и уменьшается одновременно и различие между зимой и летом больше, чем на море, как потому, что температура еще более разнится на материках, чем на океане, так и потому, что лето при этих условиях — время деятельности растительности и И. растений — в значительной степени явление физиологическое. Но совсем иное происходит там, где недостает осадков. Там, по мере того как возрастает температура, действительное И. отстает от возможного. Последнее особенно велико вследствие сухости воздуха, первое же мало по след. причинам: 1) по мере увеличения температуры и сухости воздуха все уменьшается площадь внутренних вод: реки, разливавшиеся во время половодья, входят в берега, суживаются, а при большой сухости превращаются в ряд плесов, связанных подземными водотоками, наконец высыхают; озера тоже уменьшаются и наконец высыхают; 2) с поверхности почвы и вообще суши также испаряется все менее и менее воды, в проницаемых почвах она сохраняется лишь на больших глубинах, а глинистые почвы упорно удерживают остатки влаги; 3) по мере увеличения сухости воздуха и почвы растительность замирает, испаряя все менее воды. Там, где сухость воздуха при высокой температуре — явление обычное, растения приспособились к ней, и их организация такова, что они испаряют возможно мало влаги (см. География растений). Страны с наиболее теплым и сухим летом, напр. Сахара, имеют, вероятно, наименьшее действительное И., так как нечему испаряться: поверхность почвы суха, внутренних вод и растительности нет. Запас водяных паров в воздухе происходит не от И. на месте, а приносится извне ветрами и диффузией. Вместе с тем возможное И. очень велико. Но стоит выпасть обильному дождю, как условия резко изменяются: испаряет и влажная почва, и внутренние воды (озера, лужи), и растительность, быстро появляющаяся за одним или несколькими дождями; в то же время возможное испарение уменьшается вследствие понижения температуры и увеличения относительной влажности. Наибольшее действительное испарение происходит там, где высокая температура сопровождается обильными осадками и где притом дожди чередуются с солнечным освещением. Это бывает во многих тропических странах в дождливое время года (обыкновенно в летние месяцы). То же и в некоторых странах средних широт, где лето и тепло, и вместе с тем дождливо, напр. в юго-зап. Закавказье, на Ю.В., Соединенных Штатах, Японии, Китае. Эти страны отличаются роскошной растительностью, которая зависит от соединения тепла и влаги и, в свою очередь, способствует обильному испарению. При таких условиях с данной поверхности материка испаряется, конечно, более воды, чем с такой же поверхности самого теплого океана.
Испарение воды растениями. — С поверхности всех воздушных частей растения постоянно выделяется в атмосферу водяной пар. Известно, что растение, лишенное поливки, быстро завядает. Увядание есть следствие потери воды через И. Для более или менее точного определения количества испаряемой растением воды существует несколько способов. I способ. Определяют количество испаряемой воды из потери в весе прибора с растением. Способ этот впервые был употреблен Гельзом (Hales) еще в начале прошлого столетия. Горшок с растением помещают в цинковый сосуд с герметически закрывающейся крышкой. В крышке три отверстия: через одно проходит стебель растения (остающейся промежуток тщательно заливают воском), в два других вставлены стеклянные трубочки, из коих одна служит для поливки почвы, а другая, вытянутая в капилляр, — для сообщения воздуха прибора с наружной атмосферой. Путем последовательных взвешиваний определяют потерю в весе прибора с растением (потеря зависит исключительно от И. воды растением). Поставив прибор на самопишущие весы (эвапориметр Ришара), получаем непрерывную запись хода И. из часа в час в течение целой недели. — II способ. Определяют количество поглощенной растением воды и заключают отсюда о количестве испарившейся [4]. Для этой цели предложено несколько приборов, между прочими Колем (Kohl). Главная часть его прибора состоит из вертикальной, довольно широкой стеклянной трубки, наполненной водой и плотно закрытой сверху и снизу пробками. Сверху в трубку эту вводят корни испытуемого растения, а снизу сообщают ее с длинной капиллярной трубочкой, также наполненной водой. По мере того как растение испаряет воду, оно поглощает ее из прибора и водяной столбик в капиллярной трубочке укорачивается; определяя длину его, заключают о количестве всосанной и испарившейся воды. — III способ. Определяют одновременно количество поглощенной и выделенной в парообразном состоянии воды. Для этого пользуются прибором Веска (Vesque), состоящим из U-образной трубки, одно колено которой широкое, а другое — узкое. В широкое колено вводят растение, удерживаемое хорошо пригнанной каучуковой пробкой. Прибор наполняют водой. Взвешиваниями определяют количество испаряемой воды, а по перемещению воды в узком колене судят о количестве поглощенной воды. Количество испаряемой растением воды весьма значительно. За весь период вегетации (июнь — октябрь), по определениям Вольни (Vollny), испарили:
| Кукуруза | Овес | Горох | Горчица | |
|---|---|---|---|---|
| Фунтов воды | 27 | 17 | 10 | 12 |
Перечисляя эти данные на десятину, засеянную кукурузой, получим, что десятина кукурузы испаряет в продолжение всего периода вегетации, круглым счетом 200000 п., или 300000 вед. воды (Тимирязев). Сравнивая эти данные с урожаем, точнее — с количеством образовавшегося в тот же период сухого вещества, Вольни нашел, что на один грамм последнего приходятся следующие количества испарившейся воды: кукуруза — 233 гр., овес — 665 гр., горох — 416 гр., горчица — 843 гр. Для наших злаков можно принять в среднем (по Гельригелю), что на каждую весовую единицу сухого вещества они испаряют 300 единиц воды. Поверхность растения испаряет, однако, менее, нежели равная ей свободная поверхность воды, в среднем, по Унгеру, — в 3 раза менее, по Гартигу — разница еще больше. Вот данные сравнительных опытов Гартига:
| Поверхность воды в 1 кв. метр испаряла в 24 часа | 2000 куб. см воды. |
| Поверхность листьев бука в 1 кв. м испаряла в 24 часа | 210 куб. см воды. |
| Поверхность игл ели в 1 кв. метр испаряла в 24 часа | 200 куб. см воды. |
| Поверхность листьев дуба в 1 кв. м испаряла в 24 часа | 280 куб. см воды. |
При оценке опытов над И. воды растениями необходимо, однако, иметь в виду: производились ли они над целыми растениями, ветвями или отдельными листьями. По опытам Крутицкого, ветвь Cyssus antharcticus с 6 листьями испарила в сутки 10,8 куб. стм. воды; один лист Cyssus antharcticus испарил в сутки 10,6 куб. стм.; восьмилетняя ветвь Quercus sp. с 180 листьями испарила в сутки 28,8 куб. стм.; один лист Quercus sp. испарил в сутки 3,2 куб. стм.; отсюда ясно, что данные, полученные для отдельных отрезанных листьев, нельзя прямо перечислять на целые растения [5]. Энергия испарения находится в зависимости, прежде всего, — от породы растения: различные растения при совершенно одинаковых условиях испаряют весьма различное количество воды. Затем от возраста органа: листья испаряют всего сильнее в период распускания; по мере их развития И. сначала ослабевает, затем снова возрастает, достигает (в период окончательного развития устьиц) второго максимума, но меньшего, чем первый, и потом опять падает. Огромное также влияние на процесс И. оказывает внешняя форма растений и их внутренняя организация. Растениями выработан целый ряд разнообразных приспособлений, дающих им возможность регулировать И., а главным образом, защищаться от И. чрезмерного, грозящего гибелью (подробности об этом см. в соч. Кернера). Чем толще кутикула (надкожица), покрывающая растение, и чем более она пропитана воскообразными веществами [6], тем больше задерживает она И. Оттого листья многих теневых (лесных) растений, мягкие и нежные, с тонкой кутикулой, испаряют гораздо больше и вянут быстрее, нежели кожистые, покрытые толстой кутикулой листья так назыв. вечнозеленых растений. По той же причине многие кактусы, агавы, алоэ испаряют весьма мало и остаются мясистыми и сочными, несмотря на то, что растут в странах сухих и жарких. Над яблоком весьма легко произвести опыт, наглядно убеждающий в важности кутикулярного покрова для растения; стоит только яблоко лишить этого покрова, содрав с него кожицу, и оно быстро станет терять воду через И. и засохнет. Такую же защитную роль играет пробковая ткань, облекающая часто различные органы растений. Между прочим, тонким слоем пробки покрыты картофельные клубни. Если срезать этот слой, то с ними случится то же, что и с яблоком. Весьма распространенными, превосходно и притом совершенно автоматически действующими, регуляторами процесса И. являются так назыв. устьица растений. Их число и распределение различно в зависимости от потребностей растения. Они то открываются, давая выход водяным парам, то — когда растению грозит недостаток в воде — сами собой замыкаются, предохраняя его от убыточной потери воды. Большее число устьиц на нижней поверхности листа вместе с обширностью здесь межклеточных пространств обусловливают большую энергию И. нижней стороны листа в сравнении с верхней (в среднем отношение 2,4:1, но бывает и 4,3:1), что Гарро (Garreau) старался доказать и путем прямого опыта. На И. влияют еще и другие внутренние причины. Что касается зависимости И. воды от температуры окружающего воздуха, то установлено, что испарение возрастает с температурой, но вообще воздействие температуры мало расследовано. Гораздо лучше известно влияние света: именно — чем интенсивнее свет, тем сильнее И. Три молодых растеньица (кукурузы) весом в 1,6 гр. испарили воды в 1 час: на солнечном свете 198 мгр., на рассеянном дневном свете — 68 мгр., в темноте — 27 мгр. Значение имеет не только количество, но и качество света: наибольшее действие оказывают лучи синие и фиолетовые. Некоторые принимают, что на процесс И. воды растениями влияют те лучи, которые поглощаются хлорофиллом (зеленым веществом листа), следовательно, служащие также для разложения углекислоты. Что степень влажности окружающего воздуха имеет большое значение, понятно само собой, но не остаются без влияния и влажность и состав почвы. Наконец, и ветер, даже слабый сравнительно (напр. в опытах Визнера — 3 м в секунду), весьма заметно влияет, именно усиливает И. Несмотря на большое число исследований, посвященных изучению процесса И. воды растениями, окончательное суждение о нем и о его значении для растения еще не может быть дано. В то время как одни ученые (Сакс и его последователи) рассматривают И. «как сложнейшую функцию растений, в которой не только отражаются внешние влияния, но и все процессы, происходящие внутри растения» (Фаминцын), для других это — «процесс физический, подчиняющийся вполне определенным и понятным нам законам» и «в тех размерах, в каких он обыкновенно совершается в природе, он может быть скорее рассматриваем как неизбежное физическое зло, чем как необходимое физиологическое отправление» (Тимирязев). Ср. Фаминцын, «Обмен веществ и превращение энергии в растениях» (1883); Палладин, «Физиология растений» (1891); Тимирязев, «Земледелие и физиология растений. I. Борьба растения с засухой» (1893); Frank, «Lehrbuch der Botanik» (1 т., 1892); Van-Tieghem, «Traité de Botanique» (1 т., 1891); Kerner-von-Marilaun, «Pflanzenleben» (1 т., 1888).
Примечания
[править]- ↑ Наблюдения над И. и служат для определения коэффициентов диффузии.
- ↑ На упругость пара, а следовательно, и скорость И., кроме температуры, влияет еще, как показали лорд Кельвин (1870), Варбург, Гельмгольц (1875) и др., и величина поверхностного натяжения жидкости. И. должно идти быстрее с выпуклых поверхностей и медленнее с вогнутых. Но это влияние так незначительно, что для мениска в трубке в 0,001 мм диам. изменение упругости пара равно едва 0,1°.
- ↑ Абсолютная температура получается из температуры, выраженной в градусах Ц., прибавлением 273; напр. абс. темп. кипения воды = 100 + 273 = 373.
- ↑ Опыт показал, что можно принять без большой погрешности, что растение столько же испаряет воды, сколько поглощает.
- ↑ Именно такого рода ошибку сделали Унгер и Лооз и получили величину испарения огромную и совершенно не соответствующую истинной.
- ↑ Вещества эти делают кутикулу несмачиваемой и непроницаемой для воды, подобно непромокаемой ткани или клеенке.