Испарение жидкостей
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Горение жидкостей характеризуется двумя взаимосвязанными явлениями – испарением и сгоранием паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Следовательно, горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией (окисление, переходящее в пламенное горение), но и физическими явлениями (испарение и образование над поверхностью жидкости паро-воздушной смеси), без которых горение невозможно.
Переход вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Различают две формы этого процесса: испарение и кипение. Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температуре ниже точки кипения жидкости (см. рис. 4.1). Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения молекул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаимодействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар. Кипение – это испарение не только с поверхности, но и из объема жидкости путем образования пузырьков пара во всем объеме и выделения их. Испарение наблюдается при любой температуре жидкости. Кипение происходит только при температуре, при которой давление насыщенного пара достигнет величины внешнего (атмосферного) давления.
За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс – конденсация. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.
Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Состоянию равновесия соответствует определенная для данной температуры концентрация пара. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью, называется давлением насыщенного пара.
Рис. 4.1. Схема испарения жидкости в: а) открытом сосуде, б) закрытом сосуде
Давление насыщенного пара (рн.п.) данной жидкости при неизменной температуре является величиной постоянной и неизменной для нее. Величина давления насыщенного пара определяется температурой жидкости: с ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается. Это обусловлено ростом кинетической энергии молекул жидкости с повышением температуры. При этом все большая доля молекул оказывается обладающей энергией, достаточной для перехода в пар.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
, (4.1)
или в интегральной форме:
, (4.2)
где рн.п. – давление насыщенного пара, Па;
DНисп – теплота испарения, то количество тепла, которое необходимо для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль;
Т – температура жидкости, К.
Концентрация насыщенного пара Снад поверхностью жидкости связана с его давлением соотношением:
. (4.3)
Из (4.1 и 4.2) следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально. В связи с этим при некоторой температуре над поверхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Эта температура называется нижним температурным пределом распространения пламени (НТРП).
Поэтому для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором концентрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKПРП £ jп £ ВКПРП.