2. Результаты экспериментов.

С целью проверки правильности формулы (831) были поставлены специальные опыты ^. Результаты опытов приведены на рис. 47-51.

Опыты выполнены со стеклянными цилиндрическими капиллярами различных диаметров, помещенными в эксикаторы. Постоянными поддерживаются относительная влажность , температура Т и давление р воздуха в эксикаторе. Относительная влажность устанавливается в пределах от 0 до 100% с помощью буферного раствора.

Рис. 47. Понижение уровня воды в капилляре со временем ( = 100%):

1 – диаметр капилляра d = 54 мкм; 2 – 69; 3 – 168; 4 – 450; 5 – 830;

6 – 1200; 7 – 1600.

Рис. 48. Зависимость скорости испарения от расстояния до мениска

(условия опытов и обозначения те же, что и на рис. 47).

Рис. 49. Влияние диаметра капилляра на начальную

скорость испарения воды ( = 100%).

Рис. 50. Зависимость обратного удельного потока массы

от заглубления мениска ( = 100%): 1 – диаметр капилляра

d = 1600 мкм; 2 – 1200; 3 – 830; 4 – 450; 5 – 168; 6 – 69; 7 – 54.

На рис. 47 представлены очень характерные кривые, соответствующие влажности  = 100%. Скорость понижения уровня воды в капилляре уменьшается с увеличением диаметра d и обращается в нуль, когда d становится равным диаметру ванны с буферным раствором (в данном случае водой).

О роли диаметра капилляра при испарении влаги можно судить по графику, изображенному на рис. 48. Из рис. 48 видно, что при любом данном заглублении мениска скорость испарения резко повышается с уменьшением диаметра d капилляра. Еще нагляднее эта зависимость представлена на рис. 49, где J_m0 есть скорость испарения, взятая для начального момента времени (t = 0, h = 0).

Рис. 51. Зависимость обратного удельного потока массы от заглубления

мениска (для кривых 1-4 влажность  = 100%, для кривой 5 -  = 0):

1 - d = 2,6 мм; 2 – 1,15; 3 –0,2; 4 – 0,12; 5 – для всех четырех диаметров.

Графики 50 и 51 характеризуют зависимость обратного потока массы от заглубления мениска для различных влажностей и диаметров капилляров. При  = 100% диаметр сильно сказывается на величине обратной скорости испарения, при  = 0 все диаметры дают практически одинаковую скорость испарения. Следует однако отметить, что в других сериях опытов при нулевой влажности наблюдалось заметное влияние диаметра на скорость испарения.

3. Обсуждение результатов.

Прежде всего отметим, что линейная зависимость (833) опытом не подтверждается. Из рис. 50 и 52 видно, что во всех случаях получается сложная кривая, даже отдаленно не напоминающая прямую линию. Она не проходит через начало координат, ибо для этого начальная скорость испарения должна быть равна бесконечности, что практически не реализуется.

Кроме того, из рисунков видно скорость испарения при относительной влажности окружающей среды  = 100% сильно зависит от диаметра d капилляра. С уменьшением d удельный поток J_m возрастает в десятки и сотни раз.

Таким образом, из экспериментов следует, что формула (831) неправильно отражает явление. Это объясняется тем, что физические посылки, положенные в основу ее вывода, не соответствуют действительным условиям испарения жидкости из капилляров. Фактические условия испарения определяются теорией термодинамической пары. В частности, не имеет физического смысла величина р_п, так как над поверхностью мениска происходит сложная циркуляция пара: он покидает пристеночную зону мениска (там давление пара выше) и конденсируется в осевой (где давление пара ниже). С уменьшением диаметра капилляра существенно возрастает относительная роль (площадь) пристеночной зоны мениска по сравнению с осевой. В результате с уменьшением d резко возрастает общая скорость испарения жидкости из капилляра, т.е. скорость переноса пара из капилляра на плоское зеркало ванны эксикатора. Если под насыщенным паром ( = 100%) понимать пар, находящийся над плоским зеркалом жидкости (парциальное давление этого пара обозначено через р_с), то над пристеночной поверхностью мениска жидкости в капилляре парциальное давление пара окажется много больше р_с.

Необходимо отметить, что явление термодинамической пары отражается не только на скорости испарения жидкости из капилляра, но также и на многих других характеристиках процесса. В частности, заметно изменяется (уменьшается) теплота парообразования.

Были поставлены специальные опыты, в которых сравниваются скорости испарения и температуры двух небольших объемов жидкости, заключенных в сосуде Дюара ^. В одном сосуде жидкость испаряется со свободной плоской поверхности, во втором – из капилляров. Во всех опытах отмечено более интенсивное испарение жидкости (вода, бензол, спирт и т.д.) из капилляров по сравнению со свободной поверхностью, причем теплота парообразования оказалась меньше в первом случае, чем во втором. Во всех опытах суммарные площади испарения, температура и давление (применялся вакуум) окружающей среды были одинаковыми для обоих сосудов. В качестве капилляров использовались шотовские фильтры, вата и т.д.