Охолоджуюча наука: Випарне охолодження рідинами

Випарний науковий проект

"data-newsletterpromo_article-image =" https://static.sciachingamerican.com/sciam/cache/file/CF54EB21-65FD-4978-9EEF80245C772996_source.jpg "data-newsletterpromo_article-button-text =" Зареєструватися "data-newsletterpromo_art button-link = "https://www.sciachingamerican.com/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name = "articleBody" itemprop = "articleBody">

Ключові поняття
Фізика
Випаровування
Теплопередача
Температура

Вступ
Ви коли-небудь замислювались, чому ми пітніємо, коли наше середовище жарке або коли ми робимо фізичні вправи? Потовиділення - це рятівна стратегія, яка охолоджує тіло і підтримує температуру. Без пітливості тіло не може регулювати свою температуру, що може призвести до перегріву або навіть теплового удару. Але чому потовиділення має охолоджуючий ефект? Відповідь - випарне охолодження. Перетворення рідини, наприклад поту, з рідкого стану в газ вимагає енергії. Ця енергія береться від нашого тіла, або поту, у вигляді тепла. Отриманий теплообмін призводить до бажаного охолоджуючого ефекту. У цій діяльності ви можете спостерігати цю потужність охолодження в дії - готову охолонути?

Передумови
Процес переведення рідини в газоподібний стан називається випаровуванням. Кожна рідина може перетворитися на газ, якщо до неї додається достатньо енергії у вигляді тепла. Енергія, необхідна для перетворення, відома як теплота випаровування. Скільки вам потрібно енергії, залежить від таких факторів, як тип рідини або температура навколишнього середовища. Якщо надворі вже дуже спекотно, вам знадобиться менше енергії для випаровування рідини; якщо дуже холодно, вам знадобиться більше.

Для того, щоб перетворитись на газ, молекули, що утримуються в рідині, повинні звільнитися, щоб потрапити в повітря. Це означає, що водневі зв’язки, що утримують молекули, повинні бути розірвані. Таким чином, молекули, здатні утворювати між собою багато водневих зв’язків, набагато важче перетворитись на газ і мають вищу теплоту випаровування. Це також впливає на температуру кипіння рідини. Молекули, які приваблюють одна одну, дуже сильно починають кипіти при більш високих температурах порівняно з тими, що мають слабкі привабливості. Нижча температура кипіння, як правило, означає, що рідина буде швидше випаровуватися. Наприклад, вода з одним киснем і двома атомами водню може утворювати два водневих зв’язку на молекулу. Його теплота випаровування становить 2260 джоулів на грам, або 541 калорій на грам, і він починає кипіти при 100 градусах Цельсія (212 градусів за Фаренгейтом).

Ваше тіло використовує процес випаровування під час потовиділення. Пот, який складається з 90 відсотків води, починає випаровуватися. З самого поту витягується необхідна теплота випаровування, що призводить до передачі тепла з рідини в газоподібний стан. Це призводить до охолоджуючого ефекту (званого випарним охолодженням), який допомагає підтримувати температуру тіла і охолоджує тіло, коли стає занадто жарко. Ступінь охолодження залежить від швидкості випаровування та теплоти випаровування. Під час цієї діяльності ви дізнаєтесь, яка рідина має більшу охолоджуючу здатність: спирт або вода. Як ви думаєте, що більше охолоне, коли випарується?

Матеріали

Спирт для втирання
Вода
Дві маленькі чашки або миски
Столова ложка
Піпетка або медична крапельниця

Підготовка

Наповніть одну маленьку чашку або миску однією столовою ложкою води.
Наповніть другу маленьку чашку або миску однією столовою ложкою спирту для втирання.

Процедура

Спостереження та результати
Чи відчували ви охолоджуючу силу води та втирання спирту? Обидві рідини повинні відчувати холод на шкірі. Удар мокрою рукою сприяє випаровуванню води та алкоголю. Потік повітря також підтримуватиме передачу тепла від шкіри. Ви повинні були помітити, що ваша шкіра відчуває себе набагато прохолоднішою, коли ви накладаєте на руку спирт для тертя порівняно з водою. Вода та алкоголь почнуть випаровуватися, як тільки ви почнете дути на руці. У порівнянні з водою, спирт має меншу теплоту випаровування. Це означає, що для тієї ж кількості рідини під час випаровування води відбувається більше тепловіддачі порівняно зі спиртом.

Однак це не відповідає вашим спостереженням, що алкоголь має більший охолоджуючий ефект, ніж вода. Причиною цього є те, що кількість тепловіддачі також залежить від швидкості випаровування. Оскільки спирт випаровується набагато швидше порівняно з водою через нижчу температуру кипіння (82 порівняно зі 100 градусами С), він здатний відводити більше тепла від шкіри. Це означає, що протягом певної кількості часу алкоголю випаровується набагато більше, ніж води. Ви, мабуть, це помітили також, коли робили зайву діяльність, викладаючи ту саму кількість алкоголю та води на сонце і контролюючи швидкість їх випаровування. Іншими факторами, що впливають на швидкість випаровування, є площа поверхні, температура та потік повітря.

Прибирати
Промийте залишки невикористаного спирту в раковині великою кількістю холодної води. Вимийте руки з милом і почистіть робочу зону.

Ця діяльність була надана вам у партнерстві з Science Buddies