Кафедра ЭТТ. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы»
Лабораторная работа № 1. Особенности нанесения пленок
При термовакуумном испарении
Цель работы : ознакомление с особенностями генерации и распространения потока молекул в вакууме и c распределением толщины пленки по поверхности подложки большой площади при термовакуумном испарении.
Основные понятия и соотношения
При термовакуумном испарении поток атомов или молекул вещества генерируется при нагревании материала в вакууме до температуры, близкой или превышающей его температуру плавления.
Испарениес поверхности жидкой фазы наиболее часто используется в технике. Для объяснения механизма процесса было предложено несколько моделей. В простейшей из них жидкая фаза (расплавленный материал) рассматривается как система осцилляторов, поверхностные молекулы которой связаны с определенной энергией испарения. Предполагается, что переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превосходит энергию испарения. Предполагается также, что все молекулы поверхности имеют одну и ту же энергию связи и равную вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.
В усовершенствованной статистической модели состояние молекул на поверхности описывается максвелловским распределением по энергии и пространственным распределением, связывающим смещение молекул от равновесного положения с их потенциальной энергией. Испарение молекулы происходит тогда, когда она смещается на такое расстояние, что ее потенциальная энергия становится равной энергии испарения.
Экспериментальные исследования показали, что статистическая модель достаточно хорошо применима к жидкостям, испарение которых происходит за счет обмена одиночных атомов с одноатомным паром (ртуть, калий, бериллий и ряд других металлов). Аналогично ведут себя и некоторые органические жидкости, молекулы которых имеют сферическую симметрию и малые энтропии испарения (например, четыреххлористый углерод – CCl 4).
В веществах, молекулы которых имеют различные степени свободы в конденсированном и газообразном состояниях, при испарении должно происходить изменение не только поступательного движения, но и внутренней энергии молекул. В тоже время статистически маловероятно, что молекула на поверхности получает в один и тот же момент как кинетическую, так и потенциальную энергии, необходимые для испарения при термодинамическом равновесии. Более вероятно, что молекула получает вначале необходимую кинетическую энергию, а затем должна до момента испарения получить квант внутренней энергии.
Полагают, что среди различных видов внутренней энергии молекул, наибольшее влияние на вероятность испарения оказывает энергия вращения. Это подтверждается тем, что время релаксации, необходимое для получения вращательной степени свободы молекулой с добавленной кинетической энергией, больше, чем для других процессов. Таким образом, ограничение испарения происходит вследствие потери одной степени свободы, которая уменьшает число возможных состояний для молекул в жидкой фазе. Такая форма ограничения фазового перехода называется ограничением по энтропии.
Испарение с ограничением по энтропии подтверждается для жидкостей с малыми полярными молекулами, которые испаряются с невозмущенных поверхностей (бензин, хлороформ, этанол, метанол и др.). Некоторые органические жидкости имеют вращательную степень свободы и в активированном состоянии.
При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла и лишь небольшую часть (меньше 0,1%) составляют двухатомные молекулы. Для некоторых элементов (C, S, Se, Te , P, As, Sb) пары состоят из многоатомных молекул.
Испарение с поверхности твердой фазы , называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и состояний с различным числом атомов в первом и последующем слое. Так как силы связи, действующие на данный атом со стороны соседних атомов, являются аддитивными (складываются), то значения энергии испарения для атомов в различных состояниях будут различными. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей (соседей), что создает благоприятные условия для испарения других атомов.
При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.
Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10 -2 Торр, а остаточных газов – не более 10 -4 – 10 -5 Торр.
Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом.
Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку.
При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.
Расчет скорости испарения
Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением:
, (1)
где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества .
Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле:
, (2)
где – скорость испарения, г·см –2 ·с –1 ; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К.
Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением:
, (3)
в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1.
Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду:
, (4)
где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения.
Таблица 1
При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки.
Расчет толщины пленок
Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением:
(5)
В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами .
Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением:
, (6)
где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от
Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя
центра подложки в точке А до точки Б , в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества.
Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид:
, 
. (7)
Точечный испаритель
представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества 
. Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид:
; 
. (8)
В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя.
Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h
| х/h | 0,25 | 0,5 | 0,75 | |||
| (d/d0)п | 0,83 | 0,64 | 0,41 | 0,25 | 0,04 | |
| (d/d0)т | 0,88 | 0,71 | 0,51 | 0,35 | 0,09 |
Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы:
Использование испарителей большой площади,
Использование кольцевых испарителей,
Применение большого числа одновременно работающих испарителей,
Перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории,
Смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки,
Применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке.
При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид:
, 
. (9)
Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:
. 
. (10)
Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителя относительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки.
. 
. (11)
Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала.
Задание к работе
При домашней подготовке необходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d 0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий.
При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости:
Распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d 0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d 0 при х=0);
Относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d 0 для исследуемых испарителей;
Для заданного d 0 и размера подложки 100х150 мм 2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %.
Примечание : необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания».
Требования к отчету
Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать:
Теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку),
Эскизы конфигурации систем испарения,
Расчетные формулы,
Последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки,
Анализ результатов,
Ответы на контрольные вопросы.
6. Контрольные вопросы
Чем определяется максимально возможная толщина пленки при термовакуумном испарении?
Какие соотношения связывают толщину пленки с температурой испарителя?
Как испаряют порошкообразные материалы?
Какие типы испарителей применяют для испарения порошковых материалов?
Что такое сублимация?
Какие требования предъявляются к материалам испарителей?
При каких условиях происходит послойный рост пленки при испарении?
Как происходит испарение с поверхности твердой фазы?
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12
Солнечная энергия приводит в действие невероятно сильную тепловую машину, которая, преодолевая гравитацию, без труда поднимает в воздух огромных размеров куб (каждая сторона составляет около восьмидесяти километров). Таким образом, с поверхности нашей планеты за год испаряется водяной слой метр толщиной.
Во время испарения жидкое вещество постепенно переходит в паро- или газообразное состояние после того, как мельчайшие частицы (молекулы или атомы), двигаясь на скорости, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцепления между частицами, отрываются от поверхности.
Несмотря на то, что процесс испарения известен больше как переход жидкого вещества в пар, существует сухое испарение, когда при минусовой температуре лёд переходит из твёрдого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Например, если выстиранное сырое бельё развесить сушиться на морозе, оно, замерзнув, становится очень жёстким, но через какое-то время, размягчившись, становится сухим.
Как улетучивается жидкость
Молекулы жидкости расположены друг к другу практически впритык, и, несмотря на то, что связаны между собой силами притяжения, к определённым точкам не привязаны, а потому свободно перемещаются по всей площади вещества (они постоянно сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость).
Частицы, что уходят на поверхность, набирают во время движения темп, достаточный для того, чтобы покинуть вещество. Оказавшись наверху, своё движение они не останавливают и, преодолев притяжение нижних частиц, вылетают из воды, преобразовываясь в пар. При этом часть молекул из-за хаотического движения возвращается в жидкость, остальные уходят дальше, в атмосферу.
Испарение на этом не заканчивается, и на поверхность вырываются следующие молекулы (так происходит до тех пор, пока жидкость полностью не улетучивается).
Если речь идёт, например, о круговороте воды в природе, можно наблюдать за процессом конденсации, когда пар, сконцентрировавшись, при определённых условиях возвращается назад. Таким образом, испарение и конденсация в природе тесно связаны между собой, поскольку благодаря им осуществляется постоянный водообмен между землёй, сушей и атмосферой, благодаря чему окружающая среда снабжается огромным количеством полезных веществ.
Стоит заметить, что интенсивность испарения у каждого вещества различна, а потому основными физическими характеристиками, которые влияют на скорость испарения, являются:
- Плотность. Чем вещество плотнее, тем ближе молекулы находятся по отношению друг к другу, тем труднее верхним частицам преодолеть силу притяжения других атомов, следовательно, испарение жидкости происходит медленнее. Например, метиловый спирт улетучивается намного быстрее воды (метиловый спирт – 0,79 г/см3, вода – 0,99 г/см3).
- Температура. На скорость испарения также влияет теплота испарения. Несмотря на то, что процесс испарения происходит даже при минусовой температуре, чем больше температура вещества, тем выше теплота испарения, значит, тем быстрее двигаются частицы, которые, увеличивая интенсивность испарения, массово покидают жидкость (поэтому кипящая вода испаряется быстрее холодной).Из-за потери быстрых молекул внутренняя энергия жидкости уменьшается, а потому температура вещества во время испарения понижается. Если жидкость в это время будет находиться возле источника тепла или непосредственно нагреваться, её температура снижаться не будет, так же, как и не снизится интенсивность испарения.
- Площадь поверхности. Чем большую площадь поверхности занимает жидкость, тем больше молекул с неё улетучивается, тем выше скорость испарения. Например, если влить воду в кувшин с узким горлышком, жидкость будет исчезать очень медленно, поскольку испаряемые частицы начнут оседать на сужающихся стенках и спускаться. В то же время, если налить воду в миску, молекулы будут беспрепятственно уходить с поверхности жидкости, поскольку им будет не на чем конденсироваться, дабы вернуться в воду.
- Ветер. Процесс испарения окажется намного быстрее, если над ёмкостью, в которой находится вода, движется воздух. Чем быстрее он это делает, тем скорость испарения больше. Нельзя не учитывать взаимодействие ветра с испарением и конденсацией.Молекулы воды, поднимаясь с океанической поверхности, частично возвращаются назад, но большая часть высоко в небе конденсируется и образует облака, которые ветер перегоняет на сушу, где капли выпадают в виде дождя и, проникнув в грунт, через какое-то время возвращаются в океан, снабжая растущую в почве растительность влагой и растворёнными минеральными веществами.
Роль в жизни растений
Значение испарения в жизни растительности трудно переоценить, особенно учитывая, что живое растение на восемьдесят процентов состоит из воды. Поэтому если растению не хватает влаги, оно может погибнуть, так как вместе с водой в него не будут поступать также нужные для жизнедеятельности питательные вещества и микроэлементы.
Вода, передвигаясь по растительному организму, переносит и образует внутри него органические вещества, для образования которых растение нуждается в солнечном свете.
А вот тут немаловажная роль отводится испарению, так как солнечные лучи имеют способность чрезвычайно сильно нагревать предметы, а потому способны вызвать гибель растения от перегрева (особенно в жаркие летние дни). Чтобы этого избежать, происходит испарение воды листьями, через которые в это время выделяется много жидкости (например, из кукурузы за сутки испаряется от одного до четырёх стаканов воды).
Это значит, что чем больше в организм растения поступит воды, тем испарение воды листьями будет интенсивнее, растение будет больше охлаждаться и нормально расти. Испарение воды растениями можно ощутить, если во время прогулки в знойный день прикоснуться к зелёным листьям: они обязательно окажутся прохладными.
Связь с человеком
Не менее велика роль испарения в жизнедеятельности человеческого организма: он борется с нагреванием посредством потоотделения. Испарение происходит обычно через кожу, а также через дыхательные пути. Это можно легко заметить во время болезни, когда температура тела поднимается или в период занятий спортом, когда повышается интенсивность испарения.
Если нагрузка невелика, из организма уходит от одного до двух литров жидкости в час, при более интенсивном занятии спортом, особенно когда температура внешней среды превышает 25 градусов, интенсивность испарения увеличивается и с потом может выйти от трёх до шести литров жидкости.
Через кожу и дыхательные пути вода не только покидает организм, но и поступает в него вместе с испарениями окружающей среды (не зря своим пациентам врачи часто прописывают отдых на море). К сожалению, вместе с полезными элементами в него нередко попадают и вредные частицы, среди них – химические вещества, вредные испарения, которые наносят здоровью непоправимый ущерб.
Одни из них токсичны, другие, вызывают аллергию, третьи – канцерогенны, четвёртые вызывают онкологические и другие не менее опасные заболевания, при этом многие обладают сразу несколькими вредными свойствами. Вредные испарения оказываются в организме в основном через органы дыхания и кожу, после чего, оказавшись внутри, моментально всасываются в кровь и разносятся по всему телу, оказывая токсическое воздействие и вызывая серьёзные заболевания.
В данном случае много зависит от местности, где обитает человек (возле фабрики или завода), помещения, в котором живёт или работает, а также времени пребывания в опасных для здоровья условиях.
Вредные испарения могут попадать в организм из предметов быта, например, линолеума, мебели, окон и пр. Дабы сохранить жизнь и здоровье, таких ситуаций желательно избегать и наилучшим выходом будет покинуть опасную территорию, вплоть до обмена квартиры или работы, а при обустройстве жилища обращайте внимание на сертификаты качества покупаемых материалов.
Нам всем с детства хорошо известен один серьёзный жизненный факт. Для того чтобы остудить горячий чай, необходимо налить его в холодное блюдце и продолжительно дуть над его поверхностью. Когда тебе шесть-семь лет, особо не задумываешься над законами физики, просто принимаешь их как данное или, выражаясь физически, принимаешь их за аксиому. Однако, постигая со временем науки, мы обнаруживаем интересные сходства аксиом и последовательных доказательств, плавно переводя наши детские предположения во взрослые теоремы. То же самое и с горячим чаем. Никто из нас и подумать не мог, что такой способ его охлаждения напрямую связан с испарением жидкости.
Физика процесса
Для того чтобы ответить на вопрос, от чего зависит скорость испарения жидкости, надо разобраться в самой физике процесса. Испарение - это процесс фазового перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Испаряться может любое в том числе очень вязкое. С виду и не скажешь, что некая желеобразная жижа может терять часть своей массы за счет испарения, но при определённых условиях именно это и происходит. Твердое тело также может испаряться, только такой процесс называется сублимацией.
Как происходит
Начав разбираться, от чего зависит скорость испарения жидкости, следует отталкиваться от того, что это эндотермический процесс, то есть процесс, проходящий с поглощением теплоты. Теплота (теплота испарения) передаёт энергию молекулам вещества, увеличивая их скорость и повышая вероятность их отрыва, ослабляя при этом силы молекулярного сцепления. Отрываясь от основной массы вещества, самые быстрые молекулы вырываются за его границы, и вещество теряет свою массу. При этом вылетевшие молекулы жидкости мгновенно вскипают, осуществляя при отрыве процесс фазового перехода, и их выход идёт уже в газообразном состоянии.
Применение
Понимая, от каких причин зависит скорость испарения жидкости, можно грамотно регулировать технологические процессы, происходящие на их основе. Например, работу кондиционера, в теплообменнике-испарителе которого кипит хладагент, забирая теплоту из охлаждаемого помещения, или вскипание воды в трубах промышленного котла, теплота которой передается на нужды отопления и ГВС. Осознание того, от каких условий зависит скорость испарения жидкости, предоставляет возможность конструировать и производить современное и технологичное оборудование компактных размеров и с повышенным коэффициентом теплопередачи.
Температура
Жидкое агрегатное состояние крайне неустойчиво. При наших земных н. у. (понятие "нормальных условий", т.е. пригодных для жизни людей) оно периодически стремится перейти в твердую или газообразную фазу. Как это происходит? От чего зависит скорость испарения жидкости?
Первичный критерий - это, естественно, температура. Чем сильнее мы нагреваем жидкость, тем больше энергии мы подводим к молекулам вещества, тем больше молекулярных связей мы разрываем, тем быстрее идёт процесс фазового перехода. Апофеоз достигается при устойчивом пузырьковом кипении. Вода кипит при 100 ºС при атмосферном давлении. Поверхность кастрюли или, например, чайника, где она кипит, только на первый взгляд идеально гладкая. При многократном увеличении картинки мы увидим бесконечные острые пики, как в горах. Теплота точечно подводится к каждому из этих пиков, и из-за малой поверхности теплообмена вода моментально вскипает, образуя пузырёк воздуха, который поднимается к поверхности, где и схлопывается. Именно поэтому такое кипение называют пузырьковым. Скорость при этом максимальная.
Давление
Второй важный параметр, от чего зависит скорость испарения жидкости, - это давление. При снижении давления ниже атмосферного вода начинает закипать при меньших температурах. На этом принципе основана работа знаменитых скороварок - специальных кастрюль, откуда откачивался воздух, и вода кипела уже при 70-80 ºС. Повышение давления, наоборот, увеличивает температуру закипания. Это полезное свойство используется при подаче перегретой воды от ТЭЦ в ЦТП и ИТП, где для сохранения потенциала переносимой теплоты воду подогревают до температур 150-180 градусов, когда надо исключить возможность её вскипания в трубах.
Другие факторы
Интенсивный обдув поверхности жидкости с температурой выше, чем температура подаваемой воздушной струи, - это ещё один фактор, от чего зависит скорость испарения жидкости. Примеры этого можно взять из повседневной жизни. Обдув ветром глади озера или тот пример, с которого мы начали повествование: обдув горячего чая, налитого в блюдце. Он остывает за счет того, что, отрываясь от основной массы вещества, молекулы забирают часть энергии с собой, охлаждая его. Здесь можно увидеть еще и влияние площади поверхности. Блюдце шире, чем кружка, поэтому с её квадратуры потенциально может уйти большее количество массы воды.
На скорость испарения также влияет тип самой жидкости: какие-то жидкости испаряются быстрее, другие, наоборот, медленнее. Важное влияние на процесс испарения оказывает и состояние окружающего воздуха. При высоком абсолютном влагосодержании (сильно влажном воздухе, например, рядом с морем) процесс испарения пойдёт медленнее.
Количественно испарение характеризуется массой воды, которая испаряется в единицу времени с единицы поверхности. Эта величина называется скоростью испарения. В системе СИ она выражается в кг/(м 2. с), в СГС – в г/(см 2. с).
Скорость испарения увеличивается с повышением температуры испаряющей поверхности. В процессе испарения молекулы воды, которые переходят в пар, тратят часть своей энергии на преодоление сил сцепления и на работу расширения, связанную с увеличением объема жидкости, которая переходит в газообразное состояние. В результате средняя энергия молекул, которые остаются в жидкости, уменьшается, и жидкость охлаждается. Для продолжения процесса испарения необходимо дополнительное тепло, которое называется теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с увеличением температуры испаряющей поверхности.
Если испарение проходит с поверхности воды, то эта зависимость выражается формулой:
Q = Q 0 - 0,65 . t, (5.9)
где Q - теплота испарения, Дж/г;
t – температура поверхности, которая испаряет, 0 С;
Q 0 = 2500 Дж/кг.
Если испарение проходит из поверхности льда или снега, то:
Q = Q 0 - 0,36 . t, (5.10)
Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в мм) слоя воды, которая испаряется за единицу времени. Слой воды, высотой 1мм, который испарится с площади 1 м 2 , отвечает ее массе в 1 кг.
Согласно закону Дальтона, скорость испарения W в кг/(м 2. с) прямо пропорциональная дефициту влажности, вычисленному по температуре испаряющей поверхности, и обратно пропорциональная атмосферному давлению:
где Е 1 - упругость насыщения, взятая по температуре испаряющей поверхности, гПа;
е - упругость пара в окружающем воздухе, гПа;
Р – атмосферное давление, гПа;
А – коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости ветра.
Из
закона Дальтона видно, что чем больше
разность (Е 1- е),
тем больше скорость испарения. Если
поверхность, которая испаряет, теплее
воздуха, то Е 1
большее, чем упругость насыщения Е при
температуре воздуха. В таком случае
испарение продолжается даже тогда,
когда воздух насыщен водяным паром, то
есть если е=Е (но Е Наоборот,
если испаряющая поверхность холоднее
воздуха, то при довольно большой
относительной влажности может оказаться,
что Е 1 Зависимость
скорости испарения от атмосферного
давления
обусловлена
тем, что в неподвижном воздухе молекулярная
диффузия усиливается с уменьшением
внешнего давления: чем оно меньшее, тем
легче молекулам оторваться от испаряющей
поверхности. Однако атмосферное давление
у поверхности земли колеблется в
сравнительно небольших пределах.
Поэтому, оно не может существенным
образом изменять скорость испарения.
Но его приходится учитывать, например,
при сравнении скоростей испарения на
разных высотах в горной местности. Скорость испарения
зависит от скорости ветра
.
С увеличением скорости ветра увеличивается
турбулентная диффузия, от которой в
значительной мере зависит скорость
испарения. Чем интенсивнее турбулентное
перемешивание, тем быстрее протекает
перенос водяного пара в окружающую
среду. Если воздух переносится с суши
на водоем, то скорость испарения с
водоема увеличивается, так как в воздухе,
который натекает на сравнительно более
сухую поверхность, дефицит влажности
больше, чем он над водоемом. При переносе
воздуха с водной поверхности на сушу
скорость испарения постепенно уменьшается
в результате уменьшения дефицита
влажности в воздухе, который находится
над водой. На скорость испарения с
поверхностей морей и океанов влияет их
соленость, так как упругость насыщения
над раствором меньше, чем над пресной
водой. На
испарение из поверхности грунта
значительно влияют физические
свойства, состояние деятельной
поверхности, рельеф
и др. факторы. Гладкая поверхность
испаряет меньше, чем шероховатая, так
как над ней слабее развито турбулентное
перемешивание, чем над шероховатой
поверхностью. Светлые почвы при прочих
равных условиях испаряют меньше, чем
темные, так как они меньше нагреваются.
Рыхлые почвы с широкими капиллярами
испаряют меньше, чем плотные почвы с
узкими капиллярами. Объясняется это
тем, что по узким капиллярам вода
поднимается ближе к поверхности почвы,
чем по широкой. Скорость испарения
зависит от степени увлажнения почвы:
чем суше почва, тем медленнее происходит
испарение. На скорость испарения влияет
рельеф местности. На возвышенностях,
над которыми имеет место интенсивное
турбулентное перемешивание, испарение
происходит быстрее, чем в низинах, балках
и долинах, где воздух менее подвижен. На
скорость испарения влияет растительный
покров. Он значительно уменьшает
испарение непосредственно с поверхности
почвы. Однако сами растения испаряют
много влаги, которые берут из почвы.
Испарение влаги растениями является
физико-биологическим процессом и
называется транспирацией. Полная
отдача водяного пара с определенной
поверхности с одинаковым растительным
покровом называется эвапотранспирацией.
Она включает испарение из поверхности
земли и от растений. Испаряемость
– это испарение, максимально возможное
в данной местности с определенной
деятельной поверхности при достаточном
количестве влаги при существующих здесь
метеорологических условиях. Испарение
Испарение над кружкой чая Испаре́ние
- процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода. Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике. Испаре́ние
- это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом E k > E п. Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости - кипением. Обычно под испарением понимают парообразование на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения её молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетической энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются. Испарение - эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с.м 2) или кг/(с.м 2)]. Наибольшее значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси. Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул : чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии , а также свойства самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки. Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом, мы ускоряем процесс испарения. Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемого стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия). Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы. Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии молярных масс её компонентов) и значительных градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии парогазовой смеси и жидкости. При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота Испарение может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при испарении от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основной массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг. При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объёмом или омывающим её поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж - Qи, где Qи -теплота испарения, Qжг - количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемое испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на Испарение (Qж = Qи). В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основной массе газа, вследствие чего испарение и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее испарение жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, которую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как её показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами. Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объёме, не получающем энергию извне и не отдающем её наружу, Испарение происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называется температурой адиабатического насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена. Скорость изотермического испарения [кг/(м 2 с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, [м] может быть найдена по формуле Стефана: , где D - коэффициент взаимной диффузии, [м 2 /с]; - газовая постоянная пара, [Дж/(кг К)] или [м 2 /(с 2 K)]; T - температура смеси, [К]; р - давление парогазовой смеси, [Па]; - парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, [Па]. В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермической условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости Испарение используют экспериментальные коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях - приближенные методы численных решений системы дифференциальных уравнений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз. Интенсивность массообмена при испарении зависит от разности химических потенциалов пара у поверхности раздела и в основной массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химических потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций паров и принимают: jп = bp (рп, гр - рп, осн) = bpр(уп, гр - уп, осн) или jп = bc(cп, гр - сп, осн), где bp, bc - коэффициент массоотдачи, p - давление смеси, рп - парциальное давление пара, yп = pп/p - молярная концентрация паров, cп = rп/r - массовая концентрация паров, rп, r - локальные плотности паров и смеси; индексы означают: «гр» - у границы раздела фаз, «осн» - в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при Испарение жидкостью, составляет [в Дж/(м2 с)]: q = aж(tж - tгр) = rjп + aг (tгр - tг), где aж, aг - коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, [Вт/(м 2 К)]; r - теплота Испарение, [Дж/кг]. При очень малых радиусах кривизны поверхности испарения (например, при испарении мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщенных паров той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр ~ tж, то при расчете испарения могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = aг l/lг - число Нуссельта, l - характерный размер поверхности испарения, lг - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpyг, грl/Dp = bccг, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и bс вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп: 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг, гр) или массовую (сг, гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b. Уравнения подобия для Nu и Sh* при испарении включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения молярных масс или газовых постоянных её компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя. При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамический режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атмосферный воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительных аргументов в уравнениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При испарении многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты испарения компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При испарении бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров в относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость. Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит испарение, предусматривают увеличение поверхности испарения путем создания большого зеркала жидкости, раздробления её на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадок. Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при испарении достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата. Испарение широко применяется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий. Wikimedia Foundation
.
2010
.
Переход в ва из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией. Зависимость давления… … Физическая энциклопедия
Парообразование, происходящее на свободной поверхности жидкости. Испарение с поверхности твердого тела называется сублимацией … Большой Энциклопедический словарь
Общая характеристика
Молекулярный уровень
Термодинамическое равновесие
Баро-, термодиффузии
Скорость испарения
Уравнения
Конструкции аппаратов
Применение
См. также
Литература
Ссылки
Смотреть что такое "Испарение" в других словарях:
