Испарение, часть 1

Испарение жидкости, в том числе и транспирации пота, как и любой процесс, протекающий в веществах, как и всякое действие и взаимодействие частиц вещества, происходит зависимо от определенных физико-химических закономерностей. Изучение этого процесса имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства, использующих пар для решения практических задач.

Пар представляет собой реальный газ, находящийся в состояниях, близких к переходу в жидкость. В воздухе при атмосферном давлении водяной пар при любой температуре может быть влажным насыщенным, с относительной влажностью равной 100%, ненасыщенным с ОВ < 100%, сухим насыщенным паром при температуре кипения, находящимся в термодинамическом равновесии с жидкостью, перегретым ненасыщенным паром с температурой сухого насыщенного пара и перенасыщенным паром, давление которого превышает давление насыщенного пара при данной температуре. Пар невидим, как и воздух.

В существующих парильнях воздух, как правило, почти неподвижен. Могут быть только ламинарные конвективные токи порядка 0,005—0,02 м/с. Поэтому будем рассматривать испарение пота на теле человека как испарение жидкости в сосуде со свободной поверхностью, в условиях покоящейся жидкости и газовой среды. Процесс потоотделения, который постоянно будет пополнять этот «сосуд», рассмотрим ниже.

Испарение — процесс очень сложный, связанный с изменением внутреннего строения воды. Это общеизвестно. Но хотя законы природы не меняются с модой, но они и не скреплены гербовой печатью. Около каждого из них витает тайна, готовая поколебать нашу веру в постулаты, не голословным заявлением, а новой доказанной закономерностью. И особенно этим грешит наш самый близкий друг — вода, без которой невозможна жизнь на Земле, храня от нас еще многие тайны. Известно, что она аномальна и, что нас особенно интересует, у нее высокие показатели — теплопроводность, энергозатраты на нагревание, скрытая теплота при испарении и конденсации, поверхностное натяжение, способность растворять другие вещества, относительная диэлектрическая проницаемость. Человек состоит на 70% из воды, поэтому его тело «неохотно» нагревается и «неохотно» отдает тепло. Все это обусловлено специальным строением молекул воды, которые иногда «не желают» подчиняться закономерностям, известным нам по опыту общения с окружающим нас макро- и микромиром. Согласно таблице Менделеева, вода относится к водородным соединениям, называемым гидридами, и по их свойствам вода должна существовать в диапазоне от —70 до —95 °С, а при более высоких температурах испариться. Но мы пьем воду, моемся, поливаем огород, без нее обходиться не можем... и забываем поблагодарить Природу за ее каприз, без которого не было бы жизни на Земле в том виде, какая существует.

По законам физики и химии молекулы Поверхностного слоя воды на разделе «жидкость — воздух» испытывают большее притяжение со стороны соседних молекул ее внутренних слоев, чем со стороны молекул воздуха. При комнатной температуре для отрыва молекул воды требуется в 5—15 раз больше энергии, чем среднекинетическая энергия, которой молекулы обладают в этих условиях. Межмолекулярное притяжение, как пастух, не дает легкомысленным молекулам вылетать из поверхностного слоя воды. Вылетают только молекулы, обладающие наибольшей скоростью и кинетической энергией, иначе вода мгновенно бы испарилась. (Болезни человека происходят на молекулярном уровне. Они начинаются с «болезни» молекул, с их неисправности и поломок. Соблюдая нормальный и здоровый образ жизни, вы поможете молекуле быть нормальной.)

При испарении вода (жидкость) охлаждается на определенное количество тепла — скрытую теплоту испарения (в кал/г). Скрытая теплота испарения является также мерой интенсивности молекулярных взаимодействий в данной жидкости, или точнее, разности этих взаимодействий в жидкости и насыщенном паре. Она тесно связана с величиной полной поверхностной энергии на границе «жидкость — пар» (закон Стефана) и падает с повышением температуры. Жидкость охлаждается не вся сразу, а на тонкую пленку, более холодную, чем остальная масса жидкости. Назовем ее буферным слоем, имеющим толщину а. Все процессы в этом слое протекают ламинарно. Толщина самой верхней прослойки на границе раздела «жидкость — газ», непосредственно отдающей тепло, равна длине свободного пробега молекул К. Состояние буферного слоя метастабильное. Он может утолщаться, быть равным X, но не уменьшаться, принимать сферическую поверхность; он постоянен, как одна из функций процесса испарения.

Вследствие ламинарной характеристики буферного слоя, а следовательно, такой же характеристики подстилающего слоя жидкости, в нашем случае потного слоя, теплообмен между телом и средой, через эти два слоя, может происходить только путем молекулярной теплопроводности. В случае турбулентной характеристики потного слоя, если такая будет достигнута, теплопередача увеличится в 10—20 раз. Затрудняя теплообмен между телом и средой, буферный слой, первым воспринимает воздействие экстремальной температуры: медленно нагревается, так же медленно передает тепло подстилающему потному слою и только после этого нагревается тело человека, что на какое-то время предохраняет его от ожогов.

На границе раздела между буферным, более холодным слоем жидкости (воды) и газом (воздухом) образуется еще диффузионный слой из двух тонких пленок: жидкостной, в которой концентрация молекул газа больше, чем в остальной жидкости, и газовой, в которой концентрация вещества жидкой фазы больше, чем в газовой среде.

Вследствие теплового движения молекул испарения жидкости протекает с той или иной скоростью при всех температурах, а с повышением температуры увеличивается. Скорость испарения определяется как масса жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы испаряющейся поверхности.

Температура — мера хаотического движения частиц. Но на этот хаос законы механики накладывают строгие ограничения.

Это идеальная картина процесса испарения. Ее необходимо дополнить негативными сторонами, и в первую очередь влиянием на процесс испарения пограничного слоя, образующегося по теории «прилипания» на всех разделах сред: «твердое тело — жидкость (газ)» или «жидкость — газ», в том числе и на разделе «потный слой на теле человека — воздух». В медицине этот пограничный слой называют, кто «воздушная мантия», кто «воздушная рубашка». «...В сауне тело обволакивается относительно стойкой воздушной оболочкой, которая удерживается в частности волосами на теле. На температуру этой воздушной оболочки влияет температура тела и испарение пота, поэтому этот изолированный слой имеет меньшую температуру, чем воздух в сауне... чем более активно перемешивается воздух в помещении, тем менее стабилен этот слой».

Подобные воздушные оболочки, образуемые в саунах с их почти неподвижным воздухом, снижают поглощаемость телом тепла и насыщаясь повышенной концентрацией водяного пара прекращают испарения пота [Fritzsche W., 1966; 1968]. Это практически имеет место в любой сауне, где обычно выделение секреций потовых желез у человека составляет 10—15 мл/мин, а идеальная испаряемость пота — 10 г/мин, а под толстым слоем воздушной оболочки пот совсем не испаряется и стекает по телу, приводя организм к дегидратации.

Как известно, в зависимости от соотношения между сопротивлением трения по поверхности раздела и сопротивлением силы давления потока, тела условно разделяются на хорошо и плохо обтекаемые. К последним следует отнести и потное тело человека. Турбулентный поток, обтекая неровную и шероховатую поверхность тела человека, проходит то по конфузорным участкам, ускоряя течение и понижая давление (dp/dx<0), то выравнивает течение до усредненного (dp/dx = 0), а попадая в диффузорные участки, понижает скорость и увеличивает давление (dp/dx > 0). На конфузорном участке и с усредненным течением направление движения воздушного потока совпадает с направлением действия перепада давления, а на диффузорном — перепад давления противоположен направлению движения воздуха, а это ведет к отрыву пограничного слоя, с образованием вихрей, обнажая тело, снимая с него слой пота и ускоряя скорость испарения.