Лед давление насыщенного пара

Метеорология и климатология развитие науки, географические факторы климата

Вода в атмосфере

Наши дополнительные сервисы и сайты:

e-mail:	office@matrixplus.ru *tender@matrixplus.ru*
icq:	613603564
skype:	matrixplus2012
телефон	+79173107414 +79173107418

г. С аратов

Наши партнеры

Просвещаемся

Первый вопрос: Как отмыть лодку от тины и водорослей? Второй вопрос: Чем отмыть яхту от водорослей? Третий вопрос: Где купить эффективное средство для мытья катеров, лодок, яхт?

Статистика

Из главы первой мы знаем о влагообороте как об одном из трех циклов климатообразующих процессов. Влагооборот состоит из испарения воды с земной поверхности, ее конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока. Сток, как процесс чисто гидрологический, мы оставим вне рассмотрения. Остальные же составляющие влагооборота — испарение, конденсация и осадкообразование — и их климатические следствия составляют основное содержание этой главы.

Испарение и насыщение

1. Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу в результате испарения с поверхностей водоемов, почвы и вследствие транспирации (испарения растительностью). Испарение, в отличие от транспирации, называют еще физическим испарением, а испарение и транспирацию вместе -суммарным испарением.

Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы воды отрываются от водной поверхности или от влажной почвы и переходят в воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Это происходит отчасти вследствие собственного движения молекул; в этом случае процесс распространения молекул газа на возможно большее пространство называется молекулярной диффузией. К молекулярной диффузии в атмосфере присоединяется еще и распространение водяного пара вместе с воздухом: в горизонтальном направлении с ветром, т. е. с общим переносом воздуха, а в вертикальном направлении путем турбулентной диффузии, т. е. вместе с турбулентными вихрями, всегда возникающими в движущемся воздухе.

Рис. 38. Давление насыщенного водяного пара в зависимости от температуры.

Но одновременно с отрывом молекул от поверхности воды или почвы происходит и обратный процесс их перехода из воздуха в воду или почву. Если достигается состояние подвижного равновесия, когда возвращение молекул становится равным их отдаче с поверхности, то испарение прекращается: отрыв молекул с поверхности продолжается, но он покрывается возвращением молекул. Такое состояние называют насыщением, водяной пар в этом состоянии, а также воздух, содержащий водяной пар, называют насыщенным. Давление водяного пара в состоянии насыщения называют давлением насыщенного водяного пара.

Давление насыщенного водяного пара растет с температурой. Это значит, что при более высокой температуре воздух способен содержать больше водяного пара, чем при более низкой температуре. Зависимость давления насыщенного водяного пара от .температуры представлена на рис. 38. Например, при температуре О °С давление насыщенного водяного пара равно 6,1 гПа, при +10 °С -12,3 гПа, при +20 °С -23,4 гПа, при + 30 °C — 42,4 гПа. Таким образом, на каждые 10 °С температуры давление насыщенного водяного пара и пропорциональное ей содержание насыщающего водяного пара в воздухе возрастают почти вдвое. При температуре +30 °С воздух может содержать водяного пара в состоянии насыщения в 7 раз больше, чем при температуре 0 °С.

2. Капли жидкой воды (облаков и туманов) часто находятся в атмосфере в переохлажденном состоянии. При температурах до -10 °С состояние переохлаждения в атмосфере обычно, и лишь при более низких температурах часть капель замерзает. Поэтому в атмосфере жидкая вода и лед часто находятся в непосредственной близости. Многие облака состоят из тех и других элементов одновременно, являются смешанными.

Рис. 39. Разность давлений насыщения над водой и льдом и относительная влажность при насыщении надо льдом в зависимости от температуры.

При отрицательных температурах давление насыщенного водяного пара по отношению к ледяным кристаллам меньше, чем по отношению к переохлажденным каплям (рис. 39). Например, при температуре -10 °С над переохлажденной водой давление насыщенного водяного пара 2,85 гПа, а над льдом 2,60 гПа. При температуре -20 °С — соответственно 1,27 и 1,03 гПа. Если, например, при температуре -10 °С фактическое давление водяного пара 2,7 гПа, то для переохлажденных капель такой воздух будет ненасыщенным, и капли в нем должны испаряться; но для кристаллов он будет уже перенасыщенным, и кристаллы должны расти. Такие условия действительно создаются в облаках и важны для выпадения осадков.

Различие в давлении насыщенного водяного пара над водой и льдом объясняется тем, что силы сцепления между молекулами льда больше, чем между молекулами воды. Поэтому состояние насыщения, т. е. состояние подвижного равновесия между потерей и приходом молекул, наступает для льда при меньшем содержании водяного пара в окружающем воздухе, чем для жидкой воды.

3. Для выпуклых поверхностей, какими являются поверхности капель, давление насыщенного водяного пара больше, чем для плоской поверхности воды. Это объясняется тем, что на выпуклой поверхности силы сцепления между молекулами меньше, чем на плоской поверхности. Для крупных капель превышение незначительно. Но, например, для капель радиусом 10″7 см для насыщения нужно втрое большее давление водяного пара в воздухе, чем для плоской водной поверхности. Это значит, что в воздухе, который насыщен по отношению к плоской водной поверхности, такие мелкие капли существовать не могут: для них воздух насыщенным не будет, и они быстро испарятся.

4. Если в воде растворены соли, то давление насыщенного водяного пара для раствора солей меньше, чем для пресной воды, и тем меньше, чем больше концентрация солей. Поэтому над морской водой насыщение устанавливается при давлении пара меньшем, чем над пресной водой, примерно на 2 %. Давление насыщения понижается, следовательно, и для капель, содержащих растворенный хлористый натрий и другие соли морской воды. А капли облаков действительно эти соли содержат, поскольку образуются на солевых ядрах конденсации.

форсунок в ультразвуковых ваннах и на стендах

Дезинфицирующие средства

широкого применения

для дезинфекции на объектах железнодорожного транспорта, пищевой промышленности, ЛПУ, ветеринарного надзора

Моющие средства

для железнодорожного транспорта, сертифицированные ВНИИЖТ- «Фаворит К» и «Фаворит Щ», внутренняя и наружная замывка вагонов.

Источник

Упругость насыщения над разными поверхностями

Предельным значением упругости водяного пара, который находится в воздухе, есть упругость насыщения. При положительных температурах эта величина над плоской поверхностью дистиллированной воды зависит только от температуры, а при отрицательных температурах она зависит и от фазового состояния испаряющей поверхности.

Упругость насыщения над поверхностью льда меньше, чем над поверхностью переохлажденной воды при той же температуре. Капли воды, взвешенные в атмосфере или те, что выпадают из облаков, всегда содержат некоторое количество раскрытых солей или кислот. Упругость насыщения над плоской поверхностью раствора какого-нибудь вещества меньше, чем над дистиллированной водой.

Поток водяного пара зависит от разности между парциальным давлением насыщенного пара непосредственно на поверхности воды или суши (Е₁) и парциальным давлением пара, который содержится в воздухе на некотором удалении от поверхности (е).

Если (Е₁ – е) >0, то происходит перенос пара от поверхности воды в воздух – испарение.

если r = r_р, то наступает динамическое равновесие фаз.

Если известно давление насыщенного пара над плоской поверхностью чистой воды, то для расчета давления над плоской поверхностью чистого льда при разных температурах можно использовать следующую формулу:

. (5.2)

Зависимость давления насыщенного пара от кривизны испаряющей поверхности, описывается формулой Томсона:

, (5.3)

где Е – давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, гПа;

E_r – давление насыщенного водяного пара над каплей или капилляром радиусом r, гПа;

s — коэффициент поверхностного натяжения на границе вода – водяной пар, поверхностная ли энергия, Дин/см;

r_к – плотность воды, г/см 3 ;

r – радиус кривизны поверхности, см;

Т – температура воздуха, К.

Формулу (5.3) можно привести к виду:

, (5.4)

где с_r = 2 s/(R_п r_к Т) – величина, которую практически можно считать постоянной и равной 1,2*10 -7 см.

Формула (5.4) справедливая как для выпуклой (r >1), так и для вогнутой (r 0 С равняется 7,5*10 -30 см -4 ;

n — число единичных зарядов на поверхности капли.

СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ

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:

где Q — теплота испарения, Дж/г;

t – температура поверхности, которая испаряет, 0 С;

Если испарение проходит из поверхности льда или снега, то:

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 Е₁ — 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 Е₁ 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

Источник

ВОДА, ЛЕД И ПАР

ВОДА, ЛЕД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния химического соединения молекулярной формулы Н₂О.

Историческая справка.

Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г.Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А.Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й.Берцелиус и П.Дюлонг (1819), а также Ж.Дюма и Ж.Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду. Исходя из этих данных, они определили отношение Н:О для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж.Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н₂О.

Распространенность.

Вода покрывает 3/4 поверхности Земли. Тело человека состоит из воды примерно на 70%, яйцо – на 74%, а некоторые овощи – это почти одна вода. Так, в арбузе ее 92%, в спелых томатах – 95%.

Вода в природных резервуарах никогда не бывает однородной по составу: она проходит через горные породы, соприкасается с почвой и воздухом, а потому содержит растворенные газы и минеральные вещества. Более чистой является дистиллированная вода.

Морская вода.

Состав морской воды различается в разных регионах и зависит от притока пресных вод, скорости испарения, количества осадков, таяния айсбергов и т.д. См. также ОКЕАН.

Минеральная вода.

Минеральная вода образуется при просачивании обычной воды сквозь породы, содержащие соединения железа, лития, серы и других элементов.

Мягкая и жесткая вода.

Жесткая вода содержит в больших количествах соли кальция и магния. Они растворяются в воде при протекании по породам, сложенным гипсом (СaSO₄), известняком (СаСО₃) или доломитом (карбонаты Mg и Са). В мягкой воде этих солей мало. Если вода содержит сульфат кальция, то говорят, что она обладает постоянной (некарбонатной) жесткостью. Ее можно умягчить добавлением карбоната натрия; это приведет к осаждению кальция в виде карбоната, а в растворе останется сульфат натрия. Соли натрия не вступают в реакцию с мылом, и расход его будет меньше, чем в присутствии солей кальция и магния.

Вода, обладающая временной (карбонатной) жесткостью, содержит бикарбонаты кальция и магния; ее можно умягчить несколькими способами: 1) нагреванием, приводящим к разложению бикарбонатов на нерастворимые карбонаты; 2) добавлением известковой воды (гидроксида кальция), в результате чего бикарбонаты превращаются в нерастворимые карбонаты; 3) с помощью обменных реакций.

Вода, содержащая в большом количестве растворенный диоксид углерода, просачиваясь через известняковые породы, растворяет их, что приводит к образованию пещер. При повышении температуры начинается обратный процесс: бикарбонат разлагается и вновь образуется известняк. Именно из него состоят сталактиты и сталагмиты.

Молекулярная структура.

Анализ данных, полученных из спектров поглощения, показал, что три атома в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и кислородом в вершине:

Валентный угол НОН равен 104,31 ° , длина связи О–Н составляет 0,99 Å (1 Å = 10 –8 см), а расстояние Н–Н равно 1,515 Å. Атомы водорода так глубоко «внедрены» в атом кислорода, что молекула оказывается почти сферической; ее радиус – 1,38 Å.

Физические свойства.

Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0 ° С) и кипения (100 ° С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5 Ч 10 –8 Ом –1 Ч см –1 при 0 ° С. Сжимаемость воды очень мала: 43 Ч 10 –6 см 3 на мегабар при 20 ° С. Плотность воды максимальна при 4 ° С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.

Давление паров.

Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится – все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100 ° С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90 ° С.

Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье.

Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100 ° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0 ° С.

Химические свойства.

Каталитическое действие.

Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Гидраты.

Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO₄ Ч 5H₂O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125 ° С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250 ° С. Еще один стабильный гидрат – серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO₃ Ч H₂O и SO₂(OH)₂, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н + всегда находится в виде иона гидроксония Н₃О + или Н₅О₂ + ; ион лития – в виде Li (H₂O)₆ + и т.д. Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br₂ Ч 10 H₂O и Cl₂ Ч 6H₂О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl₂ Ч 2H₂O, английская соль (сульфат магния) MgSO₄ Ч 7H₂O, питьевая сода (карбонат натрия) Na₂CO₃ Ч 10 H₂O, глауберова соль (сульфат натрия) Na₂SO₄ Ч 10 H₂O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в виде CuSO₄ Ч 5H₂O, CuSO₄ Ч 3H₂O и CuSO₄ Ч H₂O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз.

Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl₃ легко вступает в реакцию с водой:

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Сольватация.

Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.

Тяжелая вода.

В 1931 Г.Юри показал, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. По своим свойствам вода, содержащая вместо обычного водорода его тяжелый изотоп, существенно отличается от обычной воды.

В природе на каждые 5000 массовых частей Н₂О приходится одна часть D₂O. Это соотношение одинаково для речной, дождевой, болотной воды, подземных вод или кристаллизационной воды. Тяжелая вода используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Так, в моче человека соотношение между Н и D тоже равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D₂O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 сут. Тяжелая вода, вернее, входящий в ее состав дейтерий – важный участник реакций ядерного синтеза.

Третий изотоп водорода – тритий, обозначаемый символом Т. В отличие от первых двух он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:10 18 , в поверхностных водах – 1:10 19 , в глубинных водах он отсутствует. См. также ВОДОРОД.

Лед, твердая фаза воды, используется в основном как хладагент. Он может находиться в равновесии с жидкой и газообразной фазами или только с газообразной фазой. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что связано с особенностями преломления им света. Сжимаемость льда очень низка.

Лед при нормальном давлении существует только при температуре 0 ° С или ниже и обладает меньшей плотностью, чем холодная вода. Именно поэтому айсберги плавают в воде. При этом, поскольку отношение плотностей льда и воды при 0 ° С постоянно, лед всегда выступает из воды на определенную часть, а именно на 1/5 своего объема. См. также АЙСБЕРГИ.

Пар – газообразная фаза воды. Вопреки общепринятому мнению, он невидим. Тот «пар», который вырывается из кипящего чайника, – это на самом деле множество мельчайших капелек воды. Пар обладает свойствами, очень важными для поддержания жизни на Земле. Хорошо известно, например, что под действием солнечного тепла вода с поверхности морей и океанов испаряется. Образующиеся водяные пары поднимаются в атмосферу и конденсируются, а затем выпадают на землю в виде дождя и снега. Без такого круговорота воды наша планета давно превратилась бы в пустыню.

Пар имеет множество применений. С одними мы хорошо знакомы, о других только слышали. Среди наиболее известных устройств и механизмов, работающих с применением пара, – утюги, паровозы, пароходы, паровые котлы. Пар вращает турбины генераторов на тепловых электростанциях. См. также КОТЕЛ ПАРОВОЙ; ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА.

Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л., 1975
Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987

Источник