Физический процесс фазовых переходов воды в атмосфере

ВОДА В АТМОСФЕРЕ

Общие сведения о влагообмене между подстилающей

Поверхностью и атмосферой

Главным источником водяного пара в атмосфере является Мировой океан. В атмосфере постоянно содержится около 0,001% всех запасов воды, при этом 95% – в виде пара и 5% – продукты конденсации и сублимации.

На испарение этого объема воды расходуется около 18% энергии, поступающей от Солнца.

Источниками водяного пара являются поверхности морей и океанов − 72% и поверхность суши −28% водяного пара, присутствующего в атмосфере. За год атмосферная влага обновляется около 40 раз за счет кругооборота: испарение, конденсация и выпадение осадков.

Физический процесс фазовых переходов воды в атмосфере

Если в некоторый замкнутый объем поместить жидкую воду и водяной пар (рис. 5.1 − 5.3) и затем повысить температуру воды, то вода начнет испаряться (рис. 5.1).

Процесс испарения будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесие между давлением водяного пара (р_а) и давлением внутри жидкости(р_w) (рис. 5.3), т.е. количество молекул, оторвавшихся с поверхности воды, не будет равно количеству молекул, возвратившихся на поверхность воды.

Рис. 5.1. I случай Рис. 5.2. II случай Рис. 5.3. III случай

Наибольшее значение давления водяного пара, возможное при данной температуре, называется давлением насыщенного водяного параили давлением насыщения (Е).

Пока состояние насыщения не достигнуто, происходит процесс испарения (рис. 5.1), количество вылетающих молекул больше количества возвращающихся. При этом давление водяного пара над жидкостью меньше давления насыщения е < Е, где е = р_а.

Если количество возвращающихся молекул больше количества вылетающих, то имеет место процесс конденсации или сублимации надо льдом

(рис. 5.2). При этом е > Е.

Модель перехода. Зависимость давления насыщения от температуры.Рассмотрим равновесное состояние (рис. 5.3) между водой (льдом) и водяным паром. Будем считать, что все изменения (переходы) происходят сравнительно медленно (теоретически бесконечно медленно), в результате термодинамическое равновесие не нарушается. При выполнении этих условий справедливо применение уравнения Клаузиса-Клапейрона, которое выражает зависимость между температуройи давлением насыщения газов:

, (5.1)

где L_1,2 – удельная теплота перехода из состояния 1 в состояние 2;

v₁ и v₂ – удельные объемы воды в исходной и конечной фазах соответственно;

Т-температура фазового перехода.

В случае перехода воды в водяной пар и обратно

L_1,2 = L, v₁ << v₂,

Уравнение (5.1) с учетом уравнения состояния пара

E·v = R_n·T(5.2)

принимает следующий вид (уравнение зависимости между температурой и давлением насыщения газов):

, (5.3)

где R_n - удельная газовая постоянная водяного пара.

Удельная теплота конденсации (парообразования) зависит от температуры:

L = L₀ – 2,72t, (5.4)

где L₀ = 2500 кДж/кг.

В случае сублимации (непосредственном переходе водяного пара в лед) удельная теплота сублимации Lc практически не зависит от температуры и равна 2837 кДж/кг.

При наблюдаемых в атмосфере температурах относительное отклонение L от L_о не более 5%, поэтому приближенно можно считать, что L = L_о = const.

L_о – давление насыщения при T₀. В этом случае интеграл уравнения зависимости между температурой и давлением насыщения газов (5.3) примет вид:

ln n , (5.5)

где E₀ – давление насыщения при T₀.

Введем в уравнение (5.5) данные для давления насыщения при:

T₀ = 0°C (273,15°K), E₀ = 6,1078 гПа, R_n = 460 кДж/кгК и найдем давление насыщения:

E = E₀ · (5.6)

Аналогичные формулы можно получить для давления насыщения надо льдом:

(5.8)

или

(5.9)

Значения давления насыщения, полученные по указанным формулам и определенные экспериментально, различаются между собой. Поэтому на практике обычно пользуются экспериментальными значениями Е. На основе этих значений, получены эмпирические зависимости для давления насыщения.

Одно из таких уравнений предложено было физиком Магнусом.

На практике применяются формулы, рекомендованные Всемирной метеорологической организацией (в учебном пособии эти формулы не приводятся), структура этих формул установлена теоретическим путем, а числовые множители уточнены на основе анализа опытных данных.

Полные таблицы Е и Е_л помещены в Психрометрических таблицах.

Графический анализ зависимости давления насыщения от температуры (см. рис.5.4).

На данном рисунке представлена графическая зависимость давления насыщения Е от температуры Т фазового состояния испаряющей поверхности. Указанная на рисунке точка О, носит название тройной точки. Ее координаты: Т₀ = 0,01°C, E₀ =6,1114 гПа. При этих значениях температуры и давления насыщения все три фазы воды находятся в равновесном состоянии.

Т

Рис. 5.4. Зависимость давления насыщенного пара (Е) от температуры (Т)и фазового состояния испаряющей поверхности

При положительных температурах, выше температуры плавления, вода может находиться лишь в жидком и газообразном состоянии. Кроме тройной точки, кривая Е = Е(Т) проходит через точки с координатами:

· Т = 100 °С, Е = 1013,2 гПа – точка кипения воды при нормальном давлении воздуха,

· критическая точка К при Т_кр = 374°С и Е_кр = 221 000 гПа.

Рассмотрим три точки А, В и С, расположенные на одной абсциссе, т. е. температура этих точек одинакова. Отметим соответствующее давление в этих точках: е_А, е_В и е_С.

В точке С, расположенной на кривой Е = Е(Т), водяной пар и вода находятся в состоянии равновесия, т. е. е_с = Е.

В точке А е_а < Е. В этой точке происходит испарение воды и если процесс постоянства температуры и давления водяного пара сохраняются, то процесс испарения будет длиться до тех пор, пока вода не испарится полностью. Устойчивым в точке А является газообразное состояние.

Аналогичные рассуждения справедливы и для точки В. Жидкое состояние является устойчивым в точке В. При температуре ниже температуры тройной точки (практически ниже 0°С), вода может находиться как в твердом состоянии, так и в жидком. Состояние переохлаждения может оказаться достаточно устойчивым. Такое состояние называется метастабильным.

Сравним давление насыщенного водяного пара над переохлажденной водой и льдом при температуре ниже 0°С.

Силы сцепления вылетающих молекул водяного пара с молекулами воды меньше их сил сцепления с молекулами льда.

Это приводит к тому, что равновесное давление водяного пара над переохлажденной водой большедавления насыщения надо льдом при одной и той же температуре.

Точки, расположенные между кривыми давления насыщенного водяного пара над переохлажденной водой и льдом соответствуют или газообразному состоянию, когда в атмосфере присутствует переохлажденная вода, или твердому состоянию, когда в атмосфере присутствует лед.

При температуре ниже –12°С, разность ΔЕ_п = Е – Е_л максимальная.

На данном рисунке также представлена кривая зависимости тем­пературы плавления льда от давления (линия лед-вода). Температура плавления очень слабо зависит от давления.

12
• Далее ⇒