Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 25
Текст из файла (страница 25)
2.8 схематически изображен канденсацианный гигрометр. Он представляет собой металлическую коробку 7, в которую наяивают легко испаряющуюся жидкость 2, например эфир. При испарении эфира стенки коробка гигрометра охлаждаются, и по достижении точки росы появляются капельки на полированной поверхности 3(она запотевает). Температуру, при которой достигается точка росы, измеряют термометром 4. Для усиления процесса испарения эфира через него продувают воздух с помощью резиновой груши 5. Две принципиальные возможности нарушения равновесия в системе пар — вода Как мы уже выяснили, такие фазовые переходы, как испарение и конденсация, происходят при нарушении равновесия в системе водяной пар — вода, т. е. когда водяной пар отклоняется от состояния насыщения в соответствующую сторону.
Испарение проис- 138 Глава 2. Фазовые переходы в атмосфере ходит, когда пар становится ненасыщенным (перегретым), а конденсация — когда он становится пересышенным. В равновесной системе пар †во упругость пара равна упругости насыщения при данной температуре. Легко сообразить, что существуют две принципиальные возможности нарушения равновесия в этой системе. Первая предполагает изменение упругости пара при неизменной упругости насыщения, т. е.
при неизменной температуре. Если при этом упругость пара стала ниже упругости насыщения, возникает нескомпенсированное испарение, а если упругость пара стала вьаие упругости насыщения, наступает нескомпенсированная конденсация. Вторая принципиальная возможность предполагает изменение температуры системы и, следовательно, упругости насыщения при неизменной упругости пара. Если при этом температура повысилась (а значит, упругость насыщения стала больше упругости пара), возникает нескомпенсированное испарение, а если температура понизилась (упругость насыщения стала меньше упругости пара) — нескомпенсированная конденсация. Разумеется, возможен и смешанный вариант — когда и упругость пара, и упругость насыщения изменяются. Если они изменяются одинаковым образом, равновесие системы пар — вода сохраняется. Оно нарушается, когда упругость пара и упругость насыщения изменяются различным образом (особенно если одна растет, а другая уменьшается).
Испарение можно резко усилить, если одновременно понижать упругость пара (например, с помощью сухого ветра над водной поверхностью) и увеличивать упругость насыщения, повышая температуру. Конденсацию можно особенно усилить, если одновременно повышать упругость пара (например, с помощью влажного ветра над водой) и уменьшать упругость насыщения, понижая температуру.
Понятно, что такие же соображения можно привести, рассматривая возможности нарушения равновесия в системе пар — лед. Зависимость упругости насыщения от кривизны водной поверхности и концентрации солей в воде До сих пор мы предполагали, что водяной пар находится над плоской поверхностью воды или льда (напомним рис. 2.6, а).
Что изменится, если водяной пар будет контактировать с выпуклой 2.2. Нарушения равновесия я системе водяной пар — вода 139 водной поверхностью, например, когда вода находится внутри шарообразных капель, взвешенных в воздухе, содержащем водяной пар (напомним рис. 2.6, б)? В случае выпуклой поверхности жидкости испарение происходит интенсивнее, чем в случае плоской, поскольку выпуклость поверхности облегчает молекулам вылет из жидкости.
Это означает, что при одной и той же температуре упругость насыщения над выпуклой поверхностью воды больше, нежели над плоской поверхностью. Она будет тем больше, чем меньше радиус кривизны поверхности, например, чем меньше радиус г водяных капель. Приведем без вывода простое соотношение: р„(Т, г) = р„(Т) ехр( — ). (2.8) Здесь а = 1,42 1О-' м К; р„(Т, г) и р„(Т) — упругость насыщения при температуре Т для пара над каплями воды радиусом г и над плоской водной поверхностью, соответственно; температура Т выражается в кельвинах.
Если, например, г = 10 ' см, то, согласно (2.8), р„(Т, г) = 1,6 р (Т). Если г = 1О ' см, то р„(Т, г) = 3,9 р„(Т). Как видим, при г > 1О ь см можно считать, что р„( Т, г) = р„(Т). Кривизна поверхности сказывается лишь в случае очень мелких капель. Капли очень малого радиуса легко испаряются. Если маленькие капли находятся в воздухе вблизи больших капель, то происходит их испарение, сопровождающееся конденсацией образовавшегося пара на больших каплях. Получается, что большие капли как бы поглощают маленькие. Если бы рассматривалась не выпуклая, а вогнутая водная поверхность, то упругость насыщения была бы меньше по сравнению со случаем плоской поверхности (поскольку вогнутость поверхности затрудняет вылет молекул из жидкости).
Недаром при сырой погоде прежде всего отсыревают пористые материалы, смачиваемые водой. Упругость насыщения в случае, когда в воде растворены соли, меньше упругости насыщения над пресной водой. Измерения показывают, что над морской водой насыщение водяного пара достигается при упругости пара, которая примерно на 2 % ниже, чем над пресной водой.
Заметим, что капли в облаках действительно содержат соли, так как они образуются, в частности, на солевых ядрах конденсации. 140 Глава 2 Фазовые переходы в атмосфере Кипение как особый процесс парообразоаания Ранее на рис. 2.6 были условно изображены две системы пар — вода: 1) пар в воздухе над плоской поверхностью воды (см. рис. 2.6, а); 2) капли воды, взвешенные в воздухе, содержащем пар (см. рис. 2.6, б).
Напрашивается еше один вариант — система, изображенная на рис. 2.9, а: пузырьки воздуха с паром внутри водной массы. Именно в этом случае пар находится над вогнутой поверхностью воды. Встречаемся ли мы в природе с таким случаем? Рис. 2.9 Мы встречаемся с ним всякий раз, когда наблюдаем кипение воды. В этом случае следует рассматривать не систему на рис. 2.9, а, а систему на рис. 2.9, б: внутри воды находятся пузырьки воздуха с паром, а над водой находится воздух, характеризующийся атмосферным давлением р,. Рассматривая эту систему, вспомним, как происходит кипение воды. При нагревании начинает выделяться растворенный в воде воздух и внутри водной массы образуются воздушные пузырьки, постепенно увеличивающиеся в количестве и размерах с ростом температуры.
Внутрь каждого пузырька происходит испарение, и там возникает насыщенный пар. По мере роста температуры не только увеличиваются размеры пузырька, но и возрастает давление насыщенного пара внутри него. Кипение связано с выходом пузырьков с паром за пределы поверхности, разделяющей воду и находящийся над ней воздух. Пузырьки смогуг «вырваться из водяного плена», если давление пара внутри них увеличится до атмосферного р, (гидростатическое давление не будем учитывать вви- 2.2 Нарушения равновесия е системе водяной пар — вода 141 ду его относительной малости).
Следовательно, кипение будет происходит при такой температуре (назовем ее температурой кипения Т,), при которой давление насышенного пара р„в пузырьках станет равным атмосферному даапению р,. Итак, кипение представляет собой особый случай парообразования — когда испарение происходит во всем объеме воды внутрь пузырьков воздуха. В отличие от обычного испарения, кипение происходит не при любой температуре, а только при той, которая обеспечивает высвобождение пузырьков и определяется атмосферным давлением воздуха над водой. р„гпа 80 40 10 30 60 50 20 30 1О 20 1О 10 20 30 40 Т„„„, С 0 1О 20 30 40 50 60 10 р„ гпа а й Рис. 2.10 Упругость насышения р„и температура системы Тсвязаны соотношением, представляемым графически кривой испарения (рис.
2.7, а). Заменив Т на температуру кипения Т „и приравняв упругость насыШенного пара р„атмосферному давлению р,, мы тем самым превратим упомянутое соотношение в формулу, связывающую температуру кипения и атмосферное давление. Графически эта связь будет изображаться уже известной нам кривой испарения при условии, что теперь по оси абсцисс отложены значения Т „, а по оси ординат — значения р, (см. рис. 2.10, а). Так как не атмосферное давление зависит от температуры кипения, а наоборот, мысленно повернем рис.
2.10, а вокруг оси 00, так, чтобы координатные оси поменялись местами. В результате получим кривую кипения, выражаюшую графически зависимость температуры кипения Т „от атмосферного давления р, (рис. 2.10, б). 142 Глава 2. Фазовые переходы в атмоееере На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
