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 (Е₁ – е) <0, то, наоборот, преобладает поступление пара из воздуха на поверхность водоема (суши) - конденсация или сублимация пара.

При (Е₁ – е) = 0 наблюдается динамическое равновесие потоков к поверхности водоемов (суши) и от нее.

Величину d₁ = (Е₁ – е) называют дефицитом насыщения, рассчитанным по температуре поверхности, которая испаряет.

Характер процесса (испарение или конденсация) можно определить также по равновесной относительной влажности r_р (%), сопоставляя последнюю с относительной влажностью воздуха r. Под равновесной относительной влажностью понимается влажность, при которой устанавливается динамическое равновесие систем пар – жидкость или пар – лед.

r_р = , (5.1)

где Е₁ – давление насыщенного водного пара в тонком слое над поверхностью льда (воды), определенное по температуре испаряющей поверхности с учетом ее фазового состояния, наличия примесей, кривизны испаряющей поверхности и электрических зарядов;

Е – давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, определенное по температуре воздуха.

При отрицательных температурах Е берется относительно воды.

Если r < r_р, то осуществляется испарение,

если r > r_р - конденсация,

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/см³;

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^-7см.

Формула (5.4) справедливая как для выпуклой (r >1), так и для вогнутой (r <1) поверхностей.

Общее влияние кривизны и фазового состояния на давление насыщенного водяного пара можно описать уравнением:

. (5.5)

Зависимость давления насыщенного пара от наличия примесей согласно закону Рауля, имеет вид:

, (5.6)

где n – число молей растворенного вещества,

N - число молей растворителя.

Давление насыщенного пара над каплями растворов зависит от наличия примесей солей и кривизны поверхности:

, (5.7)

где r и r₀ – радиусы капель с ненасыщенным и насыщенным растворами соли, соответственно, см;

с_р – экспериментально установленный коэффициент, который характеризует уменьшение давления насыщенного пара над насыщенным раствором вещества, Дж/(г*град);

Для основных ядер конденсации в атмосфере значения коэффициента С_р приведенные в таблицы 5.1.

Таблица 5.1 - Значение коэффициента С_р для основных ядер конденсации в атмосфере

Вещество	(NH4)2SO4	NaNO3	NaCl	NH4Cl	CaCl
Ср	0,17	0,19	0,22	0,20	0,65

 

Зависимость упругости насыщение от кривизны и электрического заряда капли определяется формулой Томсона:

, (5.8)

где с_q для единичного элементарного заряда и температуры 0 ⁰С 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:

 

Q = Q₀ - 0,65 ^. t, (5.9)

 

где Q - теплота испарения, Дж/г;

t – температура поверхности, которая испаряет, ⁰С;

Q₀ = 2500 Дж/кг.

Если испарение проходит из поверхности льда или снега, то:

 

Q = Q₀ - 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 м², 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<E₁).

Наоборот, если испаряющая поверхность холоднее воздуха, то при довольно большой относительной влажности может оказаться, что Е₁<e. В этом случае W<0, то есть испарение сменится конденсацией пара на поверхности, несмотря на то, что пар в воздухе еще не достиг насыщения.

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.