Вычисление равновесной относительной влажности над поверхностями дистиллированной воды и капель насыщенного раствора поваренной соли. Факторы, определяющие фазовые переходы в атмосфере. Условия образования и роста облачной капли. Основные формулы расчета.
Аннотация к работе
Изучение ядер конденсации может дать ценные сведения для выяснения микрофизических процессов образования облаков, например для выяснения механизма укрупнения облачных элементов и элементов атмосферных осадков, непосредственное наблюдение, которого в естественных условиях было бы чрезвычайно затруднительным. Ядра конденсации играют немаловажную роль в осуществлении круговорота воды, минеральных солей и других химических веществ на земном шаре. Для расчета понадобилось рассчитать: массу сферического ядра конденсации; радиус зародышевой капли в момент, когда концентрация соли понизится до насыщающей; равновесную относительную влажность над поверхностью капли насыщенного раствора (NACL); равновесную относительную влажность над поверхностью капли ненасыщенного раствора, когда ее радиус увеличился до размера 1.660*10-6 см; размер капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью возрастет до 100%; радиус капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью станет наибольшей; необходимое пересыщение в атмосфере для роста зародышевой капли до размеров облачной (задача № 9.78) Ядра конденсации - жидкие или твердые частички, взвешенные в атмосфере, на которых начинается конденсация водяного пара и в дальнейшем образуются капли облаков и туманов. Постоянное наличие в атмосфере таких ядер с радиусами порядка 10-5 - 10-3 см приводит к тому, что конденсация происходит без существенного перенасыщения, т.е. при значениях относительной влажности, близких к 100% или менее 100%.Система, пришедшая в фазовое равновесие, может находиться в нем без всяких видимых изменений до тех пор, пока внешние условия среды остаются постоянными.Для равновесия системы вода - пар или лед - пар требуется, чтобы в окружающей среде давление насыщения водяного пара соответствовала насыщению. Экспериментальным путем давно установлено, что давление насыщенного водяного пара резко возрастает с увеличением температуры. В дифференциальной форме эта зависимость, полученная на основании термодинамических соображений, выражается уравнением Клаузиуса - Клапейрона: , где L - теплота испарения, E - давление насыщения водяного пара, A - тепловой эквивалент работы, Rп - удельная газовая постоянная для водяного пара, T - температура. Чтобы выражение для давления насыщенного пара в зависимости от температуры Е=f (T), следует проинтегрировать уравнение (1). Рассматривая вопрос о давлении насыщенного водяного пара над поверхностью капель, следует учесть влияние ряда факторов, к главнейшим из которых относятся: 1) кривизна поверхности, 2) наличие электрического заряда на капле и 3) присутствие в капле растворенных гигроскопических примесей.Давление насыщения водяного пара над выпуклой поверхностью, как известно, больше, над вогнутой меньше, чем над плоской поверхностью воды. Это связано с изменением поверхностной энергии системы. Обозначим через Er упругость пара над поверхностностью, радиус кривизны r, можно написатьЯвляясь хорошим растворителем, вода в природе всегда имеет примеси. Так, в морской воде растворено до 40г солей на 1л, в колодезной и ключевой - до 1г, дождевая вода и снег содержат обычно 7 - 10 мг. солей на 1л. воды. Примеси солей и кислот уменьшают давление насыщенного пара над водой. При наличии в воде растворимых примесей давление насыщенного пара над плоской поверхностью раствора ЕР составит Для нелетучих веществ можно считать, что растворимые примеси содержатся только в жидкой фазе и отсутствуют в газообразной, но тогда при переходе молекул растворителя в пар концентрация раствора увеличивается, а при конденсации, наоборот, уменьшается.Для капель, имеющих заряды, равновесное давление пара уменьшается, так как в этом случае сказывается действие электрических сил. Учет поправки на влияние заряда имеет значение только для капель с r 10-7см. Для очень малых значений поправка на влияние электрических зарядов может по величине оказаться больше поправки на кривизну поверхности, и тогда давление насыщенного пара, требуемая для равновесия над такой каплей, будет меньше Е?.При небольших перенасыщениях, меньше 1%, которые имеют место в атмосфере, спонтанный переход водяного пара в жидкость практически не играет никакой роли; образующиеся мельчайшие зародыши возникают, но и мгновенно разрушаются.Из формулы Томсона (см. главу 1) вытекает, что при данном перенасыщении могут сохраняться и расти капли, начиная с радиуса, который обозначим через r3, причем . Стоит отметить, что для конденсации водяного пара в атмосфере необходимо, чтобы давление (концентрация) пара в воздухе была больше, чем над поверхностью образующихся частичек новой фазы, и чтобы в воздухе имелись мельчайшие частички, которые могли бы служить центрами конденсации.Вычислить равновесную относительную влажность над поверхностью капель дистиллированной воды и капель насыщенного раствора поваренной соли радиусом 5·10-7; 10-6; 3,5·10-6; 10-5; 10-4 см. Результаты представить графически (по оси абсцисс отложить логарифмы радиусов, по оси ординат - относительную влажность).Выполн
План
Содержание
Введение
Глава 1. Факторы, определяющие фазовые переходы в атмосфере
1.1 Температура. Уравнение Клаузиса-Клайперона
1.2 Радиус кривизны поверхности. Формула Томсона
1.3 Концентрация примесей. Формула Рауля
1.4 Заряд частиц
Глава 2. Анализ условия образования и роста облачной капли
2.1 Основные формулы расчета
2.2 Решение задачи
2.3 Решение задачи
2.4 Ответы на вопросы
2.5 Анализ графика
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Вопрос об атмосферных ядрах конденсации тесно связан с решением проблемы физики образования облаков и осадков. Наличие ядер является необходимым условием для возникновения продуктов конденсации в атмосфере. Изучение ядер конденсации может дать ценные сведения для выяснения микрофизических процессов образования облаков, например для выяснения механизма укрупнения облачных элементов и элементов атмосферных осадков, непосредственное наблюдение, которого в естественных условиях было бы чрезвычайно затруднительным. С атмосферными ядрами конденсации связан и вопрос искусственного вызывания осадков.
Ядра конденсации играют немаловажную роль в осуществлении круговорота воды, минеральных солей и других химических веществ на земном шаре. Будучи основной компонентой атмосферного аэрозоля, ядра оказывают также влияние на ионизационное состояние атмосферы, на ее прозрачность и т.п.
Таким образом, целый ряд физических процессов в атмосфере, имеющих существенное практическое значение, связан с ядрами конденсации. Это обстоятельство указывает на важность изучения ядер конденсации.
В данной работе произведено и представлено вычисление равновесной относительной влажности над поверхностью дистиллированной воды и равновесной относительной влажности над поверхностью капель насыщенного раствора поваренной соли.
Так же в работе рассматривается рост зародышевой капли до размеров облачной, образовавшейся на ядре конденсации, состоящим из поваренной соли, радиусом 7.6*10-7 см. Для расчета понадобилось рассчитать: массу сферического ядра конденсации; радиус зародышевой капли в момент, когда концентрация соли понизится до насыщающей; равновесную относительную влажность над поверхностью капли насыщенного раствора (NACL); равновесную относительную влажность над поверхностью капли ненасыщенного раствора, когда ее радиус увеличился до размера 1.660*10-6 см; размер капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью возрастет до 100%; радиус капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью станет наибольшей; необходимое пересыщение в атмосфере для роста зародышевой капли до размеров облачной (задача № 9.78)
В работе также был построен график зависимости относительной влажности над поверхностью капель от логарифмов радиусов этих капель и проведен анализ этого графика.
Ядра конденсации.
Ядра конденсации - жидкие или твердые частички, взвешенные в атмосфере, на которых начинается конденсация водяного пара и в дальнейшем образуются капли облаков и туманов. Только благодаря наличию Ядра конденсации в атмосфере возможны конденсация водяного пара и образование облаков. Постоянное наличие в атмосфере таких ядер с радиусами порядка 10-5 - 10-3 см приводит к тому, что конденсация происходит без существенного перенасыщения, т.е. при значениях относительной влажности, близких к 100% или менее 100%. Но, кроме того, в атмосфере содержатся в гораздо большем количестве и такие Ядра конденсации с диаметром порядка 10-7-10-5см, которые не требуют значительного перенасыщения и потому в действительных условиях атмосферы остаются неактивными (ядра Айткена). При очень значительных перенасыщениях (в несколько раз) в лабораторных условиях в качестве Ядра конденсации могут служить и легкие ионы.
Крупные и гигантские ядра, как правило, являются гигроскопическими и, когда на них происходит конденсация, образуют растворы, над которыми давление пара сравнительно низко. Это прежде всего ядра морской соли (хлоридов), попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды и остающиеся во взвешенном состоянии в атмосфере в виде мельчайших капель насыщенного соляного раствора. С удалением в глубь суши преобладающая; роль переходит к жидким ядрам из гигроскопических кислот, являющихся продуктами сгорания (ядра сгорания). Негигроскопические ядра (почвенного и иного происхождения), возможно, играют некоторую роль при больших размерах, вследствие которых на них образуются сразу крупные капли. Какая-то роль принадлежит и смешанным ядрам. Ядра конденсации могут также нести электрические заряды, т.е. являться тяжелыми ионами.
Общая концентрация Ядра конденсации - тысячи и десятки тысяч на 1 см3 в сельской местности и на побережьях морей, десятки и сотни тысяч в промышленных центрах, тысячи над океаном. Содержание крупных и гигантских ядер, действующих при облакообразовании, соответственно десятки - сотни на 1 см3 и десятки на 1 л. С высотой концентрация Ядра конденсации быстро убывает, но, по-видимому, они содержатся во всей тропосфере в количестве, вполне достаточном для облакообразования. Гигроскопические ядра конденсации, возникающие при естественных и искусственных процессах сгорания (лесные и торфяные пожары, индустриальная деятельность и пр.). Эти жидкие частички, являющиеся результатом конденсации в атмосфере дымов и газов, выбрасываемых в воздух при горении; они состоят в основном из серной кислоты (H2SO4), сульфата аммония [ (NH4) 2SO4], азотистой кислоты (??O2) и (NACL)
Конденсация водяного пара в атмосфере
Конденсация водяного пара в атмосфере - переход водяного пара, содержащегося в воздухе, в жидкое состояние (капли). В расширенном значении термин "Конденсация водяного пара" применяется к переходу водяного пара как в жидкое, так и в твердое состояние. В метеорологии переход водяного пара в твердое состояние (кристаллы, снежинки) называется сублимацией, в отличие от физики, где под сублимацией понимают обратный процесс.
В атмосфере всегда имеется вода, которая может присутствовать одновременно в газообразном, жидком и твердом состояниях. Несмотря на то, что в нижних слоях атмосферы в каждом км3 воздуха содержатся сотни, а летом даже тысячи кг парообразной воды, Конденсация водяного пара в атмосфере возможна только в случае, если упругость пара е (или парциальное давление) превышает упругость насыщения Е. Е зависит главным образом от температуры, убывая с понижением последней, а также от наличия в воде растворенных примесей и от кривизны поверхности капель. Так, чем мельче капли воды, тем больше Е. Обычно в атмосфере е<Е, однако при определенных условиях воздушные массы могут охладиться настолько, что е превысит Е. Это происходит, например, когда температура воздуха понижается за счет адиабатического расширения при его подъеме, а с ней понижается и Е (так возникает большая часть облаков), когда воздух охлаждается в результате контакта с более холодной земной поверхностью (так часто возникают туманы); когда вода испаряется с более теплой земной поверхности, при этом упругость водяного пара е увеличивается до значений, превышающих Е (возникают так называемые туманы испарения).
Известно, что для Конденсация водяного пара в абсолютно чистом воздухе требуются огромные перенасыщения. Однако в атмосфере всегда присутствуют пылинки, частички морской соли, продукты неполного сгорания и др., которые служат ядрами конденсации и благодаря которым Конденсация водяного пара происходит при самых незначительных перенасыщениях (доли процента). При отрицательных температурах в облаках большую роль могут играть процессы непосредственной Конденсация водяного пара на облачных кристаллах. Для кристаллов Е существенно меньше, чем для переохлажденных капель при той же температуре, поэтому в смешанном облаке, состоящем из капель и кристаллов, происходит рост кристаллов и испарение капель. Конденсация водяного пара на самой земной поверхности и на наземных предметах приводит к образованию росы, инея, изморози и др.
Конденсация водяного пара, обеспечивая образование облаков и осадков, служит важным звеном влагооборота на земном шаре. Тепло, отбираемое у земной поверхности при испарении и выделяемое при Конденсация водяного пара, играет огромную роль в теплообмене между землей и атмосферой.