Факторы, влияющие на скорость испарения воды

ГОУ Гимназия №1505
«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Реферат
Факторы, влияющие на скорость испарения воды
Автор: ученик 9 класса «А»
Жалеев Тимур
Руководитель: Ветюков Д. А.
Москва
2012
Оглавление
Введение
1. Определение испарения.
2. Цель работы.
3. Актуальность работы
4. Описание структуры работы.
Основная часть
1. Механизм испарения на молекулярном уровне.
2. Факторы, влияющие на скорость испарения.
2.1 Влияние на скорость испарения температуры воды.
2.1.1 Неравномерность прогрева воды.
2.1.2 Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число Рэлея.
Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью
передачи энергии.
2.1.3 Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа Рэлея в
воздухе и тип режима перемешивания воздуха.
2.2 Влияние влажности воздуха.
2.2.1 Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха «на
бесконечности».
2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.
2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока
водяных паров от поверхности.
2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.
Заключение.
Список литературы.
Введение.
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное,
происходящий с поглощением тепла.
Цель данной работы: выявить факторы, влияющие на скорость испарения воды.
Актуальность:
1.
При испарении расходуется большое количество теплоты,
следовательно, этот процесс можно использовать для охлаждения.
2.
Интенсивность испарения существенно влияет на влажность воздуха,
которая является определяющей во многих процессах.
3.
Изучение механизмов испарения позволит построить более
правдоподобные модели распределения температуры и влажности, т.е. позволит
более точно предсказывать различные климатические процессы. Для расчета таких
моделей используются современные вычислительные системы, но для их
правильной работы необходимо детальное понимание всех процессов, влияющих
на формирование погоды.
В данной работе мы рассмотрим факторы, влияющие на скорость испарения воды
и их взаимосвязь.
На испарение влияет много факторов, но наиболее значимые из них температура
поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью воды. На каждый из этих
факторов влияет ряд других:
1.
Температура воды. На нее влияет температура окружающего воздуха.
Теплообмен от воздуха к воде и обратно осуществляется теплопередачей
(непосредственной передачей тепла без перемешивания) и конвекцией. Конвекция
в свою очередь может проходить в разных режимах: ламинарном и турбулентном.
Ламинарный – это режим, при котором жидкость перемещается стационарными
струями без перемешивания. Турбулентный – это режим, при котором жидкость
беспорядочно перемешивается из-за большой разности температур.
2.
Влажность воздуха над поверхностью воды. На нее влияет
интенсивность испарения воды (чем больше пара вышло из воды, тем больше его в
воздухе), площадь поверхности (чем больше площадь поверхности, тем больше
пара выходит из воды), ветер или другие формы конвекции в воздухе (насколько
быстро удаляются водяные пары от поверхности воды).
Далее эти факторы будут рассматриваться более подробно.
Основная часть.
1. Механизм испарения на молекулярном уровне.
Молекулы воды, которые имеют достаточную кинетическую энергию и находятся
близко к поверхности, способны оторваться от остальных молекул воды, т.е. происходит
испарение. Если быстрые молекулы находятся в толще воды, а не на поверхности, то,
ударяясь о другие молекулы, совершают над ними работу и теряют свою энергию.
Быстрые молекулы воды, которые оторвались от поверхности воды, уносят энергию с
собой, поэтому внутренняя энергия воды понижается, и она охлаждается.
Некоторые молекулы водяного пара, двигаясь хаотически, возвращаются в
жидкость. Этот процесс называется конденсацией. Скорость конденсации зависит от
концентрации молекул водяного пара.
2.
Факторы, влияющие на скорость испарения.
2.1. Влияние на скорость испарения температуры воды.
На скорость испарения влияют многие факторы, но главный из них – температура
поверхности воды. Чем больше температура, тем больше средняя скорость молекул, и,
следовательно, больше молекул с большими скоростями, которые способны вылететь с
поверхности. Вода не имеет одинаковую температуру во всей толще, для изучения
испарения важна температура именно на поверхности. В свою очередь на эту температуру
влияет целый ряд факторов:
1.
Температура в толще воды. Количество теплоты из толщи воды к
поверхности может переноситься двумя способами: теплопередачей или конвекцией.
Конвекция начинается тогда, когда жидкость имеет большую температуру на глубине, в
этом случае расширяясь при большей температуре, она начинает подниматься вверх. В
воде при испарении необходимое для конвекции распределение температур происходит
из-за того, что на поверхности вода, испаряясь, становится холоднее.
2.
Температура воздуха обычно больше, чем температура на поверхности
воды, потому что на поверхности происходит испарение и вода охлаждается. Поэтому, как
правило, происходит подвод тепла из воздуха к поверхности. В случае если температура
воздуха меньше, то тепловой поток идет в обратную сторону, причем скорость
теплоотвода зависит от конвекции воздуха над поверхностью воды.
3.
Интенсивность испарения влияет на температуру воды на поверхности.
Чем больше интенсивность испарения, тем больше энергии унесли молекулы, и тем
меньше температура поверхности. Чем меньше температура, тем меньше энергии в воде, и
тем меньше интенсивность испарения.
Мы видим, что все указанные факторы тесно взаимосвязаны между собой: если
увеличивается скорость испарения, температура поверхности жидкости уменьшается,
следовательно, увеличивается теплообмен между поверхностью и толщей воды, с другой
стороны, увеличивается теплообмен между поверхностью воды и воздухом, а также
конвекционный поток над водой.
Безусловно, полностью учесть все эти факторы может только компьютерная
модель.
2.1.1 Неравномерность прогрева воды.
Рассмотрим более детально процесс передачи тепла в толще воды. Практически
всегда в не идеализированных условиях температура в разных местах жидкости
неодинакова: вода испаряется только сверху, следовательно, охлаждается только сверху.
Нагрев воды также происходит обычно неравномерно. Например, солнечные лучи
проникают в толщу воды и по-разному нагревают их в зависимости от прозрачности воды.
Любой другой источник более высокой или низкой температуры также передает тепло
неравномерно, например рука держащего сосуд человека.
Если температура воды сверху меньше, то начинает происходить конвекция:
холодная вода тяжелее горячей, поэтому холодная вода опускается, а горячая –
поднимается. Но так как жидкость не перемешивается полностью, а перемещается целыми
объемами, температура распределяется неравномерно. В случае возникновения конвекции
жидкость начинает двигаться целыми «кусками». Если в этом случае поместить
термометр в некоторую точку жидкости, он покажет колебание температуры, которое и
будет отражать это движение «кусков» горячей или холодной жидкости.
2.1.2. Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число
Рэлея. Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью передачи
энергии.
Как уже говорилось выше, конвекция – это явление, при котором теплообмен
происходит путем перемешивания вещества. С ее помощью горячая вода перемещается из
толщи к поверхности, а остывшая из-за испарения вода, в свою очередь, перемещается от
поверхности ко дну.
Жидкость, при нагревании снизу или охлаждении сверху может перемешиваться в
двух
режимах:
ламинарном
и
турбулентном.
Ламинарный поток — это поток, при
котором жидкость перемещается
стационарными
струями
без
перемешивания и беспорядочных
быстрых изменений скорости. В
случае
ламинарных
потоков
движение
жидкости
можно
изобразить при помощи линий тока:
воображаемых линий, вдоль которых
Ламинарные потоки
Турбулентные потоки
перемещаются частицы воды.
Турбулентный поток – это поток, при котором из-за большой разности
температур жидкость беспорядочно перемешивается. В этом случае невозможно указать
определенную траекторию движения частицы.
В случае турбулентного потока происходит более равномерное перемешивание
всей жидкости. Если в случае ламинарного перемешивания перемещаются целые «куски»
определенной температуры, то в случае турбулентного режима жидкость имеет почти
одинаковую температуру по всему объему.
Вид режима (ламинарный или турбулентный) определяется числом Релея. Число
Рэлея – это безразмерная величина, оно считается по формуле
, где
g — ускорение свободного падения; измеряется в м/с2.
β — коэффициент теплового расширения жидкости; вычисляется по формуле
, где ΔV – изменение объема тела, V – начальный объем тела, ΔT – изменение
температуры; измеряется в К-1. 1
ΔT — разность температур между поверхностью и толщей воды; измеряется в К.
L — определяющий линейный размер поверхности теплообмена; измеряется в м. Это
максимальная длина на поверхности сосуда, например для круглого сосуда это диаметр,
для прямоугольного – диагональ и т.д.
ν — кинематическая вязкость жидкости; численно равна ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t +
0,000221t2)), где t – температура и ρ – плотность жидкости; измеряется в 10-6 м2/с. 2
χ — температуропроводность жидкости; вычисляется по формуле
, где
—
2
34
теплопроводность, cp — удельная теплоемкость, ρ — плотность; измеряется в м /с.
После того, как это число достигает некоторого, так называемого критического
значения, в жидкости возникают конвективные потоки. Это критическое значение
примерно равно 1100-1700.5 Если число Рэлея меньше 7,4 Raкрит, то никаких потоков не
наблюдается. В области от 7,4 Raкрит до 9,9 Raкрит возникает один основной ламинарный
поток с одной частотой колебания и много маленьких. В интервале от 9,9 Raкрит до 10,97
Raкрит возникает еще один основной ламинарный поток с другой частотой колебания, но
маленькие потоки остаются. До 11,01 Raкрит появляется третий ламинарный поток с
третьей частотой. После 11,01 Raкрит возникают турбулентные потоки.6
Для воды и цилиндрического сосуда высотой 2,2 см и радиусом 12,5 см при
комнатной температуре (20 ) ниже приведены данные для расчета числа Рэлея и сами
расчеты:
Дано:
Решение:
χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 м2/c
t = 20
3
Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3984196,669
ρ = 998,2 кг/м
g = 9,81 м/с2
β = 0,00015 К-1 7
ΔT = 0,2 К
L = 0,125 м
ν =1,004*10-6 м2/с 8
= 0,6 Вт/(м*К) 9
ср = 4183 Дж/(кг*К) 10
Найти:
Ra
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Коэффициент теплового расширения. Данные соответствуют
02.04.12.
2
o8ode.ru. Вязкость воды. http://www.o8ode.ru/article/answer/pnanetwater/vyazkost.htm Данные соответствуют
02.04.12.
3
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Температуропроводность. Данные соответствуют 02.04.12.
4
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Число Рэлея. Данные соответствуют 02.04.12.
5
Большая советская энциклопедия. Турбулентность. http://www.bse.info-spravka.ru/bse/id_81476 Данные
соответствуют 02.04.12.
6
Allbest.ru. Неустойчивости и пространственно-временные структуры.
http://otherreferats.allbest.ru/physics/00026137_0.html Данные соответствуют 02.04.12.
7
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Коэффициент теплового расширения. Данные соответствуют
02.04.12.
8
o8ode.ru. Вязкость воды. http://www.o8ode.ru/article/answer/pnanetwater/vyazkost.htm Данные соответствуют
02.04.12.
9
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Теплопроводность. Данные соответствуют 02.04.12.
10
Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Удельная теплоёмкость. Данные соответствуют 02.04.12.
1
Разность температур 0,2° была рассчитана программой, которая создает модели
испаряющейся воды.
Можно сделать вывод, что при этих условиях режим конвекции - турбулентный
2.1.3. Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа
Рэлея в воздухе и тип режима перемешивания воздуха.
На температуру поверхности воды также влияет и температура окружающего
воздуха.
Если температура воздуха отличается от температуры воды, происходит
теплообмен между водой и воздухом за счет теплопередачи и конвекции.
Конвекция в воздухе также определяется числом Рэлея. Там оно меньше на одиндва порядка, потому что вязкость и температуропроводность больше у воздуха, чем у
воды.
Ниже приведены данные для расчета числа Рэлея и сами расчеты для воздуха:
Дано: 11
Решение:
χ = /(cp*ρ) = 2,122e-5 м2/c
t = 20
Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 40990,072
ρ = 1.205 кг/м3
2
g = 9,81 м/с
β = 0,00343 К-1
ΔT = 0,2 К
L = 0,125 м
ν =15.11*10-6 м2/с
= 0.0257 Вт/(м*К)
ср = 1005 Дж/(кг*К)
Найти:
Ra
На конвекцию также влияет влавжность
воздуха. Т.к. водяные пары имеют
плотность меньше, чем плотность воздуха,
влажный воздух легче сухого и начинает
подниматься вверх. Таким образом, чем
выше скорость испарения, тем выше
влажность воздуха, тем интенсивнее
конвекция.
2.2. Влияние влажности воздуха.
Как
уже
говорилось,
при
увеличении
влажности
воздуха
над
поверхностью
воды,
увеличивается
конденсация
т.е.
уменьшается
Конвекция в воздухе
интенсивность
испарения.
Поэтому
попытаемся разобраться, какие факторы влияют на величину влажности воздуха, для
этого сначала сформулируем точное определение влажности.
Инженерный справочник Таблицы DVPA.info. Обзор : Температура, плотность, удельная теплоемкость,
объемный коэффициент теплового расширения, кинематическая вязкость,и число (критерий) Прандтля для
сухого воздуха при атмосферном давлении в в диапазоне -150 /+400 oC.
http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Данные соответствуют
02.04.12.
11
Абсолютная и относительная влажность.
Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в
кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряется в г/м3.
Относительная влажность воздуха – это отношение текущей абсолютной влажности к
максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре. Чем выше
температура, тем выше максимально возможная абсолютная влажность.
2.2.1. Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха
«на бесконечности».
Воздухом «на бесконечности» называется воздух, находящийся на таком
удалении от поверхности жидкости, что его влажность не зависит от наличия этой
поверхности. Влажность воздуха «на бесконечности» безусловно, влияет на влажность
воздуха у поверхности. Пар с поверхности воды вытесняет пар, который уже был в
воздухе, тем самым стремиться увеличить влажность «на бесконечности». Чем больше
влажность воздуха на бесконечности, тем сложнее вытеснить поднимающемуся пару
находящийся на бесконечности» пар, и тем менее интенсивно происходит испарение.
2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.
При высокой влажности, по сути, испарение происходит с той же скоростью, но
конденсация происходит быстрее, и, следовательно, можно считать, что испарение
происходит медленнее. Конденсация – это обратный испарению процесс, то есть переход
из газообразного состояния в жидкое.
2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока
водяных паров от поверхности.
Водяные пары, если их влажность отличается от влажности на бесконечности,
перемещаются от поверхности воды при помощи двух процессов: диффузии и конвекции.
Диффузия – это процесс выравнивания концентраций веществ в некотором
объеме путем проникновения молекул одного вещества в другое. Она зависит от скорости
движения молекул, то есть от температуры среды. Диффузия в газах проходит довольно
быстро.
Конвекция – это явление передачи тепла путем перемешивания вещества.
Вещество перемешивается из-за разности температур, которая может быть вызвана
испарением. Конвекция, по сравнению с диффузией происходит медленно.
Можно также отметить, что ветер, уносящий пар от поверхности, влияет на
скорость испарения сильнее предыдущих двух факторов.
2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.
Если площадь поверхности с которой происходит испарение маленькая – пары
сразу рассеиваются в окружающем пространстве, если большая то не сразу, так как они
занимают значительную область пространства. По формуле Дж. Дальтона для скорости
испарения в которой указана зависимость оной от площади поверхности: Р=AS(F-f)/H где
S - поверхность сосуда, F — предельная упругость при данной температуре, f —
упругость пара в окружающей среде, H — давление, а A — коэффициент, зависящий от
природы жидкости. 12 Также имеет значение форма сосуда. Например, если при равной
площади поверхности один сосуд будет вытянутой формы, а другой – круглый, то
диффузия унесет пар быстрее от вытянутого сосуда, следовательно, испарение с него
будет происходить быстрее.
Значение слова "Испарение" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона. http://be.scilib.com/article045569.html Данные соответствуют 02.04.12.
12
Подведем итог: на скорость испарения влияют главным образом два фактора:
температура поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью, но на эти два
фактора влияют множество других. На диаграмме представлена общая взаимосвязь этих
факторов между собой.
Заключение.
В нашей работе мы изучили факторы, влияющие на скорость испарения воды. В
результате выяснено, что на скорость испарения влияют главным образом температура на
поверхности воды и влажность воздуха над сосудом, но также влияют и площадь
поверхности, конвекция, диффузия, влажность «на бесконечности».
Список литературы:
1. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Коэффициент теплового расширения.
Ссылка действительна на 02.04.2012.
2. o8ode.ru. Вязкость воды. http://www.o8ode.ru/article/answer/pnanetwater/vyazkost.htm
Ссылка действительна на 02.04.2012.
3. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Температуропроводность. Ссылка
действительна на 02.04.2012.
4. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Число Рэлея. Ссылка действительна на
02.04.2012.
5. Большая советская энциклопедия. Турбулентность. http://www.bse.infospravka.ru/bse/id_81476 Ссылка действительна на 02.04.2012.
6. Allbest.ru. Неустойчивости и пространственно-временные структуры.
http://otherreferats.allbest.ru/physics/00026137_0.html Ссылка действительна на
02.04.2012.
7. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Теплопроводность. Ссылка действительна
на 02.04.2012.
8. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Удельная теплоёмкость. Ссылка
действительна на 02.04.2012.
9. Инженерный справочник Таблицы DVPA.info. Обзор : Температура, плотность,
удельная теплоемкость, объемный коэффициент теплового расширения,
кинематическая вязкость,и число (критерий) Прандтля для сухого воздуха при
атмосферном давлении в в диапазоне -150 /+400 oC.
http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/
Ссылка действительна на 02.04.2012.
10. Значение слова "Испарение" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона.
http://be.sci-lib.com/article045569.html Ссылка действительна на 02.04.2012.