Явление конденсации жидкости. Образование тумана

Газ	Ткип, К	ТК, К	Lmin, квт•ч/кг	Lд, квт•ч/кг
Азот Аргон Водород Воздух Гелий Кислород Метан Неон Пропан Этилен	77,4 87,3 20,4 78,8 4,2 90,2 111,7 27,1 231,1 169,4	126,2 150,7 33,0 132,5 5,3 154,2 191,1 44,5 370,0 282,6	0,220 0,134 3,31 0,205 1,93 0,177 0,307 0,37 0,04 0,119	1,2—1,5 0,8—0,95 15—40 1,25—1,5 15—25 1,2—1,4 0,75—1,2 3—4 ~ 0,08 ~ 0,3

 

Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк.

Адиабатный  процесс

Адиабатный процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

Адиабатный  процесс можно реализовать и  при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов. Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсолютному нулю.

Адиабатные  процессы могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого адиабатного процесса энтропия системы остаётся постоянной. Поэтому обратимый адиабатный процесс  называют ещё изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или изоэнтропой. В необратимых адиабатных процессах энтропия возрастает.

Образование тумана

Туманом называется помутнение приземного слоя воздуха  из-за наличия в нем взвешенных капель воды, ледяных кристаллов или  их смеси, при котором горизонтальная дальность видимости становится менее 1 км хотя бы в одном направлении. Аналогичное явление при горизонтальной видимости 1 км и более называют дымкой.

По агрегатному  состоянию воды все туманы могут  быть классифицированы как капельные, ледяные и смешанные. Большинство  туманов являются мелкокапельными даже при отрицательных температурах. В смешанных туманах, переохлажденные капли отмечаются при температурах до –40 °C. Наибольшую повторяемость в туманах имеют капли радиусом 5–15 мкм.

По синоптическому положению, при котором возникают туманы, они делятся на фронтальные, образование которых связано с термодинамическими процессами в области фронтальных разделов, и внутримассовые.

В зависимости  от вертикальной протяженности туманы подразделяются на поземные (с верхней  границей до 2 м), низкие (с верхней границей от 2 до 10 м) и высокие (с верхней границей, превышающей 100 м)

По степени  ухудшения горизонтальной видимости  туманы принято делить на слабые (видимость 500–1000), умеренные (видимость 200–500 м), сильные (видимость 50–100 м) и очень сильные (видимость менее 50 м).

По способу  возникновения туманы делятся на два вида:

Туманы охлаждения — образуются из-за конденсации  водяного пара при охлаждении воздуха  ниже точки росы.

Туманы испарения  — являются испарениями с более  тёплой испаряющей поверхности в холодный воздух над водоёмами и влажными участками суши.

Кроме того туманы различаются по синоптическим условиям образования:

Внутримассовые  — формирующиеся в однородных воздушных массах.

Фронтальные — образующиеся на границах атмосферных фронтов.

Дымка — очень  слабый туман. При дымке дальность  видимости составляет несколько  километров. В практике метеорологического прогнозирования считается: дымка  — видимость более/равна 1000 м, но менее 10 км, а туман — видимость  менее 1000 м. Сильным туман считается при видимости менее или равной 500 м.

Любой туман, как правило, возникает под действием  нескольких факторов. На этом основании  построена генетическая классификация  туманов. Понижение температуры  воздуха является одной из основных причин конденсации водяного пара как вблизи земной поверхности, так и в свободной атмосфере. Вследствие понижения температуры образуются наиболее интенсивные туманы. В зависимости от вида процесса, приводящего к охлаждению, различают внутримассовые туманы: радиационные и адвективные

Радиационные  туманы образуются в результате охлаждения земной поверхности и прилегающего слоя воздуха под влиянием излучения  и турбулентного перемешивания. Обычно считают, что при образовании  радиационных туманов доля водяного пара при охлаждении воздуха до точки росы остается практически постоянной. Понижение температуры ниже точки росы сопровождается конденсацией водяного пара, которая приводит к уменьшению доли и давления водяного пара. Для образования тумана необходимо, чтобы сконденсировалось определенное количество водяного пара. Благоприятными условиями для образования радиационных туманов являются:

Отсутствие облачности или наличие облачности только верхнего яруса. Увеличение количества облаков и уменьшение их высоты приводит к усилению противоизлучения атмосферы и уменьшению эффективного излучения земной поверхности, что не способствует охлаждению последней;

Высокая относительная влажность в начальный момент. Чем выше относительная влажность, тем меньше охлаждение, необходимое для достижения состояния насыщения и образования тумана.

Адвективные туманы образуются в теплой воздушной  массе, перемещающейся на более холодную подстилающую поверхность, в результате неадиабатического охлаждения воздуха  при соприкосновении с ней. В  воздушной массе, сместившейся на холодную поверхность, устанавливается инверсионное распределение температуры. Конденсация водяного пара начинается от земной поверхности и распространяется до верхней границы инверсии. Образованию адвективных туманов благоприятствуют следующие условия:

Высокая относительная влажность перемещающегося воздуха до вступления его на более холодную подстилающую поверхность;

Большая разность температур между воздушной массой и земной поверхностью;

Умеренные скорости ветра (2–5 м/с). Если скорость ветра велика, то развивается сильный турбулентный обмен, препятствующий образованию тумана. При слабом ветре воздушная масса медленно перемещается и, следовательно, медленно охлаждается от подстилающей поверхности;

Увеличение или постоянство доли водяного пара с высотой. Турбулентный обмен всегда способствует выравниванию доли водяного пара по вертикали. Если доля пара возрастает с высотой в приземном слое, то под влиянием турбулентного обмена количество водяного пара вблизи земной поверхности будет увеличиваться за счет переноса из более высоких слоев;

Умеренно устойчивая стратификация и сравнительно слабый турбулентный обмен. При очень устойчивой стратификации (сильной инверсии) турбулентный обмен прекращается. Вследствие молекулярной диффузии охлаждение от земной поверхности распространяется крайне медленно, поэтому туман образуется в данном случае в очень тонком слое вблизи земной поверхности.

В тех случаях, когда понижение температуры  воздуха при его перемещении  на относительно холодную подстилающую поверхность в дальнейшем усиливается его охлаждением от радиационно выхолаживающейся подстилающей поверхности, могут возникать туманы, которые принято называть адвективно–радиационными.

Понижение температуры  воздуха при его адиабатическом расширении может сопровождаться образованием тумана практически только при натекании воздуха на склоны возвышенностей, обеспечивающем значительное перемещение воздуха по вертикали, а следовательно, ощутимое его охлаждение. Поэтому возникающие при этом туманы называют орографическими. Охлаждение воздуха при его адиабатическом расширении без подъема в вертикальном направлении, т. е. значительном падении давления у поверхности земли, что может наблюдаться, например, при резком углублении ложбины, как правило, только способствует образованию тумана при наличии более существенных причин для его возникновения.

Туманы испарения  возникают только тогда, когда температура  испаряющей поверхности выше температуры  приземного слоя воздуха. Поэтому они  образуются или над водной поверхностью – надводные туманы, или при испарении капель дождя, выпадающего из теплой надфронтальной воздушной массы, в холодном подфронтальном воздухе – фронтальные туманы.

Образование туманов возможно при смещении двух воздушных масс с разной температурой и влажностью. Эти туманы называют туманами смещения. Они возникают вблизи границ раздела между теплыми и холодными морскими течениями, вблизи морских побережий. Такие туманы можно называть пограничными. Кроме того, туманы могут образовываться при поступлении водяного пара в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека. Водяной пар в этом случае играет роль второй теплой и влажной воздушной массы в процессе смещения. Такие туманы могут быть названы антропогенными.

Водность  туманов изменяется в достаточно широких приделах: от тысячных долей до 1.5–2 г/м3. Водность тумана возрастает с увеличением его интенсивности. Максимальные значения водности тумана одной и той же интенсивности при переходе от положительных температур к отрицательным уменьшаются. С ростом температуры может увеличиваться лишь водность туманов охлаждения (радиационных и адвективных). Водность туманов испарения, образующихся под влиянием притока водяного пара, наоборот, при повышении температуры воздуха уменьшается. Сведения о распределении водности туманов с высотой весьма малочисленны. Из наблюдений, водность туманов и дальность видимости в них существенно изменяются с высотой лишь вблизи земной поверхности и верхней границы туманов. В большей части туманы по вертикали достаточно однородны. По данным измерений, средние значения водности адвективных туманов на высотах 2 и 20 м равны соответственно 0.21 и 0.18 г/м3. При этом примерно в половине случаев значения водности на этих высотах практически были равны между собой, в остальных случаях водность как увеличивалась, так и уменьшалась с высотой. Водность радиационных туманов наибольшая вблизи земной поверхности, с увеличением высоты она медленно уменьшается. Однако распределение водности радиационных туманов зависит от стадии развития. В только что образовавшемся тумане максимум наблюдается вблизи земной поверхности. В средней стадии развития максимум водности смешается на середину слоя. В последней стадии распределение в радиационном тумане такое же, как и в адвективном.

Фронтальные туманы образуются вблизи атмосферных фронтов и перемещаются вместе с ними. Насыщение воздуха водяным паром происходит вследствие испарения осадков, выпадающих в зоне фронта. Некоторую роль в усилении туманов перед фронтами играет наблюдающееся здесь падение атмосферного давления, которое создаёт небольшое адиабатическое понижение температуры воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Конденсация водяного пара, обеспечивает 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 землёй и атмосферой. Без конденсации не возможным было бы создание паровозов с конденсационной установкой.

В результате изучения материалов по рассматриваемому вопросу, были сделаны следующие  основные выводы:

1. Исследован процесс конденсации насыщенных, пересыщенных, ненасыщенных паров.
2. Вещества при изменении температуры меняют свои свойства. При понижении температуры большинство веществ меняют фазовое состояние. При самых низких температурах только два вещества – водород и гелий – могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением.
3. Исследован процесс сжижения газов, при каких условиях достигается сжижение газов, роль адиабатного процесса.
4. Рассмотрены особенности тумана как физического явления, причины его возникновения. Дана классификация туманов

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Физика низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 1959;

2. Уайт Г. К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 1961;

3. Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 1968;

4. Клод Ж., Жидкий воздух, пер. с франц., Л., 1960;

5. Хргиан А. Х. Физика атмосферы, М., 1969;

6. Дерягин Б. В., Чураев В. М., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М.: Наука, 1985;

7. Тарасов Л.В. Физика в природе, М, 1988;

8. А.К. Кикоин И.К., Молекулярная физика. М, 1976 г.

9. Сивухин Д.В., Термодинамика и молекулярная физика, М, 1990 г

10 Савельев И.В., т.1. Механика, Молекулярная физика,  М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989Г.