Задание 3

Какие факторы влияют на испарение в естественных условиях?

Ответ

Испарение, то есть фазовый переход вещества из конденсированного (твердого или жидкого) состояния в газообразное на границе раздела фаз, в естественных условиях зависит от множества факторов, основные из которых:

• метеорологические условия:

  • скорость ветра,

  • температура испаряющей поверхности,

  • температура воздуха,

  • влажность воздуха,

  • солнечная радиация,

• увлажненность испаряющей поверхности,

• добавочные факторы:

  • альбедо,

  • шероховатость испаряющей поверхности.

Скорость ветра определяет интенсивность турбулентного перемешивания. Чем больше скорость ветра, тем быстрее происходит развеивание водяного пара над испаряющей поверхностью, что ускоряет испарение. Влажность воздуха в зависимости от температуры воздуха и поверхности, а также от увлажненности этой поверхности, определяет вертикальный градиент влажности и, как следствие, количество влаги, которое может испариться. Излучение Солнца является первопричиной испарения. Во-первых, поглощение солнечного излучения поверхностью непосредственно приводит к ее нагреву за счет возбуждения колебательных уровней и, как следствие, испарению с этой поверхности. Также, посредством нагревания поверхности, излучение влияет и на интенсивность турбулентного перемешивания, следовательно, и на испарение. Альбедо (отражающая способность) испаряющей поверхности влияет на количество поглощенной солнечной энергии, а ее шероховатость – на интенсивность турбулентного обмена [1, 6, 7].

Задание 4

Какое изобарическое охлаждение воздуха необходимо для образования тумана водностью 1,00 г/м³, если температура воздуха 10,0⁰С и относительная влажность 80% ?

Решение

Понижение температуры воздуха при постоянном давлении ΔT, необходимое для формирования тумана, имеющего водность δ, при температуре T и относительной влажности f, определяется по формуле [1, 3, 4]:

где e – парциальное давление паров воды в воздухе.

Давление насыщенного пара воды при температуре 10,0 °C составляет 12,31 гПа [5], откуда находим:

Ответ: необходимо охлаждение воздуха на 5,1 °C.

Задание 5

На кристалле поваренной соли образовалась капля насыщенного раствора радиусом r₀. Вычислить: 1) равновесную относительную влажность над этой каплей; 2) равновесную относительную влажность над поверхностью капли насыщенного раствора, когда ее радиус увеличивается до размера r; 3) размер капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью возрастает до 100%; 4) радиус капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью станет большей; 5) необходимое пересыщение в атмосфере для роста зародышевой капли до размеров облачной. Как меняется равновесная относительная влажность при дальнейшем росте капли?

Результаты расчета объяснить и представить графически (по оси ординат  относительную влажность).

Таблица 2

Варианты исходных данных

№ варианта	r0  10^-7 см	r  10^-6 см
1	4.2	0,871

Решение

Давление насыщенного пара E_r над каплей, имеющей радиус r, выросшей из капли насыщенного раствора, имеющей радиус r₀, определяется по формуле:

где E – давление насыщенного пара воды над плоской поверхностью воды без примесей, c_r = 1,2∙10^‑7 см, для хлорида натрия c_P = 0,22 [1, 3, 4]. Тогда выражение для относительной влажности будет выглядеть следующим образом:

1) Равновесная относительная влажность над каплей насыщенного раствора, имеющей радиус r₀:

2) Равновесная относительная влажность над каплей, имеющей радиус r:

3) Размер капли, соответствующий относительной влажности над ее поверхностью, равной 100%, соответствует условию:

или

откуда находим

4) Для установления диапазона размеров капли, соответствующемго относительной влажности, превышающей 100 %, в уравнении выше знак равенства меняется на знак неравенства, из чего получаем r > 3,69∙10^‑7 см.

5) Для расчета пересыщения, необходимо найти наибольшую равновесную относительную влажность воздуха. Она находится из условия:

или

откуда находим:

То есть пересыщение составляет 13 %.

Зависимость относительной влажности от размера капли представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость равновесной относительной влажности над поверхностью капли насыщенного раствора хлорида натрия от радиуса этой капли.

Ответ:

1) f = 107 %; 2) f = 111 %; 3) r = 3,69∙10^‑7 см; 4) r > 3,69∙10^‑7 см; 5) 13 %.