Faktory ovlivňující rychlost odpařování vody

Gymnázium GOU č. 000

"Moskva městské pedagogické gymnázium-laboratoř"

Esej

Faktory ovlivňující rychlost odpařování vody

Zhaleev Timur

Dozorce:

Úvod

Definice vypařování. Cíl práce. Relevance práce Popis struktury práce.

Hlavní část

Mechanismus vypařování na molekulární úrovni. Faktory ovlivňující rychlost odpařování.

2.1 Vliv teploty vody na rychlost odpařování.

2.1.1 Nerovnoměrný ohřev vody.

2.1.2 Konvekce. Laminární a turbulentní režim. Rayleighovo číslo. Závislost typu režimu míchání kapaliny na rychlosti přenosu energie.

2.1.3 Teplota vzduchu a její vliv na teplotu vody. Rayleighova čísla ve vzduchu a typ režimu míchání vzduchu.

2.2.1 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a vlhkostí vzduchu „v nekonečnu“.

2.2.2 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a rychlostí odpařování.

2.2.3 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a rychlostí odtoku vodní páry z hladiny.

2.2.4 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na povrchu a geometrií povrchu.

Závěr.

Bibliografie.

Úvod.

Vypařování je proces přechodu látky z kapalného do plynného skupenství, ke kterému dochází při absorpci tepla.

Účel této práce: identifikovat faktory ovlivňující rychlost odpařování vody.

Relevantnost:

1. Odpařování spotřebovává velké množství tepla, proto lze tento proces využít pro chlazení.

2. Intenzita odpařování výrazně ovlivňuje vlhkost vzduchu, která je v mnoha procesech rozhodující.

3. Studium mechanismů vypařování umožní sestrojit věrohodnější modely rozložení teploty a vlhkosti, tj. umožní přesněji předpovídat různé klimatické procesy. K výpočtu takových modelů se používají moderní počítačové systémy, ale aby správně fungovaly, je nutné podrobné pochopení všech procesů, které ovlivňují vznik počasí.

V tomto příspěvku se budeme zabývat faktory ovlivňujícími rychlost odpařování vody a jejich vzájemným vztahem.

Odpařování ovlivňuje mnoho faktorů, ale nejvýznamnější z nich jsou teplota vodní hladiny a vlhkost vzduchu nad hladinou vody. Každý z těchto faktorů je ovlivněn řadou dalších:

1. Teplota vody. Je ovlivněna okolní teplotou. Výměna tepla ze vzduchu do vody a zpět se provádí přenosem tepla (přímý přenos tepla bez míchání) a konvekcí. Konvekce se zase může vyskytovat v různých režimech: laminární a turbulentní. Laminární je režim, ve kterém se kapalina pohybuje ve stacionárních tryskách bez míchání. Turbulentní je režim, ve kterém se kapalina náhodně promíchává kvůli velkému teplotnímu rozdílu.

2. Vlhkost vzduchu nad vodní hladinou. Je ovlivněna rychlostí odpařování vody (čím více páry vychází z vody, tím více je ve vzduchu), povrchem (čím větší povrch, tím více páry z vody vychází), větrem popř. jiné formy konvekce ve vzduchu (jak rychle se vodní pára odstraňuje z povrchu vody).

Hlavní část.

Molekuly vody, které mají dostatečnou kinetickou energii a jsou blízko povrchu, jsou schopny se odtrhnout od zbývajících molekul vody, tj. dochází k vypařování. Pokud jsou rychlé molekuly ve vodním sloupci a ne na povrchu, pak když narazí na jiné molekuly, pracují na nich a ztrácejí svou energii. Rychlé molekuly vody, které se odtrhnou od povrchu vody, s sebou nesou energii, takže vnitřní energie vody klesá a ochlazuje se.

Některé molekuly vodní páry se chaoticky pohybují zpět do kapaliny. Tento proces se nazývá kondenzace. Rychlost kondenzace závisí na koncentraci molekul vodní páry.

2. Faktory ovlivňující rychlost odpařování.

2.1. Vliv teploty vody na rychlost odpařování.

Rychlost odpařování ovlivňuje mnoho faktorů, ale tím hlavním je teplota vodní hladiny. Čím vyšší je teplota, tím vyšší je průměrná rychlost molekul, a tím více molekul s vysokou rychlostí může uniknout z povrchu. Voda nemá v celé své tloušťce stejnou teplotu, pro studium vypařování je důležitá teplota na povrchu. Na druhou stranu je tato teplota ovlivněna řadou faktorů:

1. Teplota ve vodním sloupci. Množství tepla z vodního sloupce na povrch lze přenášet dvěma způsoby: přenosem tepla nebo konvekcí. Konvekce začíná, když má kapalina vysokou teplotu v hloubce, v tomto případě expanduje při vyšší teplotě a začíná stoupat nahoru. Ve vodě při vypařování dochází k rozložení teploty potřebnému pro konvekci díky tomu, že na povrchu voda při odpařování chladne.

2. Teplota vzduchu obvykle vyšší než povrchová teplota vody, protože na povrchu dochází k odpařování a voda se ochlazuje. Proto se zpravidla teplo přivádí ze vzduchu na povrch. Je-li teplota vzduchu nižší, jde tepelný tok opačným směrem a rychlost odvodu tepla závisí na konvekci vzduchu nad hladinou vody.

3. Míra vypařování ovlivňuje teplotu povrchové vody. Čím větší je intenzita odpařování, tím více energie molekuly odnesou a tím nižší je povrchová teplota. Čím nižší teplota, tím méně energie ve vodě a tím nižší intenzita odpařování.

Vidíme, že všechny tyto faktory spolu úzce souvisejí: zvyšuje-li se rychlost odpařování, teplota povrchu kapaliny klesá, tudíž se zvyšuje výměna tepla mezi povrchem a vodním sloupcem, na druhé straně výměna tepla mezi vodou. povrch a vzduch se zvyšuje, stejně jako konvekční proudění nad vodou.

Všechny tyto faktory samozřejmě může plně zohlednit pouze počítačový model.

2.1.1 Nerovnoměrný ohřev vody.

Podívejme se podrobněji na proces přenosu tepla ve vodním sloupci. Téměř vždy, za neidealizovaných podmínek, není teplota na různých místech kapaliny stejná: voda se odpařuje pouze shora, proto se ochlazuje pouze shora. Ohřev vody také obvykle probíhá nerovnoměrně. Například sluneční paprsky pronikají do vodního sloupce a různě ho ohřívají v závislosti na průhlednosti vody. Jakýkoli jiný zdroj vyšší nebo nižší teploty také přenáší teplo nerovnoměrně, například ruka člověka držícího nádobu.

Pokud je teplota vody nahoře nižší, pak se začne konvekce objevovat: studená voda je těžší než horká voda, takže studená voda klesá a horká stoupá. Ale protože kapalina není zcela promíchána, ale pohybuje se v celých objemech, je teplota distribuována nerovnoměrně. Když nastane konvekce, kapalina se začne pohybovat v celých „kouscích“. Pokud v tomto případě umístíte teploměr na určité místo v kapalině, bude ukazovat kolísání teploty, které bude odrážet tento pohyb „kousků“ horké nebo studené kapaliny.

2.1.2. Proudění. Laminární a turbulentní režim. Rayleighovo číslo. Závislost typu režimu míchání kapaliny na rychlosti přenosu energie.

Jak bylo uvedeno výše, konvekce je jev, při kterém dochází k výměně tepla smícháním látky. S jeho pomocí se horká voda pohybuje z tloušťky na povrch a voda ochlazená odpařováním se naopak pohybuje z povrchu na dno.

Kapalina, když je zahřívána zespodu nebo ochlazována shora, může být míchána ve dvou režimech: laminární a turbulentní.

Laminární proudění je proudění, při kterém se tekutina pohybuje v ustálených proudech bez míchání nebo náhodných, rychlých změn rychlosti. V případě laminárního proudění lze pohyb tekutiny znázornit pomocí proudnic: imaginárních čar, po kterých se pohybují částice vody.

Turbulentní proudění je proudění, při kterém dochází k náhodnému promíchání tekutiny v důsledku velkého rozdílu teplot. V tomto případě není možné určit konkrétní trajektorii částice.

V případě turbulentního proudění dochází k rovnoměrnějšímu promíchání celé kapaliny. Pokud se v případě laminárního míchání pohybují celé „kousky“ o určité teplotě, pak v případě turbulentního režimu má kapalina téměř stejnou teplotu v celém objemu.

Typ režimu (laminární nebo turbulentní) je určen Rayleighovým číslem. Rayleighovo číslo je bezrozměrná veličina, počítá se podle vzorce

, Kde

g - zrychlení volného pádu; měřeno v m/s2.

β je koeficient tepelné roztažnosti kapaliny; vypočítané podle vzorce

Kde Δ PROTI- změna objemu těla, PROTI– počáteční objem tělesa, Δ T– změna teploty; měřeno v K-1.

ΔT - teplotní rozdíl mezi povrchem a vodním sloupcem; měřeno v K.

L je určující lineární velikost teplosměnné plochy; měřeno v m. Jedná se o maximální délku na povrchu nádoby, např. u kruhové nádoby je to průměr, u obdélníkové nádoby je to úhlopříčka atd.

ν - kinematická viskozita kapaliny; číselně se rovná ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t + 0,000221t2)), kde t je teplota a ρ je hustota kapaliny; měřeno při 10-6 m2/s.

χ - tepelná difuzivita kapaliny; vypočteno pomocí vzorce https://pandia.ru/text/78/415/images/image006_104.gif" alt="\varkappa" width="14 height=10" height="10"> - теплопроводность, cp - удельная теплоемкость, ρ - плотность; измеряется в м2/с. !}

Po dosažení určité, tzv. kritické hodnoty, dochází v kapalině ke konvektivnímu proudění. Tato kritická hodnota je přibližně stejná. Pokud je Rayleighovo číslo menší než 7,4 Racrit, pak nejsou pozorovány žádné toky. V oblasti od 7,4 Racrit do 9,9 Racrit vzniká jedno hlavní laminární proudění s jednou frekvencí kmitů a mnoho malých. V rozsahu od 9,9 Racrit do 10,97 Racrit se objevuje další hlavní laminární proudění s jinou frekvencí kmitání, ale malé proudy zůstávají. Do 11.01 Racrit se objevuje třetí laminární proudění s třetí frekvencí. Po 11.01 Racrit dochází k turbulentnímu proudění.

Pro vodu a válcovou nádobu o výšce 2,2 cm a poloměru 12,5 cm při pokojové teplotě (200 "style="margin-left:-5.3pt;border-collapse:collapse">

ρ = 998,2 kg/m3

p = 0,00015 K-1

ν = 1,004*10-6 m2/s

0,6 W/(m*K)

prům = 4183 J/(kg*K)

χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 m2/s

Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3669

Teplotní rozdíl 0,2° vypočítal program, který vytváří modely odpařující se vody.

Můžeme konstatovat, že za těchto podmínek je konvekční režim turbulentní

2.1.3. Teplota vzduchu a její vliv na teplotu vody. Rayleighova čísla ve vzduchu a typ režimu míchání vzduchu.

Povrchovou teplotu vody ovlivňuje i teplota okolního vzduchu.

Pokud se teplota vzduchu liší od teploty vody, dochází k výměně tepla mezi vodou a vzduchem v důsledku přenosu tepla a konvekce.

Konvekce ve vzduchu je také určena Rayleighovým číslem. Tam je to o jeden nebo dva řády méně, protože viskozita a tepelná difuzivita vzduchu je větší než u vody.

Níže jsou uvedena data pro výpočet Rayleighova čísla a samotné výpočty pro vzduch:

Na konvekci má vliv i vlhkost vzduchu. Protože vodní pára má hustotu menší než vzduch, vlhký vzduch je lehčí než suchý a začíná stoupat. Čím vyšší je tedy rychlost odpařování, čím vyšší je vlhkost vzduchu, tím intenzivnější je konvekce.

2.2. Vliv vlhkosti vzduchu.

Jak již bylo řečeno, s nárůstem vlhkosti vzduchu nad hladinou vody narůstá kondenzace, tedy klesá intenzita vypařování. Pokusíme se proto zjistit, jaké faktory ovlivňují množství vlhkosti vzduchu, k tomu si nejprve zformulujeme přesnou definici vlhkosti.

Absolutní a relativní vlhkost.

Absolutní vlhkost vzduchu je množství vodní páry obsažené v metru krychlovém vzduchu. Pro svou malou hodnotu se obvykle měří v g/m3. Relativní vlhkost je poměr aktuální absolutní vlhkosti k maximální možné absolutní vlhkosti při dané teplotě. Čím vyšší je teplota, tím vyšší je maximální možná absolutní vlhkost.

2.2.1. Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a vlhkostí vzduchu „v nekonečnu“.

Vzduch „v nekonečnu“ je vzduch umístěný v takové vzdálenosti od povrchu kapaliny, že jeho vlhkost nezávisí na přítomnosti tohoto povrchu. Vlhkost vzduchu „v nekonečnu“ jistě ovlivňuje vlhkost vzduchu na povrchu. Pára z povrchu vody vytlačuje páru, která již byla ve vzduchu, a tím má tendenci zvyšovat vlhkost „do nekonečna“. Čím vyšší je vlhkost vzduchu v nekonečnu, tím obtížnější je pro stoupající páru vytlačit páru v nekonečnu a dochází k méně intenzivnímu odpařování.

2.2.2 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a rychlostí odpařování.

Při vysoké vlhkosti dochází v podstatě k odpařování stejnou rychlostí, ale ke kondenzaci dochází rychleji, a proto lze předpokládat, že odpařování probíhá pomaleji. Kondenzace je obrácený proces vypařování, tedy přechod z plynného skupenství do kapalného skupenství.

2.2.3 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na vodní hladině a rychlostí odtoku vodní páry z hladiny.

Vodní pára, pokud se její vlhkost liší od vlhkosti v nekonečnu, se pohybuje z povrchu vody pomocí dvou procesů: difúze a konvekce.

Difúze je proces vyrovnávání koncentrací látek v určitém objemu průnikem molekul jedné látky do druhé. Závisí na rychlosti pohybu molekul, tedy na teplotě média. Difúze v plynech probíhá poměrně rychle.

Proudění- Jedná se o jev přenosu tepla smícháním látky. Látka se míchá v důsledku teplotních rozdílů, které mohou být způsobeny odpařováním. Konvekce ve srovnání s difúzí probíhá pomalu.

Lze také poznamenat, že vítr, který odnáší páru z povrchu, ovlivňuje rychlost odpařování více než předchozí dva faktory.

2.2.4 Vztah mezi vlhkostí vzduchu na povrchu a geometrií povrchu.

Pokud je povrch, ze kterého dochází k odpařování, malý, páry se okamžitě rozptýlí v okolním prostoru; pokud je velký, pak ne okamžitě, protože zabírají významnou plochu prostoru. Podle vzorce pro rychlost odpařování J. Daltona, který udává jeho závislost na ploše povrchu: P=AS(F-f)/H kde S je povrch nádoby, F je mezní elasticita při dané teplotě, f je tlak par v prostředí, H je tlak a A je koeficient závislý na povaze kapaliny. Důležitý je také tvar plavidla. Pokud je například se stejnou povrchovou plochou jedna nádoba podlouhlá a druhá kulatá, pak difúze odvede páru pryč z podlouhlé nádoby rychleji, a proto z ní dojde rychleji k odpařování.

Abychom to shrnuli, rychlost odpařování je ovlivněna především dvěma faktory: teplotou povrchu vody a vlhkostí vzduchu nad hladinou, ale tyto dva faktory jsou ovlivněny mnoha dalšími. Diagram ukazuje obecný vztah mezi těmito faktory.

Závěr.

V naší práci jsme studovali faktory ovlivňující rychlost odpařování vody. V důsledku toho bylo zjištěno, že rychlost odpařování je ovlivněna především teplotou na povrchu vody a vlhkostí vzduchu nad nádobou, ale také povrchovou plochou, konvekcí, difúzí a vlhkostí „v nekonečnu“. .“

Bibliografie:

1. Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Koeficient tepelné roztažnosti. Odkaz je platný od 4.2.2012.

2. *****. Viskozita vody. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm odkaz platný od 04.02.2012.

3. Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/Tepelná difuzivita. Odkaz je platný od 4.2.2012.

4. Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Rayleighovo číslo. Odkaz je platný od 4.2.2012.

5. Velká sovětská encyklopedie. Turbulence. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Odkaz platný od 04.02.2012.

6. *****. Nestability a časoprostorové struktury. http://otherreferats. *****/physics/_0.html Odkaz platný od 4. 2. 2012.

7. Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Tepelná vodivost. Odkaz je platný od 4.2.2012.

8. Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/Specifická tepelná kapacita. Odkaz je platný od 4.2.2012.

9. Engineering Handbook Tabulky DVPA. info. Přehled: Teplota, hustota, měrné teplo, objemový koeficient tepelné roztažnosti, kinematická viskozita a Prandtlovo číslo pro suchý vzduch při atmosférickém tlaku v rozsahu -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Odkaz platný od 04.02.2012.

10. Význam slova „Vaporation“ v Encyklopedickém slovníku Brockhause a Efrona. http://be. /article045569.html Odkaz platný od 4. 2. 2012.

Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/Tepelná difuzivita. Údaje odpovídají 04/02/12.

Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Rayleighovo číslo. Údaje odpovídají 04/02/12.

Velká sovětská encyklopedie. Turbulence. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Údaje odpovídají 04/02/12.

*****. Nestability a časoprostorové struktury. http://otherreferats. *****/physics/_0.html Údaje odpovídají 2. 4. 2012.

Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Koeficient tepelné roztažnosti. Údaje odpovídají 04/02/12.

*****. Viskozita vody. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Data odpovídají 04/02/12.

Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/ Tepelná vodivost. Údaje odpovídají 04/02/12.

Wikipedie. http://ru. wikipedie. org/wiki/Specifická tepelná kapacita. Údaje odpovídají 04/02/12.

Inženýrská příručka Tabulky DVPA. info. Přehled: Teplota, hustota, měrné teplo, objemový koeficient tepelné roztažnosti, kinematická viskozita a Prandtlovo číslo pro suchý vzduch při atmosférickém tlaku v rozsahu -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Data odpovídají 04/02/12.

Význam slova „odpařování“ v Encyklopedickém slovníku Brockhause a Efrona. http://be. /article045569.html Údaje odpovídají 2. 4. 2012.