Faktorer, der påvirker vandfordampningshastigheden

GOU Gymnasium nr. 000

"Moscow City Pædagogiske Gymnasium-Laboratorium"

Historie

Faktorer, der påvirker vandfordampningshastigheden

Zhaleev Timur

Tilsynsførende:

Introduktion

Definition af fordampning. Målet med arbejdet. Arbejdets relevans Beskrivelse af arbejdets struktur.

Hoveddel

Mekanismen for fordampning på molekylært niveau. Faktorer, der påvirker fordampningshastigheden.

2.1 Effekt af vandtemperatur på fordampningshastigheden.

2.1.1 Ujævn opvarmning af vand.

2.1.2 Konvektion. Laminært og turbulent regime. Rayleigh nummer. Afhængighed af typen af ​​væskeblandingstilstand af energioverførselshastigheden.

2.1.3 Lufttemperatur og dens indvirkning på vandtemperaturen. Rayleigh-tal i luft og typen af ​​luftblandingsregime.

2.2.1 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og luftfugtighed "i det uendelige".

2.2.2 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og fordampningshastighed.

2.2.3 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og hastigheden for udstrømning af vanddamp fra overfladen.

2.2.4 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved overfladen og overfladegeometri.

Konklusion.

Bibliografi.

Introduktion.

Fordampning er processen med overgangen af ​​et stof fra en flydende til en gasformig tilstand, som sker med absorption af varme.

Formålet med dette arbejde: at identificere faktorer, der påvirker vandfordampningshastigheden.

Relevans:

1. Fordampning bruger en stor mængde varme, derfor kan denne proces bruges til afkøling.

2. Intensiteten af ​​fordampningen påvirker luftfugtigheden væsentligt, hvilket er afgørende i mange processer.

3. At studere fordampningsmekanismerne vil gøre det muligt at konstruere mere plausible modeller af fordelingen af ​​temperatur og fugtighed, dvs. det vil gøre det muligt mere præcist at forudsige forskellige klimatiske processer. Moderne computersystemer bruges til at beregne sådanne modeller, men for at de kan fungere korrekt, er en detaljeret forståelse af alle de processer, der påvirker dannelsen af ​​vejret, nødvendig.

I denne artikel vil vi overveje de faktorer, der påvirker vandfordampningshastigheden og deres sammenhæng.

Fordampning påvirkes af mange faktorer, men de væsentligste af dem er vandoverfladens temperatur og luftfugtigheden over vandoverfladen. Hver af disse faktorer er påvirket af en række andre:

1. Vandtemperatur. Det påvirkes af den omgivende temperatur. Varmeudveksling fra luft til vand og tilbage udføres ved varmeoverførsel (direkte varmeoverførsel uden opblanding) og konvektion. Konvektion kan til gengæld forekomme i forskellige tilstande: laminær og turbulent. Laminar er en tilstand, hvor væsken bevæger sig i stationære stråler uden at blandes. Turbulent er et regime, hvor væsken blandes tilfældigt på grund af en stor temperaturforskel.

2. Luftfugtighed over vandoverfladen. Det påvirkes af den hastighed, hvormed vandet fordamper (jo mere damp der kommer ud af vandet, jo mere er der i luften), overfladeareal (jo større overfladeareal, jo mere damp kommer ud af vandet), vind eller andre former for konvektion i luften (hvor hurtigt vanddamp fjernes fra vandets overflade).

Hoveddel.

Vandmolekyler, der har tilstrækkelig kinetisk energi og er tæt på overfladen, er i stand til at bryde væk fra de resterende vandmolekyler, det vil sige, at der sker fordampning. Hvis hurtige molekyler er i vandsøjlen og ikke på overfladen, så når de rammer andre molekyler, arbejder de på dem og mister deres energi. Hurtige vandmolekyler, der bryder væk fra vandets overflade, fører energi med sig, så vandets indre energi falder, og det afkøles.

Nogle vanddampmolekyler, der bevæger sig kaotisk, vender tilbage til væsken. Denne proces kaldes kondensation. Kondensationshastigheden afhænger af koncentrationen af ​​vanddampmolekyler.

2. Faktorer, der påvirker fordampningshastigheden.

2.1. Effekt af vandtemperatur på fordampningshastigheden.

Mange faktorer påvirker fordampningshastigheden, men den vigtigste er temperaturen på vandoverfladen. Jo højere temperatur, jo højere er gennemsnitshastigheden af ​​molekylerne, og derfor er der flere molekyler med høje hastigheder, der er i stand til at undslippe fra overfladen. Vand har ikke den samme temperatur i hele dets tykkelse for at studere fordampning, temperaturen ved overfladen er vigtig. Til gengæld er denne temperatur påvirket af en række faktorer:

1. Temperatur i vandsøjlen. Mængden af ​​varme fra vandsøjlen til overfladen kan overføres på to måder: varmeoverførsel eller konvektion. Konvektion begynder, når væsken har en høj temperatur i dybden, i dette tilfælde, ekspanderende ved en højere temperatur, begynder den at stige opad. I vand under fordampning opstår den temperaturfordeling, der er nødvendig for konvektion, på grund af, at vandet på overfladen bliver koldere, når det fordamper.

2. Lufttemperatur normalt større end vandets overfladetemperatur, fordi der sker fordampning ved overfladen, og vandet afkøles. Derfor tilføres der som regel varme fra luften til overfladen. Hvis lufttemperaturen er lavere, så går varmestrømmen i den modsatte retning, og hastigheden af ​​varmefjernelse afhænger af konvektion af luft over vandoverfladen.

3. Fordampningshastighed påvirker overfladevandets temperatur. Jo større intensiteten af ​​fordampningen er, jo mere energi transporterede molekylerne med sig, og jo lavere overfladetemperatur. Jo lavere temperatur, jo mindre energi er der i vandet, og jo lavere er fordampningsintensiteten.

Vi ser, at alle disse faktorer er tæt forbundne: hvis fordampningshastigheden stiger, falder temperaturen på væskeoverfladen, derfor øges varmeudvekslingen mellem overfladen og vandsøjlen, på den anden side øges varmeudvekslingen mellem vandet overflade og luften øges, samt konvektionsstrømmen over vandet .

Selvfølgelig kan kun en computermodel fuldt ud tage højde for alle disse faktorer.

2.1.1 Ujævn opvarmning af vand.

Lad os overveje mere detaljeret processen med varmeoverførsel i vandsøjlen. Næsten altid, under ikke-idealiserede forhold, er temperaturen på forskellige steder af væsken ikke den samme: vand fordamper kun ovenfra, derfor afkøles det kun ovenfra. Opvarmning af vand sker også normalt ujævnt. For eksempel trænger solens stråler ind i vandsøjlen og opvarmer den forskelligt afhængig af vandets gennemsigtighed. Enhver anden kilde til højere eller lavere temperatur overfører også varme ujævnt, for eksempel hånden på en person, der holder et kar.

Hvis temperaturen på vandet ovenfor er lavere, begynder konvektion at opstå: koldt vand er tungere end varmt vand, så koldt vand synker og varmt vand stiger. Men da væsken ikke er fuldstændig blandet, men bevæger sig i hele volumener, fordeles temperaturen ujævnt. Når der opstår konvektion, begynder væsken at bevæge sig i hele "stykker". Hvis du i dette tilfælde placerer et termometer på et bestemt punkt i væsken, vil det vise en temperaturudsving, som vil afspejle denne bevægelse af "stykker" af varm eller kold væske.

2.1.2. Konvektion. Laminært og turbulent regime. Rayleigh nummer. Afhængighed af typen af ​​væskeblandingstilstand af energioverførselshastigheden.

Som nævnt ovenfor er konvektion et fænomen, hvor varmeveksling sker ved at blande et stof. Med sin hjælp bevæger varmt vand sig fra tykkelsen til overfladen, og vand afkølet på grund af fordampning bevæger sig igen fra overfladen til bunden.

En væske kan, når den opvarmes nedefra eller afkøles fra oven, blandes i to tilstande: laminær og turbulent.

Laminær strømning er en strømning, hvor væsken bevæger sig i jævne strømme uden opblanding eller tilfældige, hurtige ændringer i hastigheden. I tilfælde af laminære strømninger kan bevægelsen af ​​en væske afbildes ved hjælp af strømlinjer: imaginære linjer, langs hvilke vandpartikler bevæger sig.

Turbulent flow er et flow, hvor væsken blandes tilfældigt på grund af en stor temperaturforskel. I dette tilfælde er det umuligt at angive en specifik bane for partiklen.

Ved turbulent flow sker der en mere ensartet blanding af hele væsken. Hvis hele "stykker" af en bestemt temperatur bevæger sig i tilfælde af laminær blanding, så har væsken i tilfælde af et turbulent regime næsten den samme temperatur gennem hele volumen.

Typen af ​​regime (laminær eller turbulent) bestemmes af Rayleigh-tallet. Rayleigh-tallet er en dimensionsløs størrelse, det beregnes af formlen

, Hvor

g - frit fald acceleration; målt i m/s2.

β er væskens termiske udvidelseskoefficient; beregnet med formlen

Hvor Δ V- ændring i kropsvolumen, V– kroppens begyndelsesvolumen, Δ T- temperaturændring; målt i K-1.

ΔT - temperaturforskel mellem overfladen og vandsøjlen; målt i K.

L er den bestemmende lineære størrelse af varmevekslingsoverfladen; målt i m Dette er den maksimale længde på overfladen af ​​karret, for eksempel er det for et rundt kar diameteren, for et rektangulært kar er det diagonalen osv.

ν - kinematisk viskositet af væsken; numerisk lig med ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t + 0,000221t2)), hvor t er temperaturen og ρ er væskens massefylde; målt til 10-6 m2/s.

χ - termisk diffusivitet af væsken; beregnet ved hjælp af formlen 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. !}

Efter at dette tal når en vis, såkaldt kritisk værdi, opstår der konvektionsstrømme i væsken. Denne kritiske værdi er omtrent lig. Hvis Rayleigh-tallet er mindre end 7,4 Racrit, observeres ingen strømme. I området fra 7,4 Racrit til 9,9 Racrit opstår der ét laminært hovedflow med én oscillationsfrekvens og mange små. I intervallet fra 9,9 Racrit til 10,97 Racrit optræder et andet laminært hovedflow med en anden oscillationsfrekvens, men små flows forbliver. Indtil 11.01 Racrit vises et tredje laminært flow med en tredje frekvens. Efter 11.01 Racrit opstår der turbulente strømninger.

Til vand og en cylindrisk beholder med en højde på 2,2 cm og en radius på 12,5 cm ved stuetemperatur (200 "style="margin-left:-5.3pt;border-collapse:collapse">

ρ = 998,2 kg/m3

β = 0,00015 K-1

ν =1,004*10-6 m2/s

0,6 W/(m*K)

av = 4183 J/(kg*K)

χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 m2/s

Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3669

En temperaturforskel på 0,2° blev beregnet af et program, der laver modeller af fordampende vand.

Vi kan konkludere, at under disse forhold er konvektionstilstanden turbulent

2.1.3. Lufttemperatur og dens indvirkning på vandtemperaturen. Rayleigh-tal i luft og typen af ​​luftblandingstilstand.

Vandets overfladetemperatur påvirkes også af den omgivende lufts temperatur.

Hvis lufttemperaturen er forskellig fra vandtemperaturen, sker der varmeudveksling mellem vand og luft på grund af varmeoverførsel og konvektion.

Konvektion i luft bestemmes også af Rayleigh-tallet. Der er det mindre med en eller to størrelsesordener, fordi viskositeten og den termiske diffusivitet af luft er større end vands.

Nedenfor er dataene til beregning af Rayleigh-tallet og selve beregningerne for luft:

Konvektion påvirkes også af luftfugtighed. Da vanddamp har en densitet, der er mindre end luftens, er fugtig luft lettere end tør luft og begynder at stige. Jo højere fordampningshastigheden er, jo højere luftfugtigheden er, jo mere intens er konvektionen.

2.2. Påvirkning af luftfugtighed.

Som allerede nævnt, med en stigning i luftfugtighed over vandoverfladen, øges kondensationen, det vil sige, at intensiteten af ​​fordampningen falder. Derfor vil vi forsøge at finde ud af, hvilke faktorer der påvirker mængden af ​​luftfugtighed for at gøre dette, vi vil først formulere en nøjagtig definition af fugtighed.

Absolut og relativ fugtighed.

Absolut luftfugtighed er massen af ​​vanddamp indeholdt i en kubikmeter luft. På grund af sin lille værdi måles den normalt i g/m3. Relativ luftfugtighed er forholdet mellem den aktuelle absolutte luftfugtighed og den maksimalt mulige absolutte luftfugtighed ved en given temperatur. Jo højere temperatur, jo højere er den maksimalt mulige absolutte luftfugtighed.

2.2.1. Forholdet mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og luftfugtighed "i det uendelige".

Luft "i det uendelige" er luft placeret i en sådan afstand fra væskens overflade, at dens fugtighed ikke afhænger af tilstedeværelsen af ​​denne overflade. Luftfugtighed "i det uendelige" påvirker bestemt luftfugtigheden ved overfladen. Damp fra overfladen af ​​vandet fortrænger damp, der allerede var i luften, og har derved tendens til at øge fugtigheden "i det uendelige". Jo højere luftfugtigheden er i det uendelige, jo sværere er det for den stigende damp at fortrænge dampen i det uendelige, og jo mindre intens fordampning sker.

2.2.2 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og fordampningshastighed.

Ved høj luftfugtighed sker i det væsentlige fordampning med samme hastighed, men kondensering sker hurtigere, og derfor kan fordampning anses for at ske langsommere. Kondensation er den omvendte proces med fordampning, det vil sige overgangen fra en gasformig tilstand til en flydende tilstand.

2.2.3 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved vandoverfladen og hastigheden for udstrømning af vanddamp fra overfladen.

Vanddamp, hvis dens fugtighed adskiller sig fra fugtigheden i det uendelige, bevæger sig fra overfladen af ​​vandet ved hjælp af to processer: diffusion og konvektion.

Diffusion er processen med at udligne koncentrationerne af stoffer i et bestemt volumen ved indtrængning af molekyler af et stof ind i et andet. Det afhænger af molekylernes bevægelseshastighed, det vil sige af mediets temperatur. Diffusion i gasser sker ret hurtigt.

Konvektion- Dette er fænomenet varmeoverførsel ved at blande et stof. Stoffet omrøres på grund af temperaturforskelle, som kan skyldes fordampning. Konvektion, sammenlignet med diffusion, sker langsomt.

Det kan også bemærkes, at vinden, som fører damp væk fra overfladen, påvirker fordampningshastigheden mere end de to foregående faktorer.

2.2.4 Sammenhæng mellem luftfugtighed ved overfladen og overfladegeometri.

Hvis overfladearealet, hvorfra fordampning forekommer, er lille, forsvinder dampene straks i det omgivende rum, hvis det er stort, så ikke straks, da de optager et betydeligt rumareal. Ifølge J. Daltons formel for fordampningshastigheden, som angiver dens afhængighed af overfladearealet: P=AS(F-f)/H hvor S er overfladen af ​​karret, F er den begrænsende elasticitet ved en given temperatur, f er damptryk i miljøet, H er tryk, og A er en koefficient afhængig af væskens beskaffenhed. Fartøjets form har også betydning. For eksempel, hvis en beholder med lige overfladeareal er aflang, og den anden er rund, vil diffusion føre damp væk fra den aflange beholder hurtigere, derfor vil fordampning fra den ske hurtigere.

For at opsummere er fordampningshastigheden primært påvirket af to faktorer: temperaturen på vandoverfladen og luftfugtigheden over overfladen, men disse to faktorer er påvirket af mange andre. Diagrammet viser den generelle sammenhæng mellem disse faktorer.

Konklusion.

I vores arbejde undersøgte vi de faktorer, der påvirker hastigheden af ​​vandfordampning. Som et resultat blev det fundet, at fordampningshastigheden hovedsageligt er påvirket af temperaturen ved vandoverfladen og luftfugtigheden over karret, men også af overfladearealet, konvektion, diffusion og fugtighed "i det uendelige". ."

Bibliografi:

1. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Termisk udvidelseskoefficient. Linket er gyldigt fra 04/02/2012.

2. *****. Viskositet af vand. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Link gyldigt fra 04/02/2012.

3. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Termisk diffusivitet. Linket er gyldigt fra 04/02/2012.

4. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh nummer. Linket er gyldigt fra 04/02/2012.

5. Store sovjetiske encyklopædi. Turbulens. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Link gyldigt fra 04/02/2012.

6. *****. Ustabiliteter og rum-tid strukturer. http://andrehenvisninger. *****/physics/_0.html Link gyldigt fra 04/02/2012.

7. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Termisk ledningsevne. Linket er gyldigt fra 04/02/2012.

8. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Specific varmekapacitet. Linket er gyldigt fra 04/02/2012.

9. Ingeniørhåndbog DVPA-tabeller. info. Oversigt: Temperatur, massefylde, specifik varme, volumetrisk termisk udvidelseskoefficient, kinematisk viskositet og Prandtl-tal for tør luft ved atmosfærisk tryk i området -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Link gyldigt fra 04/02/2012.

10. Betydningen af ​​ordet "Evaporation" i Brockhaus og Efrons Encyclopedic Dictionary. http://be. /article045569.html Link gyldigt fra 04/02/2012.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Termisk diffusivitet. Dataene svarer til 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh nummer. Dataene svarer til 04/02/12.

Store sovjetiske encyklopædi. Turbulens. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Data svarer til 04/02/12.

*****. Ustabiliteter og rum-tid strukturer. http://andrehenvisninger. *****/physics/_0.html Data svarer til 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Termisk udvidelseskoefficient. Dataene svarer til 04/02/12.

*****. Vandets viskositet. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Data svarer til 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Termisk ledningsevne. Dataene svarer til 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Specific varmekapacitet. Dataene svarer til 04/02/12.

Ingeniørhåndbog DVPA-tabeller. info. Oversigt: Temperatur, massefylde, specifik varme, volumetrisk termisk udvidelseskoefficient, kinematisk viskositet og Prandtl-tal for tør luft ved atmosfærisk tryk i området -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Data svarer til 04/02/12.

Betydningen af ​​ordet "Evaporation" i Brockhaus og Efrons Encyclopedic Dictionary. http://be. /article045569.html Data svarer til 04/02/12.