Factoren die de snelheid van waterverdamping beïnvloeden

GOU Gymnasium nr. 000

"Moskou Stad Pedagogisch Gymnasium-Laboratorium"

Essay

Factoren die de snelheid van waterverdamping beïnvloeden

Zhaljev Timur

Leidinggevende:

Invoering

Definitie van verdamping. Doel van het werk. Relevantie van het werk Beschrijving van de structuur van het werk.

Grootste deel

Het mechanisme van verdamping op moleculair niveau. Factoren die de verdampingssnelheid beïnvloeden.

2.1 Effect van watertemperatuur op de verdampingssnelheid.

2.1.1 Ongelijkmatige verwarming van water.

2.1.2 Convectie. Laminair en turbulent regime. Rayleigh-nummer. Afhankelijkheid van het type vloeistofmengmodus van de energieoverdrachtssnelheid.

2.1.3 Luchttemperatuur en het effect ervan op de watertemperatuur. Rayleigh-getallen in lucht en het type luchtmengregime.

2.2.1 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en luchtvochtigheid “op oneindig”.

2.2.2 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en verdampingssnelheid.

2.2.3 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en de uitstroomsnelheid van waterdamp vanaf het oppervlak.

2.2.4 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het oppervlak en oppervlaktegeometrie.

Conclusie.

Bibliografie.

Invoering.

Verdamping is het proces waarbij een stof van een vloeibare naar een gasvormige toestand overgaat, wat plaatsvindt bij de absorptie van warmte.

Het doel van dit werk: het identificeren van factoren die de snelheid van waterverdamping beïnvloeden.

Relevantie:

1. Verdamping verbruikt een grote hoeveelheid warmte, daarom kan dit proces worden gebruikt voor koeling.

2. De intensiteit van de verdamping heeft een grote invloed op de luchtvochtigheid, wat bij veel processen doorslaggevend is.

3. Het bestuderen van de mechanismen van verdamping zal het mogelijk maken plausibeler modellen te construeren van de verdeling van temperatuur en vochtigheid, dat wil zeggen het zal het mogelijk maken om verschillende klimaatprocessen nauwkeuriger te voorspellen. Moderne computersystemen worden gebruikt om dergelijke modellen te berekenen, maar om ze correct te laten werken is een gedetailleerd begrip van alle processen die de vorming van het weer beïnvloeden noodzakelijk.

In dit artikel zullen we de factoren beschouwen die de snelheid van waterverdamping beïnvloeden en hun relatie.

Verdamping wordt door veel factoren beïnvloed, maar de belangrijkste daarvan zijn de temperatuur van het wateroppervlak en de vochtigheid van de lucht boven het wateroppervlak. Elk van deze factoren wordt beïnvloed door een aantal andere:

1. Watertemperatuur. Het wordt beïnvloed door de omgevingstemperatuur. Warmte-uitwisseling van lucht naar water en terug vindt plaats door warmteoverdracht (directe warmteoverdracht zonder vermenging) en convectie. Convectie kan op zijn beurt op verschillende manieren plaatsvinden: laminair en turbulent. Laminair is een modus waarin de vloeistof in stationaire stralen beweegt zonder te mengen. Turbulent is een regime waarbij de vloeistof willekeurig wordt gemengd vanwege een groot temperatuurverschil.

2. Luchtvochtigheid boven het wateroppervlak. Het wordt beïnvloed door de snelheid waarmee water verdampt (hoe meer stoom er uit het water komt, hoe meer er in de lucht zit), het oppervlak (hoe groter het oppervlak, hoe meer stoom er uit het water komt), wind of andere vormen van convectie in de lucht (hoe snel waterdamp van het wateroppervlak wordt verwijderd).

Grootste deel.

Watermoleculen die voldoende kinetische energie hebben en zich dicht bij het oppervlak bevinden, kunnen zich losmaken van de resterende watermoleculen, d.w.z. er vindt verdamping plaats. Als snelle moleculen zich in de waterkolom bevinden en niet op het oppervlak, dan werken ze eraan wanneer ze andere moleculen raken en verliezen ze hun energie. Snelle watermoleculen die loskomen van het wateroppervlak dragen energie met zich mee, waardoor de interne energie van het water afneemt en het afkoelt.

Sommige waterdampmoleculen die chaotisch bewegen, keren terug naar de vloeistof. Dit proces wordt condensatie genoemd. De condensatiesnelheid hangt af van de concentratie waterdampmoleculen.

2. Factoren die de verdampingssnelheid beïnvloeden.

2.1. Effect van de watertemperatuur op de verdampingssnelheid.

Er zijn veel factoren die de verdampingssnelheid beïnvloeden, maar de belangrijkste is de temperatuur van het wateroppervlak. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de gemiddelde snelheid van de moleculen, en dus hoe meer moleculen met hoge snelheden van het oppervlak kunnen ontsnappen. Water heeft niet over de gehele dikte dezelfde temperatuur; om verdamping te bestuderen is de temperatuur aan het oppervlak belangrijk. Deze temperatuur wordt op zijn beurt beïnvloed door een aantal factoren:

1. Temperatuur in de waterkolom. De hoeveelheid warmte van de waterkolom naar het oppervlak kan op twee manieren worden overgedragen: warmteoverdracht of convectie. Convectie begint wanneer de vloeistof op diepte een hoge temperatuur heeft, in dit geval begint hij bij een hogere temperatuur uit te zetten en naar boven te stijgen. In water vindt tijdens de verdamping de temperatuurverdeling plaats die nodig is voor convectie vanwege het feit dat het water aan het oppervlak kouder wordt naarmate het verdampt.

2. Luchttemperatuur meestal hoger dan de oppervlaktetemperatuur van het water, omdat verdamping aan het oppervlak plaatsvindt en het water afkoelt. Daarom wordt in de regel warmte vanuit de lucht naar het oppervlak gevoerd. Als de luchttemperatuur lager is, gaat de warmtestroom in de tegenovergestelde richting en hangt de snelheid van warmteafvoer af van de convectie van lucht boven het wateroppervlak.

3. Verdampingssnelheid heeft invloed op de temperatuur van het oppervlaktewater. Hoe groter de intensiteit van de verdamping, hoe meer energie de moleculen wegvoeren en hoe lager de oppervlaktetemperatuur. Hoe lager de temperatuur, hoe minder energie in het water en hoe lager de verdampingsintensiteit.

We zien dat al deze factoren nauw met elkaar verbonden zijn: als de verdampingssnelheid toeneemt, neemt de temperatuur van het vloeistofoppervlak af, en daarom neemt de warmte-uitwisseling tussen het oppervlak en de waterkolom toe. Aan de andere kant neemt de warmte-uitwisseling tussen het water toe. oppervlak en de lucht neemt toe, evenals de convectiestroom over het water.

Uiteraard kan alleen een computermodel volledig rekening houden met al deze factoren.

2.1.1 Ongelijkmatige verwarming van water.

Laten we het proces van warmteoverdracht in de waterkolom in meer detail bekijken. Bijna altijd is onder niet-geïdealiseerde omstandigheden de temperatuur op verschillende plaatsen van de vloeistof niet hetzelfde: water verdampt alleen van bovenaf en wordt daarom alleen van bovenaf gekoeld. Het verwarmen van water gebeurt meestal ook ongelijkmatig. De zonnestralen dringen bijvoorbeeld door in de waterkolom en verwarmen deze op verschillende manieren, afhankelijk van de transparantie van het water. Elke andere bron van hogere of lagere temperatuur brengt de warmte ook ongelijkmatig over, bijvoorbeeld de hand van iemand die een vat vasthoudt.

Als de temperatuur van het water erboven lager is, ontstaat er convectie: koud water is zwaarder dan warm water, dus koud water zinkt en heet water stijgt. Maar omdat de vloeistof niet volledig gemengd is, maar in hele volumes beweegt, wordt de temperatuur ongelijkmatig verdeeld. Wanneer convectie optreedt, begint de vloeistof in hele “stukjes” te bewegen. Als u in dit geval een thermometer op een bepaald punt in de vloeistof plaatst, zal deze een temperatuurschommeling vertonen, die deze beweging van “stukjes” warme of koude vloeistof zal weerspiegelen.

2.1.2. Convectie. Laminair en turbulent regime. Rayleigh-nummer. Afhankelijkheid van het type vloeistofmengmodus van de energieoverdrachtssnelheid.

Zoals hierboven vermeld, is convectie een fenomeen waarbij warmte-uitwisseling plaatsvindt door het mengen van een stof. Met zijn hulp beweegt heet water van de dikte naar het oppervlak, en door verdamping gekoeld water beweegt zich op zijn beurt van het oppervlak naar de bodem.

Een vloeistof kan, wanneer hij van onderaf wordt verwarmd of van bovenaf wordt gekoeld, op twee manieren worden gemengd: laminair en turbulent.

Laminaire stroming is een stroming waarin vloeistof in gestage stromen beweegt zonder vermenging of willekeurige, snelle snelheidsveranderingen. Bij laminaire stromingen kan de beweging van een vloeistof worden weergegeven met behulp van stroomlijnen: denkbeeldige lijnen waarlangs waterdeeltjes bewegen.

Turbulente stroming is een stroming waarbij de vloeistof willekeurig wordt gemengd als gevolg van een groot temperatuurverschil. In dit geval is het onmogelijk om een ​​specifiek traject van het deeltje aan te geven.

Bij turbulente stroming vindt een meer uniforme menging van de gehele vloeistof plaats. Als bij laminaire menging hele “stukken” van een bepaalde temperatuur bewegen, dan heeft de vloeistof bij een turbulent regime door het gehele volume vrijwel dezelfde temperatuur.

Het type regime (laminair of turbulent) wordt bepaald door het Rayleigh-getal. Het Rayleigh-getal is een dimensieloze grootheid en wordt berekend met de formule

, Waar

g - versnelling van de vrije val; gemeten in m/s2.

β is de thermische uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof; berekend met de formule

Waar Δ V– verandering in lichaamsvolume, V– beginvolume van het lichaam, Δ T– temperatuurverandering; gemeten in K-1.

ΔT - temperatuurverschil tussen het oppervlak en de waterkolom; gemeten in K.

L is de bepalende lineaire grootte van het warmtewisselingsoppervlak; gemeten in m. Dit is de maximale lengte op het oppervlak van het vat, bij een rond vat is dit bijvoorbeeld de diameter, bij een rechthoekig vat is dit de diagonaal, enz.

v - kinematische viscositeit van de vloeistof; numeriek gelijk aan ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t + 0,000221t2)), waarbij t de temperatuur is en ρ de dichtheid van de vloeistof; gemeten bij 10-6 m2/s.

χ - thermische diffusiteit van de vloeistof; berekend met behulp van de formule 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. !}

Nadat dit getal een bepaalde, zogenaamde kritische waarde bereikt, ontstaan ​​er convectieve stromingen in de vloeistof. Deze kritische waarde is ongeveer gelijk. Als het Rayleighgetal kleiner is dan 7,4 Racrit, worden er geen stromingen waargenomen. In het gebied van 7,4 Racrit tot 9,9 Racrit ontstaat één laminaire hoofdstroom met één oscillatiefrequentie en vele kleine. In het bereik van 9,9 Racrit tot 10,97 Racrit verschijnt er nog een laminaire hoofdstroming met een andere oscillatiefrequentie, maar er blijven kleine stromingen over. Tot 11.01 Racrit verschijnt een derde laminaire stroming met een derde frequentie. Na 11.01 Racrit treden turbulente stromingen op.

Voor water en een cilindrisch vat met een hoogte van 2,2 cm en een straal van 12,5 cm bij kamertemperatuur (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)

gem = 4183 J/(kg*K)

χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 m2/s

Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3669

Een temperatuurverschil van 0,2° werd berekend door een programma dat modellen maakt van verdampend water.

We kunnen concluderen dat onder deze omstandigheden de convectiemodus turbulent is

2.1.3. Luchttemperatuur en het effect ervan op de watertemperatuur. Rayleigh-getallen in lucht en het type luchtmengregime.

De oppervlaktetemperatuur van het water wordt ook beïnvloed door de temperatuur van de omringende lucht.

Als de luchttemperatuur verschilt van de watertemperatuur, vindt er warmte-uitwisseling plaats tussen water en lucht als gevolg van warmteoverdracht en convectie.

Convectie in lucht wordt ook bepaald door het Rayleigh-getal. Daar is het een of twee ordes van grootte minder, omdat de viscositeit en de thermische diffusiviteit van lucht groter zijn dan die van water.

Hieronder staan ​​de gegevens voor het berekenen van het Rayleigh-getal en de berekeningen zelf voor lucht:

Convectie wordt ook beïnvloed door de luchtvochtigheid. Omdat waterdamp een dichtheid heeft die kleiner is dan die van lucht, is vochtige lucht lichter dan droge lucht en begint te stijgen. Dus hoe hoger de verdampingssnelheid, hoe hoger de luchtvochtigheid, hoe intenser de convectie.

2.2. Invloed van luchtvochtigheid.

Zoals reeds vermeld, neemt bij een toename van de luchtvochtigheid boven het wateroppervlak de condensatie toe, d.w.z. de intensiteit van de verdamping neemt af. Daarom zullen we proberen erachter te komen welke factoren de hoeveelheid luchtvochtigheid beïnvloeden; om dit te doen, zullen we eerst een nauwkeurige definitie van vochtigheid formuleren.

Absolute en relatieve vochtigheid.

De absolute luchtvochtigheid is de massa waterdamp die zich in een kubieke meter lucht bevindt. Vanwege de kleine waarde wordt deze meestal gemeten in g/m3. De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen de huidige absolute vochtigheid en de maximaal mogelijke absolute vochtigheid bij een bepaalde temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de maximaal mogelijke absolute luchtvochtigheid.

2.2.1. De relatie tussen de luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en de luchtvochtigheid ‘op het oneindige’.

Lucht “in het oneindige” is lucht die zich op een zodanige afstand van het vloeistofoppervlak bevindt dat de vochtigheid ervan niet afhankelijk is van de aanwezigheid van dit oppervlak. Luchtvochtigheid “op oneindig” heeft zeker invloed op de luchtvochtigheid aan het oppervlak. Stoom van het wateroppervlak verdringt stoom die al in de lucht zat, waardoor de luchtvochtigheid “tot in het oneindige” toeneemt. Hoe hoger de luchtvochtigheid op oneindig, hoe moeilijker het is voor de opstijgende stoom om de stoom op oneindig te verdringen, en hoe minder intense verdamping er optreedt.

2.2.2 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en verdampingssnelheid.

Bij een hoge luchtvochtigheid vindt de verdamping in wezen met dezelfde snelheid plaats, maar de condensatie treedt sneller op en daarom kan worden aangenomen dat de verdamping langzamer plaatsvindt. Condensatie is het omgekeerde proces van verdamping, dat wil zeggen de overgang van een gasvormige toestand naar een vloeibare toestand.

2.2.3 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het wateroppervlak en de uitstroomsnelheid van waterdamp vanaf het oppervlak.

Waterdamp beweegt, als de vochtigheid ervan verschilt van de vochtigheid in het oneindige, van het wateroppervlak met behulp van twee processen: diffusie en convectie.

Verspreiding is het proces waarbij de concentraties van stoffen in een bepaald volume gelijk worden gemaakt door de penetratie van moleculen van de ene stof in de andere. Het hangt af van de bewegingssnelheid van de moleculen, dat wil zeggen van de temperatuur van het medium. Diffusie in gassen vindt vrij snel plaats.

Convectie- Dit is het fenomeen van warmteoverdracht door het mengen van een stof. De stof wordt geroerd vanwege temperatuurverschillen, die kunnen ontstaan ​​door verdamping. Convectie vindt, vergeleken met diffusie, langzaam plaats.

Er kan ook worden opgemerkt dat de wind, die stoom van het oppervlak afvoert, de verdampingssnelheid sterker beïnvloedt dan de vorige twee factoren.

2.2.4 Relatie tussen luchtvochtigheid aan het oppervlak en oppervlaktegeometrie.

Als het oppervlak waaruit verdamping plaatsvindt klein is, verspreiden de dampen zich onmiddellijk in de omringende ruimte; als het groot is, dan niet onmiddellijk, omdat ze een aanzienlijk ruimteoppervlak in beslag nemen. Volgens de formule van J. Dalton voor de verdampingssnelheid, die de afhankelijkheid van het oppervlak aangeeft: P=AS(F-f)/H waarbij S het oppervlak van het vat is, F de beperkende elasticiteit bij een gegeven temperatuur, f de dampspanning in de omgeving, H is druk en A is een coëfficiënt afhankelijk van de aard van de vloeistof. De vorm van het vat is ook van belang. Als bijvoorbeeld bij een gelijk oppervlak het ene vat langwerpig is en het andere rond, dan zal diffusie de damp sneller van het langwerpige vat wegvoeren, waardoor de verdamping daaruit sneller zal plaatsvinden.

Samenvattend wordt de verdampingssnelheid voornamelijk beïnvloed door twee factoren: de temperatuur van het wateroppervlak en de vochtigheid van de lucht boven het oppervlak, maar deze twee factoren worden door vele andere factoren beïnvloed. Het diagram toont de algemene relatie tussen deze factoren.

Conclusie.

In ons werk hebben we de factoren bestudeerd die de snelheid van waterverdamping beïnvloeden. Als gevolg hiervan werd vastgesteld dat de verdampingssnelheid voornamelijk wordt beïnvloed door de temperatuur aan het wateroppervlak en de vochtigheid van de lucht boven het vat, maar ook door het oppervlak, convectie, diffusie en vochtigheid “in het oneindige”. .”

Bibliografie:

1. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Coëfficiënt van thermische uitzetting. De link is geldig vanaf 04/02/2012.

2. *****. Viscositeit van water. http://www. *****/artikel/antwoord/pnanetwater/vyazkost. htm-link geldig vanaf 04/02/2012.

3. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Thermische diffusiviteit. De link is geldig vanaf 04/02/2012.

4. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh-nummer. De link is geldig vanaf 04/02/2012.

5. Grote Sovjet-encyclopedie. Turbulentie. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Link geldig vanaf 04/02/2012.

6. *****. Instabiliteiten en ruimte-tijdstructuren. http://anderereferaten. *****/physics/_0.html Link geldig vanaf 04/02/2012.

7. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Thermische geleidbaarheid. De link is geldig vanaf 04/02/2012.

8. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Specifieke warmtecapaciteit. De link is geldig vanaf 04/02/2012.

9. Techniekhandboek DVPA-tabellen. informatie. Overzicht: temperatuur, dichtheid, soortelijke warmte, volumetrische thermische uitzettingscoëfficiënt, kinematische viscositeit en Prandtl-getal voor droge lucht bij atmosferische druk in het bereik -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Link geldig vanaf 04/02/2012.

10. De betekenis van het woord “Verdamping” in het Encyclopedisch Woordenboek van Brockhaus en Efron. http://be. /artikel045569.html Link geldig vanaf 04/02/2012.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Thermische diffusiviteit. De gegevens komen overeen met 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh-nummer. De gegevens komen overeen met 04/02/12.

Grote Sovjet-encyclopedie. Turbulentie. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Gegevens komen overeen met 04/02/12.

*****. Instabiliteiten en ruimte-tijdstructuren. http://anderereferaten. *****/physics/_0.html Gegevens komen overeen met 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Coëfficiënt van thermische uitzetting. De gegevens komen overeen met 04/02/12.

*****. Viscositeit van water. http://www. *****/artikel/antwoord/pnanetwater/vyazkost. htm-gegevens komen overeen met 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Thermische geleidbaarheid. De gegevens komen overeen met 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Specifieke warmtecapaciteit. De gegevens komen overeen met 04/02/12.

Techniekhandboek DVPA-tabellen. informatie. Overzicht: temperatuur, dichtheid, soortelijke warmte, volumetrische thermische uitzettingscoëfficiënt, kinematische viscositeit en Prandtl-getal voor droge lucht bij atmosferische druk in het bereik -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Gegevens komen overeen met 04/02/12.

De betekenis van het woord "Verdamping" in het Encyclopedisch Woordenboek van Brockhaus en Efron. http://be. /article045569.html Gegevens komen overeen met 04/02/12.