Faktorer som påvirker hastigheten på vannfordampning

GOU Gymnasium nr. 000

"Moscow City Pedagogical Gymnasium-Laboratory"

Essay

Faktorer som påvirker hastigheten på vannfordampning

Zhaleev Timur

Veileder:

Introduksjon

Definisjon av fordampning. Målet med arbeidet. Arbeidets relevans Beskrivelse av arbeidets struktur.

Hoveddel

Mekanismen for fordampning på molekylært nivå. Faktorer som påvirker fordampningshastigheten.

2.1 Effekt av vanntemperatur på fordampningshastigheten.

2.1.1 Ujevn oppvarming av vann.

2.1.2 Konveksjon. Laminært og turbulent regime. Rayleigh nummer. Avhengighet av typen væskeblandingsmodus på energioverføringshastigheten.

2.1.3 Lufttemperatur og dens innvirkning på vanntemperaturen. Rayleigh-tall i luft og typen luftblandingsmodus.

2.2.1 Sammenheng mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og luftfuktighet "i det uendelige".

2.2.2 Sammenheng mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og fordampningshastighet.

2.2.3 Sammenheng mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og hastigheten for utstrømning av vanndamp fra overflaten.

2.2.4 Sammenheng mellom luftfuktighet ved overflaten og overflategeometri.

Konklusjon.

Bibliografi.

Introduksjon.

Fordampning er prosessen med overgang av et stoff fra en væske til en gassform, som skjer med absorpsjon av varme.

Hensikten med dette arbeidet: å identifisere faktorer som påvirker hastigheten på vannfordampning.

Relevans:

1. Fordampning bruker en stor mengde varme, derfor kan denne prosessen brukes til avkjøling.

2. Intensiteten av fordampningen påvirker luftfuktigheten betydelig, noe som er avgjørende i mange prosesser.

3. Å studere mekanismene for fordampning vil gjøre det mulig å konstruere mer plausible modeller for fordeling av temperatur og fuktighet, det vil si at det vil gjøre det mulig å mer nøyaktig forutsi ulike klimatiske prosesser. Moderne datasystemer brukes til å beregne slike modeller, men for at de skal fungere riktig, er det nødvendig med en detaljert forståelse av alle prosessene som påvirker dannelsen av vær.

I denne artikkelen vil vi vurdere faktorene som påvirker hastigheten på vannfordampning og deres forhold.

Fordampning påvirkes av mange faktorer, men de viktigste av dem er temperaturen på vannoverflaten og luftfuktigheten over vannoverflaten. Hver av disse faktorene påvirkes av en rekke andre:

1. Vanntemperatur. Det påvirkes av omgivelsestemperaturen. Varmeveksling fra luft til vann og tilbake utføres ved varmeoverføring (direkte varmeoverføring uten blanding) og konveksjon. Konveksjon kan på sin side oppstå i forskjellige moduser: laminær og turbulent. Laminar er en modus der væsken beveger seg i stasjonære stråler uten å blandes. Turbulent er et regime der væsken blandes tilfeldig på grunn av stor temperaturforskjell.

2. Luftfuktighet over vannoverflaten. Det påvirkes av hastigheten vannet fordamper med (jo mer damp som kommer ut av vannet, jo mer er det i luften), overflate (jo større overflate, jo mer damp kommer ut av vannet), vind eller andre former for konveksjon i luften (hvor raskt vanndamp fjernes fra overflaten av vannet).

Hoveddel.

Vannmolekyler som har tilstrekkelig kinetisk energi og er nær overflaten er i stand til å bryte seg vekk fra de gjenværende vannmolekylene, det vil si at det skjer fordampning. Hvis raske molekyler er i vannsøylen og ikke på overflaten, så når de treffer andre molekyler, jobber de på dem og mister energien. Raske vannmolekyler som bryter vekk fra overflaten av vannet bærer energi med seg, så den indre energien i vannet avtar og det avkjøles.

Noen molekyler av vanndamp, som beveger seg kaotisk, går tilbake til væsken. Denne prosessen kalles kondensering. Kondensasjonshastigheten avhenger av konsentrasjonen av vanndampmolekyler.

2. Faktorer som påvirker fordampningshastigheten.

2.1. Effekt av vanntemperatur på fordampningshastigheten.

Mange faktorer påvirker fordampningshastigheten, men den viktigste er temperaturen på vannoverflaten. Jo høyere temperatur, jo høyere er gjennomsnittshastigheten til molekylene, og derfor er det flere molekyler med høye hastigheter som er i stand til å unnslippe fra overflaten. Vann har ikke samme temperatur gjennom hele tykkelsen, for å studere fordampning er temperaturen ved overflaten viktig. På sin side påvirkes denne temperaturen av en rekke faktorer:

1. Temperatur i vannsøylen. Mengden varme fra vannsøylen til overflaten kan overføres på to måter: varmeoverføring eller konveksjon. Konveksjon begynner når væsken har en høy temperatur på dybden, i dette tilfellet, utvider den ved en høyere temperatur, begynner den å stige oppover. I vann under fordampning oppstår temperaturfordelingen som er nødvendig for konveksjon på grunn av at vannet på overflaten blir kaldere når det fordamper.

2. Lufttemperatur vanligvis høyere enn overflatetemperaturen til vannet fordi fordampning skjer ved overflaten og vannet avkjøles. Derfor tilføres som regel varme fra luften til overflaten. Hvis lufttemperaturen er lavere, går varmestrømmen i motsatt retning, og hastigheten på varmefjerning avhenger av konveksjonen av luft over overflaten av vannet.

3. Fordampningsrate påvirker overflatevannstemperaturen. Jo større fordampningsintensiteten er, jo mer energi fraktet molekylene med seg, og jo lavere overflatetemperatur. Jo lavere temperatur, jo mindre energi er det i vannet, og jo lavere fordampningsintensitet.

Vi ser at alle disse faktorene er nært beslektet: hvis fordampningshastigheten øker, synker temperaturen på væskeoverflaten, derfor øker varmevekslingen mellom overflaten og vannsøylen, på den annen side øker varmevekslingen mellom vannet overflaten og luften øker, samt konveksjonsstrømmen over vannet .

Selvfølgelig kan bare en datamodell fullt ut ta hensyn til alle disse faktorene.

2.1.1 Ujevn oppvarming av vann.

La oss vurdere mer detaljert prosessen med varmeoverføring i vannsøylen. Nesten alltid, under ikke-idealiserte forhold, er temperaturen på forskjellige steder av væsken ikke den samme: vann fordamper bare ovenfra, derfor avkjøles det bare ovenfra. Oppvarming av vann skjer også vanligvis ujevnt. Solens stråler trenger for eksempel gjennom vannsøylen og varmer den opp forskjellig avhengig av vannets gjennomsiktighet. Enhver annen kilde til høyere eller lavere temperatur overfører også varme ujevnt, for eksempel hånden til en person som holder et kar.

Hvis temperaturen på vannet over er lavere, begynner konveksjon å oppstå: kaldt vann er tyngre enn varmt vann, så kaldt vann synker og varmt vann stiger. Men siden væsken ikke er fullstendig blandet, men beveger seg i hele volumer, fordeles temperaturen ujevnt. Når konveksjon oppstår, begynner væsken å bevege seg i hele "stykker". Hvis du i dette tilfellet plasserer et termometer på et bestemt punkt i væsken, vil det vise en temperatursvingning, som vil reflektere denne bevegelsen av "biter" av varm eller kald væske.

2.1.2. Konveksjon. Laminært og turbulent regime. Rayleigh nummer. Avhengighet av typen væskeblandingsmodus på energioverføringshastigheten.

Som nevnt ovenfor er konveksjon et fenomen der varmeveksling skjer ved å blande et stoff. Med sin hjelp beveger varmt vann seg fra tykkelsen til overflaten, og vann avkjølt på grunn av fordampning beveger seg på sin side fra overflaten til bunnen.

En væske, når den varmes opp nedenfra eller avkjøles ovenfra, kan blandes i to moduser: laminær og turbulent.

Laminær strømning er en strømning der væske beveger seg i jevne strømmer uten blanding eller tilfeldige, raske endringer i hastighet. Når det gjelder laminære strømninger, kan bevegelsen til en væske avbildes ved hjelp av strømlinjer: imaginære linjer langs hvilke vannpartikler beveger seg.

Turbulent strømning er en strømning der væsken blandes tilfeldig på grunn av stor temperaturforskjell. I dette tilfellet er det umulig å indikere en spesifikk bane for partikkelen.

Ved turbulent strømning oppstår mer jevn blanding av hele væsken. Hvis hele "stykker" av en viss temperatur beveger seg ved laminær blanding, vil væsken i tilfelle av et turbulent regime ha nesten samme temperatur gjennom hele volumet.

Typen regime (laminær eller turbulent) bestemmes av Rayleigh-tallet. Rayleigh-tallet er en dimensjonsløs størrelse, den beregnes ved hjelp av formelen

, Hvor

g - akselerasjon av fritt fall; målt i m/s2.

β er koeffisienten for termisk utvidelse av væsken; beregnet med formelen

Hvor Δ V- endring i kroppsvolum, V– startvolum av kroppen, Δ T- temperaturendringer; målt i K-1.

ΔT - temperaturforskjell mellom overflaten og vannsøylen; målt i K.

L er den bestemmende lineære størrelsen på varmevekslingsoverflaten; målt i m. Dette er maksimal lengde på overflaten av karet, for eksempel for et rundt kar er det diameteren, for et rektangulært kar er det diagonalen osv.

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

χ - termisk diffusivitet av væsken; beregnet ved hjelp av formelen 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. !}

Etter at dette tallet når en viss, såkalt kritisk verdi, oppstår det konveksjonsstrømmer i væsken. Denne kritiske verdien er omtrent lik. Hvis Rayleigh-tallet er mindre enn 7,4 Racrit, observeres ingen strømninger. I området fra 7,4 Racrit til 9,9 Racrit oppstår én laminær hovedstrøm med én oscillasjonsfrekvens og mange små. I området fra 9,9 Racrit til 10,97 Racrit, vises en annen laminær hovedstrøm med en annen oscillasjonsfrekvens, men små strømmer gjenstår. Frem til 11.01 Racrit vises en tredje laminær strømning med en tredje frekvens. Etter 11.01 Racrit oppstår turbulente strømninger.

For vann og et sylindrisk kar med en høyde på 2,2 cm og en radius på 12,5 cm ved romtemperatur (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 temperaturforskjell på 0,2° ble beregnet av et program som lager modeller av fordampende vann.

Vi kan konkludere med at under disse forholdene er konveksjonsmodusen turbulent

2.1.3. Lufttemperatur og dens effekt på vanntemperaturen. Rayleigh-tall i luft og typen luftblandingsmodus.

Overflatetemperaturen på vannet påvirkes også av temperaturen på luften rundt.

Hvis lufttemperaturen er forskjellig fra vanntemperaturen, oppstår varmeveksling mellom vann og luft på grunn av varmeoverføring og konveksjon.

Konveksjon i luft bestemmes også av Rayleigh-tallet. Der er det mindre med en eller to størrelsesordener, fordi viskositeten og den termiske diffusiviteten til luft er større enn vann.

Nedenfor er dataene for beregning av Rayleigh-tallet og selve beregningene for luft:

Konveksjon påvirkes også av luftfuktigheten. Siden vanndamp har en tetthet mindre enn luft, er fuktig luft lettere enn tørr luft og begynner å stige. Jo høyere fordampningshastighet, jo høyere luftfuktighet, jo mer intens er konveksjonen.

2.2. Påvirkning av luftfuktighet.

Som allerede nevnt, med en økning i luftfuktigheten over overflaten av vannet, øker kondenseringen, det vil si at fordampningsintensiteten avtar. Derfor vil vi prøve å finne ut hvilke faktorer som påvirker mengden luftfuktighet; for å gjøre dette vil vi først formulere en nøyaktig definisjon av fuktighet.

Absolutt og relativ fuktighet.

Absolutt luftfuktighet er massen av vanndamp som finnes i en kubikkmeter luft. På grunn av den lille verdien måles den vanligvis i g/m3. Relativ fuktighet er forholdet mellom den nåværende absolutte luftfuktigheten og maksimalt mulig absolutt fuktighet ved en gitt temperatur. Jo høyere temperatur, jo høyere er maksimalt mulig absolutt luftfuktighet.

2.2.1. Forholdet mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og luftfuktighet "i det uendelige".

Luft "i det uendelige" er luft som befinner seg i en slik avstand fra overflaten av væsken at fuktigheten ikke er avhengig av tilstedeværelsen av denne overflaten. Luftfuktighet "i det uendelige" påvirker absolutt luftfuktigheten på overflaten. Damp fra overflaten av vannet fortrenger damp som allerede var i luften, og har derved en tendens til å øke fuktigheten «til det uendelige». Jo høyere luftfuktigheten er i uendelig, desto vanskeligere er det for den stigende dampen å fortrenge dampen i det uendelige, og jo mindre intens fordamping oppstår.

2.2.2 Sammenheng mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og fordampningshastighet.

Ved høy luftfuktighet skjer i hovedsak fordampning med samme hastighet, men kondens skjer raskere, og derfor kan fordampning anses å skje langsommere. Kondensering er den omvendte fordampningsprosessen, det vil si overgangen fra en gassform til en flytende tilstand.

2.2.3 Sammenheng mellom luftfuktighet ved vannoverflaten og hastigheten for utstrømning av vanndamp fra overflaten.

Vanndamp, hvis fuktigheten er forskjellig fra fuktigheten i det uendelige, beveger seg fra overflaten av vannet ved hjelp av to prosesser: diffusjon og konveksjon.

Diffusjon er prosessen med å utjevne konsentrasjonene av stoffer i et visst volum ved penetrering av molekyler av ett stoff inn i et annet. Det avhenger av bevegelseshastigheten til molekylene, det vil si av temperaturen til mediet. Diffusjon i gasser skjer ganske raskt.

Konveksjon– Dette er fenomenet varmeoverføring ved å blande et stoff. Stoffet omrøres på grunn av temperaturforskjeller, som kan være forårsaket av fordampning. Konveksjon, sammenlignet med diffusjon, skjer sakte.

Det kan også bemerkes at vinden, som fører damp bort fra overflaten, påvirker fordampningshastigheten mer enn de to foregående faktorene.

2.2.4 Sammenheng mellom luftfuktighet ved overflaten og overflategeometri.

Hvis overflatearealet som fordampning skjer fra er lite, forsvinner dampene umiddelbart i det omkringliggende rommet; hvis det er stort, så ikke umiddelbart, siden de opptar et betydelig plassareal. I henhold til J. Daltons formel for fordampningshastigheten, som indikerer dens avhengighet av overflatearealet: P=AS(F-f)/H hvor S er overflaten av karet, F er den begrensende elastisiteten ved en gitt temperatur, f er damptrykk i miljøet, H er trykk, og A er en koeffisient avhengig av væskens natur. Formen på fartøyet har også betydning. For eksempel, hvis, med lik overflate, ett kar er langstrakt og det andre er rundt, vil diffusjon føre damp bort fra det langstrakte karet raskere, derfor vil fordampning fra det skje raskere.

For å oppsummere påvirkes fordampningshastigheten først og fremst av to faktorer: temperaturen på vannoverflaten og luftfuktigheten over overflaten, men disse to faktorene påvirkes av mange andre. Diagrammet viser den generelle sammenhengen mellom disse faktorene.

Konklusjon.

I vårt arbeid studerte vi faktorene som påvirker hastigheten på vannfordampning. Som et resultat ble det funnet at fordampningshastigheten hovedsakelig påvirkes av temperaturen ved overflaten av vannet og fuktigheten i luften over karet, men også av overflatearealet, konveksjon, diffusjon og fuktighet "i det uendelige ."

Bibliografi:

1. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Koeffisient for termisk ekspansjon. Linken er gyldig fra 04.02.2012.

2. *****. Viskositet av vann. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Link gyldig fra 04/02/2012.

3. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Termisk diffusivitet. Linken er gyldig fra 04.02.2012.

4. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh-nummer. Linken er gyldig fra 04.02.2012.

5. Stor sovjetisk leksikon. Turbulens. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Link gyldig fra 04.02.2012.

6. *****. Ustabiliteter og rom-tidsstrukturer. http://andrereferats. *****/physics/_0.html Link gyldig fra 04/02/2012.

7. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Termisk ledningsevne. Linken er gyldig fra 04.02.2012.

8. Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Spesifikk varmekapasitet. Linken er gyldig fra 04.02.2012.

9. Ingeniørhåndbok DVPA-tabeller. info. Oversikt: Temperatur, tetthet, spesifikk varme, volumetrisk termisk ekspansjonskoeffisient, kinematisk viskositet og Prandtl-tall for tørr luft ved atmosfærisk trykk i området -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Link gyldig fra 04/02/2012.

10. Betydningen av ordet "Evaporation" i Encyclopedic Dictionary of Brockhaus og Efron. http://be. /article045569.html Link gyldig fra 04.02.2012.

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

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Rayleigh-nummer. Dataene tilsvarer 04/02/12.

Stor sovjetisk leksikon. Turbulens. http://www. bse. *****/bse/id_81476 Data tilsvarer 04/02/12.

*****. Ustabiliteter og rom-tidsstrukturer. http://andrereferats. *****/physics/_0.html Data tilsvarer 04/02/12.

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Koeffisient for termisk ekspansjon. Dataene tilsvarer 04/02/12.

*****. Viskositet av vann. http://www. *****/article/answer/pnanetwater/vyazkost. htm Data tilsvarer 04/02/12.

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

Wikipedia. http://ru. wikipedia. org/wiki/Spesifikk varmekapasitet. Dataene tilsvarer 04/02/12.

Ingeniørhåndbok DVPA-tabeller. info. Oversikt: Temperatur, tetthet, spesifikk varme, volumetrisk termisk ekspansjonskoeffisient, kinematisk viskositet og Prandtl-tall for tørr luft ved atmosfærisk trykk i området -150 / +400 oC. http://www. dpva. info/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirMaihHeatPropAndPrandtl/ Data tilsvarer 04/02/12.

Betydningen av ordet "Evaporation" i Encyclopedic Dictionary of Brockhaus og Efron. http://be. /article045569.html Data tilsvarer 04/02/12.