5.1.1. Тиск насиченої водяної пари

Тиск насиченої водяної пари залежить від температури повітря, тобто чим вища температура, тим більше водяної пари може вміщуватись у повітрі (мал.5.1). Крім графіка, тиск насиченої водяної пари можна визначити за психрометричними таблицями. Наприклад, при температурі 0⁰ С тиск насичення або тиск насиченої водяної пари дорівнює 6,1 гПа, при +10⁰ С– 12,3 гПа, при +20⁰ С – 23,4 гПа, при +30⁰ С – 42,4 гПа.

П

Мал. 5.1. Тиск насиченої водяної пари залежно від температури.

ри підвищенні температури на кожні 10⁰ С тиск насиченої водяної пари збільшується майже вдвічі. При температурі 30⁰ С повітря може вміщувати водяної пари в 7 разів більше, ніж при температурі 0⁰ С.

Тиск насиченої водяної пари по відношенню до води і до льоду різний (табл.5.1).

Таблиця 5.1 Тиск насиченої водяної пари над водою Е_в, льодом Е _л та їх різниця.

t,0С	Ев, гПа	Ел, гПа	∆Е, гПа
0 -5 -10 -12 -15 -20 -25	6,11 4,21 2,86 2,44 1,91 1,25 0,81	6,11 4,01 2,60 2,17 1,65 1,03 0,63	0 0,20 0,26 0,27 0,26 0,22 0,18

Це дуже важливо знати. Краплі води в туманах та хмарах перебувають у переохолодженому стані. Частина крапель в атмосфері замерзає і перетворюється на кристали при температурі -10⁰ С і нижче. Тому в атмосфері краплі води і кристали льоду можуть плавати поруч. При від’ємних температурах тиск насиченої водяної пари по відношенню до кристалів льоду менший, ніж по відношенню до переохолоджених крапель. Наприклад, при температурі

-10⁰ С над переохолодженою водою тиск насиченої водяної пари 2,86 гПа, а над льодом 2,60 гПа. Тому якщо при температурі -10⁰ С фактичний тиск водяної пари буде 2,7 гПа, то для переохолоджених крапель таке повітря ненасичене і вони будуть випаровуватись, а для кристалів льоду повітря перенасичене і вони будуть збільшуватись. Це дуже важливо для утворення атмосферних опадів.

Така різниця тиску насиченої водяної пари над водою та льодом пояснюється тим, що сили зчеплення молекул льоду більші, ніж молекул води. Тому стан насичення над льодом настає при меншому вмісту водяної пари у повітрі, ніж над водою.

Над крапельками води тиск насиченої водяної пари більший, ніж над рівною поверхнею води, тому що сили зчеплення молекул у краплі менші, ніж на плоскій поверхні. Над великими краплями перевищення тиску незначне. Для крапель з радіусом 10^-7 см тиск насичення водяної пари втричі більший, ніж над плоскою поверхнею води. Тому у насиченому водяною парою повітрі по відношенню до поверхні води дрібні краплі довго не зберігаються, вони випаровуються.

Стійкості крапель води в атмосфері сприяє те, що вони вміщують розчини морської солі, оскільки вони утворюються на кристаликах солі. Тиск насиченої водяної пари над розчином солей менший, ніж над прісною водою приблизно на 2%.

5.1.2. Швидкість випаровування води

Швидкість випаровування h виражають у міліметрах шару води, що випаровується з даної поверхні за добу, за місяць чи за рік. Її можна визначити за законом Д. Дальтона.

h= (E´-e) / p·υ

Вона прямо пропорційна різниці між тиском насиченої водяної пари при температурі випаровуючої поверхні Е^′ та фактичним тиском водяної пари у повітрі е. Чим більша різниця Е^′- е, тим більше води випаровується за одиницю часу. Якщо випаровуюча поверхня тепліша за повітря, то Е^′ більша, ніж тиск насиченої водяної пари при температурі повітря Е. Тому випаровування продовжується і тоді, коли повітря насичене, тобто коли е= Е < Е́.

Швидкість випаровування залежить і від атмосферного тиску Р. Вона обернено пропорційна тиску. Це має велике значення при порівнянні випаровування в горах на різних висотах, а на рівнині тиск між сусідніми пунктами змінюється мало. Швидкість випаровування залежить також від швидкості вітру υ. Суть впливу вітру полягає в тому, що він відносить водяну пару від випаровуючої поверхні і підтримує велику різницю Е́ – е поблизу цієї поверхні. Звідси видно, що випаровування найбільше вдень та влітку.

Молекули, які відірвались від води і перетворились у пару, втрачають частину енергії на подолання сили зчеплення і на роботу розширення. У результаті кінетична енергія молекул, що залишилися в рідині, зменшується, отже рідина охолоджується.

Для випаровування води необхідна велика кількість тепла, яке називається теплотою випаровування або теплотою утворення пари. Її визначають за виразом

L= (2500-2,72t)10³ Дж/кг

де 2500·10³ Дж/кг (або 2500 кДж/кг) – питома теплота утворення пари (або конденсації) за температури 0⁰С, t–температура повітря,⁰С.

Питома теплота випаровування льоду більша - 2720·10³ Дж/кг. Питома теплота сублімації водяної пари становить 2834,6·10³ Дж/кг.

З вищенаведеного виразу видно, що при підвищенні температури випаровуючої поверхні витрати тепла на випаровування зменшуються.

Коли йде мова про випаровування, то потрібно відрізняти фактичне випаровування і можливе випаровування або випаровуваність. Випаровуваність – це максимально можливе випаровування при даних метеорологічних умовах і необмеженій кількості води. Випаровування з поверхні водойм або добре зволоженої поверхні суходолу можна вважати за випаровуваність. Випаровування з поверхні ґрунту в умовах недостатнього зволоження завжди менше від випаровуваності і тим менше, чим сухіша територія, адже немає чому випаровуватись.

Існує кілька інструментальних способів визначання швидкості випаровування води. Суть їх зводиться до визначення товщини шару води, яка випаровується за одиницю часу з випарників різних конструкцій. Крім того є багато методів обчислення величини випаровування води. Найпоширенішим в географії є метод водного балансу

Е=Н – r,

де Е – річна сума випаровування з басейну річки, мм, Н – річна сума опадів мм, r – річний стік мм.

Річний стік – це спостереження за витратами води в річці, тобто кількість води, що проходить за одиницю часу через поперечний перетин річки.