Испарение и испаряемость Упругость насыщения над разными поверхностями

Предельным значением упругости водяного пара, который находится в воздухе, есть упругость насыщения. При положительных температурах эта величина над плоской поверхностью дистиллированной воды зависит только от температуры, а при отрицательных температурах она зависит и от фазового состояния испаряющей поверхности.

Упругость насыщения над поверхностью льда меньше, чем над поверхностью переохлажденной воды при той же температуре. Капли воды, взвешенные в атмосфере или те, что выпадают из облаков, всегда содержат некоторое количество раскрытых солей или кислот. Упругость насыщения над плоской поверхностью раствора какого-нибудь вещества меньше, чем над дистиллированной водой.

Поток водяного пара зависит от разности между парциальным давлением насыщенного пара непосредственно на поверхности воды или суши (Е₁) и парциальным давлением пара, который содержится в воздухе на некотором удалении от поверхности (е).

Если (Е₁ – е) >0, то происходит перенос пара от поверхности воды в воздух – испарение.

Если (Е₁ – е) <0, то, наоборот, преобладает поступление пара из воздуха на поверхность водоема (суши) - конденсация или сублимация пара.

При (Е₁ – е) = 0 наблюдается динамическое равновесие потоков к поверхности водоемов (суши) и от нее.

Величину d₁ = (Е₁ – е) называют дефицитом насыщения, рассчитанным по температуре поверхности, которая испаряет.

Характер процесса (испарение или конденсация) можно определить также по равновесной относительной влажности r_р (%), сопоставляя последнюю с относительной влажностью воздуха r. Под равновесной относительной влажностью понимается влажность, при которой устанавливается динамическое равновесие систем пар – жидкость или пар – лед.

r_р = , (5.1)

где Е₁ – давление насыщенного водного пара в тонком слое над поверхностью льда (воды), определенное по температуре испаряющей поверхности с учетом ее фазового состояния, наличия примесей, кривизны испаряющей поверхности и электрических зарядов;

Е – давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, определенное по температуре воздуха.

При отрицательных температурах Е берется относительно воды.

Если r < r_р , то осуществляется испарение,

если r > r_р - конденсация,

если r = r_р, то наступает динамическое равновесие фаз.

Если известно давление насыщенного пара над плоской поверхностью чистой воды, то для расчета давления над плоской поверхностью чистого льда при разных температурах можно использовать следующую формулу:

. (5.2)

Зависимость давления насыщенного пара от кривизны испаряющей поверхности, описывается формулой Томсона:

, (5.3)

где Е – давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, гПа;

E_r – давление насыщенного водяного пара над каплей или капилляром радиусом r, гПа;

 - коэффициент поверхностного натяжения на границе вода – водяной пар, поверхностная ли энергия, Дин/см;

_к – плотность воды, г/см³;

r – радиус кривизны поверхности, см;

Т – температура воздуха, К.

Формулу (5.3) можно привести к виду:

, (5.4)

где с_r = 2 /(R_п _к Т) – величина, которую практически можно считать постоянной и равной 1,2*10^-7см.

Формула (5.4) справедливая как для выпуклой (r >1), так и для вогнутой (r <1) поверхностей.

Общее влияние кривизны и фазового состояния на давление насыщенного водяного пара можно описать уравнением:

. (5.5)

Зависимость давления насыщенного пара от наличия примесей согласно закону Рауля, имеет вид:

, (5.6)

где n – число молей растворенного вещества,

N - число молей растворителя.

Давление насыщенного пара над каплями растворов зависит от наличия примесей солей и кривизны поверхности:

, (5.7)

где r и r₀ – радиусы капель с ненасыщенным и насыщенным растворами соли, соответственно, см;

с_р – экспериментально установленный коэффициент, который характеризует уменьшение давления насыщенного пара над насыщенным раствором вещества, Дж/(г*град);

Для основных ядер конденсации в атмосфере значения коэффициента С_р приведенные в таблицы 5.1.

Таблица 5.1 - Значение коэффициента С_р для основных ядер конденсации в атмосфере

Вещество	(NH4)2SO4	NaNO3	NaCl	NH4Cl	CaCl
Ср	0,17	0,19	0,22	0,20	0,65

Зависимость упругости насыщение от кривизны и электрического заряда капли определяется формулой Томсона:

, (5.8)

где с_q для единичного элементарного заряда и температуры 0 ⁰С равняется 7,5*10^-30 см^-4;

 - число единичных зарядов на поверхности капли.