Лабораторна робота № 5 визначення швидкості випару води

Метою даної роботи є визначення швидкості випару води з водяної поверхні і поверхні, що підстилає.

5.1. Теоретична частина

Випаром чи швидкістю випару, називається маса води, що випарувалася з одиниці поверхні в одиницю часу (г/(см² · добу), (кг/(м² · добу)). Випар часто характеризується висотою шару води, що випарувалася, вимірюваної в міліметрах чи сантиметрах (1 мм шару води дорівнює 0,1 г/см² = 1 кг/м²).

Згідно закону Дальтона швидкість випару W (кг/м²·добу) прямо пропорційна дефіциту вологості, обчисленому по температурі поверхні, що випаровує, і обернено пропорційна атмосферному тиску:

W = А · (E₁ – e) / P, (5.1)

де E₁ – пружність насичення, взята по температурі поверхні, що випаровує, мб;

e – пружність пари в навколишньому повітрі, мб;

Р – атмосферний тиск, мб;

А – коефіцієнт пропорційності, що залежить від швидкості вітру.

При розрахунках добової швидкості випару з поверхні необмежених водойомів (морів і океанів) використовують формулу з даними суднових гідрометеорологічних спостережень на висотах 6 або 8 м:

W = 0,622·10^-3 ·а_z ·u ·(E₁ –e), кг/(м² ·добу) або мм/добу, (5.2)

де u – швидкість вітру, м/с;

Е₁ – середнєдобове значення тиску насиченої водяної пари, що відповідає температурі поверхні водойма, гПа;

е - середнєдобове значення парціального тиску водяної пари на рівні суднових спостережень, гПа;

a_z - коефіцієнт, що враховує залежність турбулентного влагообмена від шорсткості поверхні, температурної стратифікації приводного шару і від рівня вимірів, см.

Середнє значення a_z на рівні суднових вимірів для усього Світового океану складає 2,5·10^-3 см. Тоді формула (5.2) для розрахунку добових сум випару W (кг/(м² · добу) або мм/добу здобуває вид:

W = 0,134 u (E₁ – e). (5.3)

При відсутності спостережень за температурою поверхні водойм для розрахунку випару використовують метеорологічні спостереження берегових станцій, у цьому випадку формула (6.2) здобуває наступний вид:

W = 0,15 (1+0,72 u₂) (E₁ – e₂)^0,78 , мм/добу (5.4)

де (E₁ – e₂) – середній добовий дефіцит насичення на висоті 2 м.

Для замкнутих водойомів при обчисленні річних сум випару можна використовувати рівняння теплового балансу:

, (5.5)

де В – річний радіаційний баланс, Вт/м²;

С – питома теплота пароутворення, Дж/кг;

t₁, t₂, E₁, e – середні річні значення метеорологічних параметрів.

Для розрахунку випару з поверхні суші використовують метод теплового балансу:

, (5.6)

де В – річний радіаційний баланс, Вт/м²;

Р – поверхнева щільність теплового потоку в ґрунті (Вт/м²);

t₁ і е₁ -температура і парціальний тиск водяної пари на рівні 0,5 м;

t₂ і е₂ - відповідні метеорологічні величини на рівні 2 м.

Формулу (5.6) рекомендується застосовувати тільки при наступних умовах:

В – Р ≥ 0,07 квт/м²; Δt ≥ 0,1 °С; Δе > 0,1 гПа.

Розрахунок випару зі сніжної поверхні W, мм/година, якщо сніг покриває великі простори, проводять по формулі:

W = 0,622/p · a_z ·u ·(E_1,л – e), (5.7)

де Е_1,л - тиск насиченої пари над льодом при температурі поверхні снігу чи льоду (гПа);

u – швидкість вітру (м/с);

a_z - коефіцієнт, що враховує залежність турбулентного вологообміну від шорсткості поверхні.

Величина a_z · 0,622/р при тиску 1000 гПа і різних значеннях шорсткості для двох рівнів виміру швидкості вітру: 2 і 10 м/с мають значення, наведені в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1 – Залежність величини a_z · 0,622/р від виду поверхні

Вид поверхні	Рівень вимірів, див	а2 · 0,622/р	а10 · 0,622/р
Стійкий сніжний покрив висотою більш 20 див	0,05	0,0061	0,0051
Плямистий сніг і хитливий сніжний покрив	0,25	0,0092	0,0077
Наявність під снігом чи стерні стебел	0,60	0,0123	0,0103

При переході речовини з одного фазового стану в інше потрібно затратити деяку кількість тепла при незмінній температурі. Витрата тепла на випар (Q) дорівнює:

Q = C · W, (Дж/м² · добу), (5.10)

де С – питома теплота пароутворення (конденсації), що залежить від температури поверхні, що випаровує, Дж/кг.

W – швидкість випару, кг/(м² · добу).

При обчисленні випару з поверхні льоду (снігу) використовується питома теплота сублімації С_с, що слабко залежить від температури поверхні, що випаровує (Додаток В).

5.2 Порядок виконання роботи

5.2.1 Узяти дві фарфорові або скляні чашки. Визначити їхній діаметр і порахувати площу чашок.

5.2.2 В одну чашку налити приблизно 30 мл води і зважити її на технічних вагах. В другу чашку насипати приблизно 20 – 30 мл піску, який рівномірно змочити 5 – 10 мл води. Чашку також зважити на технічних вагах.

5.2.3 Обидві чашки поставити в термостат, нагрітий до температури 40 °С. Через 20, 40, 60 хвилин обидві чашки зважити, визначити збиток маси і порахувати середню величину втрати маси для обох чашок.

5.2.4 Заміряти тиск у кімнаті і відносну вологість за допомогою психрометра. По таблицях визначити значення максимальної пружності пари при температурі 40 °С.

5.2.5 Розрахувати швидкість випару за формулою:

W = m / (S · t), (г/см² · с)

5.2.6 Маючи значення швидкості випару, розрахувати коефіцієнт А.

А = W · P / (E – e) для води і

А' = W' · P / (E – e) для змоченого піску.

Дані експерименту і розрахунку звести в таблиці 5.2 і 5.3.

Таблиця 5.2 – Дані експерименту для чашки з водою

Вихідна маса чашки з водою, м	Час, с	Маса чашки з водою після термостата, г	Маса води, що випарувалася, г	Швидкість випару, W, г/см2 · с	Коефіцієнт А
	1200
	2400
	3600

Таблиця 5.3 - Дані експерименту для чашки з вологим піском

Вихідна маса чашки з вологим піском, м	Час, с	Маса чашки, з вологим піском після термостата, г	Маса води, що випарувалася, г	Швидкість випару, W	Коефіцієнт А'
	1200
	2400
	3600