Физика аэрозолей / Физ.аэрозолей 2
.doc
Министерство
образования и науки Российской Федерации
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра экспериментальной физики атмосферы
Дисциплина «Экспериментальная физика аэрозолей»
ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АКТИВАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ
Вариант №2
Выполнили:
ст. гр. ПМ-Б15-1-3 ___________________ Светачева А.
Проверил: Скачков И.
доц. каф. ЭФА ___________________ Чукин В.В.
Санкт-Петербург 2017
Цель работы:
Исследовать зависимость процессов образования капель воды и
кристаллов льда на частицах аэрозоля от температуры и влажности воздуха.
Основная теоретическая информация:
Энергия, необходимая для образования капель воды и кристаллов льда
различного размера из молекул водяного пара, определяется формулой:
ΔGvw энергия, затрачиваемая для объединения молекул водяного пара в одну каплю воды, Дж;
ρw плотность воды, равная 1000 кг/м3 ;
k постоянная Больцмана, равная 23 1.38 10 Дж/K;
mw масса молекулы воды, равная 2.99⋅10−26 кг;
T температура воздуха, K;
S относительная влажность воздуха в долях единицы;
r радиус образующейся частицы, м;
σvw поверхностная энергия натяжения на границе между водой и паром, зависящая от температуры воздуха по формуле: 0.111109−1.3⋅10−4 ⋅T Дж/м2 ;
q - электрический заряд частицы, Кл;
ε' - относительная диэлектрическая проницаемость атмосферы,
примерно равная 1.0;
ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума,
равная 8.85⋅10−12 Ф/м .
Максимальные затраты энергии необходимы для создания капли или
кристалла критического размера. Для создания капель и кристаллов
меньшего или большего размера требуются меньшие энергетические затраты.
Система из молекул воды, как любая термодинамическая система, стремиться
уменьшить свою свободную энергию. Поэтому, если радиус частиц менее
критического (r<rc ) , то частицы уменьшают свои размеры с течением
времени и распадаются на молекулы, а если размер частиц более
критического (r>rc ) , то такие частицы растут с течением времени. В обоих
случаях свободная энергия системы уменьшается.
Значение критического размера ядра капли воды определяется по
формуле:
rcw критический радиус капли воды, м.
Порядок выполнения работы:
Для определения значения равновесного радиуса гидратированных ионов и критического радиуса капель использовали формулу критического радиуса капель воды (rcw).
Затем, составлена программа на языке программирования Python, которая позволила рассчитать значения равновесного радиуса в диапазоне размеров капель от 2⋅10^−10 до1.3⋅10^−9 м., и представила на рис. 1. графики зависимости ΔGvw(r).
Р
ис.
1
Скрипт
#-------------------------------------------------------------------------------
# Name: module1
# Purpose:
#
# Author: student
#
# Created: 31.10.2016
# Copyright: (c) student 2016
# Licence: <your licence>
#-------------------------------------------------------------------------------
def main():
pass
if __name__ == '__main__':
main()
#-------------------------------------------------------------------------------
# Name: module1
# Purpose:
#
# Author: student
#
# Created: 17.10.2016
# Copyright: (c) student 2016
# Licence: <your licence>
#-------------------------------------------------------------------------------
def main():
pass
if __name__ == '__main__':
main()
#!/usr/bin/env python
# coding: utf8
from numpy import *
from math import *
from matplotlib.pyplot import *
#################################################################################
# Дисциплина:
# ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА АЭРОЗОЛЕЙ
# Пример 1A:
# ИНТЕГРИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ РАСПЕРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ ПО РАЗМЕРАМ
# Авторы:
# Чукин Владимир Владимирович <chukin@meteolab.ru>
# Чукина Александра Михайловна <chukina@meteolab.ru>
# Садыкова Алися Фаилевна <sadykova@meteolab.ru>
# Воробъёва Ольга Владимировна <vorobyeva@meteolab.ru>
# Версия:
# 2016-09-19
#################################################################################
#################################################################################
# Задаем параметры распередения аэрозолей по размерам
#################################################################################
pw = 1000.0 # Плотность воды, равная кг/м3;
k = 1.38E-23 # постоянная Больцмана Дж/K;
mw = 2.99E-26 # масса молекулы воды, равная кг;
T = 273.15 # температура воздуха, K;
q = [1.6E-19, 0] # Заряд, Кл
S = 4.0
e1 = 1.0
e0 = 8.85E-12
rmin = 2.0E-10 # радиус min образующейся частицы, м;
rmax = 1.3E-9 # радиус max образующейся частицы, м;
dr = 1E-11
m = int((rmax-rmin)/dr)+1
r = zeros(m)
a = zeros((len(q),len(r)),dtype=float)
b = zeros((len(q),len(r)),dtype=float)
c = zeros((len(q),len(r)),dtype=float)
h = zeros((len(q),len(r)),dtype=float)
G = zeros((len(q),len(r)),dtype=float)
rcw = 2*h*mw/pw*k*T*log10(S)
for i in range(len(q)):
for j in range(m):
r[j] = rmax - j*dr
#rcw = (2*h*mw)/(pw*k*T*lod(S))
h = 0.111109 - (1.3E-4)*T
a[i][j] = (-4*pi*pw*k*T*log(S))/3/mw*r[j]**3
b[i][j] = 4*pi*h*r[j]**2
c[i][j] = q[i]**2/(8*pi*e1*e0*r[j])
G[i][j] = a[i][j]+b[i][j]+c[i][j]
#################################################################################
# Построение графика
#################################################################################
semilogx(r, G[0], color= "red", lw=1,label ="q1")
semilogx(r, G[1], color="blue",lw=1,label ="q1")
xlabel("r, m", fontsize = 12)
ylabel("G, Dg", fontsize = 12)
grid(True)
legend(loc=1)
show()
Анализ полученных результатов:
В результате мы получили значения равновесного радиуса гидратированных ионов и критического радиуса капель, а также получили график зависимости энергии, затрачиваемой для объединения молекул водяного пара в одну каплю воды, от радиуса - ΔGvw(r). Тогда можно сделать вывод, что максимальные затраты энергии необходимы для создания капли критического размера. Для создания капель меньшего или большего размера требуются меньшие энергетические затраты.
Выводы по работе:
По данным измерений, полученных в ходе лабораторной работы №2 можно исследовать зависимость процессов образования капель воды на частицах аэрозоля от температуры и влажности воздуха.