Как найти испаряемость формула

Испарение и испаряемость. Географическое распределение

Испарение и испаряемость

Водяной пар поступает в атмосферу посредством испарения с подстилающей поверхности и транспирации растениями. Испарение зависит от дефицита влажности и скорости ветра. На испарение тратится много тепла, так на испарение 1 г воды требуется 600 кал.

Испарение с океана на всех широтах значительно больше, чем испарение с суши. Испарение в океане может достигать величины 3000 мм в год, тогда как на суше максимум 1000 мм.

Различия в распределении испарения по широтам определяются радиационным балансом и увлажнением территории. В общем, в направлении от экватора к полюсам в соответствии с понижением температуры испарение уменьшается.

В случае отсутствия достаточного количества влаги на испаряющей поверхности испарение не может быть большим даже при высокой температуре и большом дефиците влажности. Возможное испарение, называемое испаряемость, в этом случае велико.

Над водной поверхностью испарение и испаряемость равны по величине, над сушей испарение может быть значительно меньше испаряемости. Испаряемость характеризует величину возможного испарения с суши при достаточном увлажнении.

Испарение — это отрыв молекул воды, имеющих большую внутреннюю энергию, от поверхности суши или водной поверхности. Скорость процесса испарения оценивается по формуле Дальтона:

где V — скорость испарения поверхности, кг / с * м2, есть масса воды испаряется за единицу времени с единицы площади; с — коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости ветра, E1 — упругость насыщения при температуре испарения поверхности, е — фактический парциальное давление, р — атмосферное давление.

На практике скорость испарения принято определять в мм слоя воды испаряется за единицу времени с единицы площади. Слой воды, высотой в 1 мм, испарился с площади в 1 м2, равна массе воды 1 кг. Для различных практических и научных потребностей на основе формулы Дальтона записывают эмпирические соотношения, позволяющие рассчитывать скорости испарения из различных природных поверхностей или определять величину испарения в пределах крупного географического региона.

Для определения скорости испарения из крупных водоемов используют формулу Шулейкина:

где c — коэффициент пропорциональности, зависящий от высоты измерения скорости ветра и парциального давления е, u — скорость ветра, е — фактический парциальное давление.

Испаряемость — это величина, которая показывает, сколько воды испарилось бы с единицы площади соответствующей территории (или толщина этого слоя) при неограниченных запасах влаги. Эта величина является оценкой потенциальных возможностей региона по испарения.

Величины испаряемости в полярных широтах около 60-80 мм с максимальными значением 100-120 мм обусловлены низкими температурами воздуха и, как следствие, близкими значениями E1 (фактической упругости водяного пара) и е (максимальной упругости).

В умеренных широтах значение испаряемости растут с севера на юг и с запада на восток. На западных побережьях материков — 400-500 мм, в центре — 750-1000 мм, во внутриконтинентальных районах — 1400-1800 мм.

В тропических широтах на побережье морей и океанов испаряемость составляет 500-600 мм и значительно возрастает во внутренних районах континентов. В тропических пустынях — максимальные на планете значение испаряемости — 3000 мм.

В экваториальных широтах величина испаряемости уменьшается до 800-1200 мм за счет увеличения абсолютной влажности воздуха.

Географическое распределение фактического испарения в широтами следующий:

На широте 0-10 ° испарения на суше составляет 112 см, океане — 110 см.

На широте 20-30 ° испарения на суше составляет 37 см, океане — 130 см.

На широте 40-50 ° испарения на суше составляет 37 см, океане — 70 см.

На широте 60-90 ° испарения на суше составляет 8 см, океане — 15 см.

Источник

Вопрос 38.Что такое испаряемость, где она наибольшая и наименьшая и чем отличается от испарения.

Испаряемость — величина слоя воды (в мм), который может испариться в данном месте за рассматриваемый период. Над водной поверхностью испаряемость равна фактическому испарению. На суше, где запас влаги ограничен, испаряемость может значительно превышать фактическое испарение; эта разница тем больше, чем жарче и суше климат.

Испаряемость — скорость макс.возможного испарения,опр-ся только условиями погоды в данной местности,зав.от сухости воздуха и t испар.пов-ти.Испарение — переход жидкости или тв.тела в газообр.сост-е.Испарение зав-т еще от увл-я подстил.пов-ти.Вследствие неполного насыщения почвы водой,испарение с океанов сущ-но больше чем с суши.

Наиб.испаряемость в Сахаре,наим.в северных широтах.

Вопрос 39.Какие слагаемые уравнения теплового баланса земной поверхности уравновешивают радиационный баланс в Сахаре и в Атлантике на той же широте: радиация одинаковая,скорость испарения в Сахаре больше чем скорость испарения в Атлантике(влажность в Сахаре,а испаряться нечему).Обратные величины-турбулентный поток тепла,тк в Атлантике он больше(т.к.больше деят.слой).

Вопрос 40.Где на Земле самая большая абсолютная влажность и где самая большая относительная? Абс.самая большая в Амазонии(т.к.там есть чему испаряться,и t высокая как над океанами),отн.-там где парц.давление вод.пара=парц.давлению насыщения,пуст.Тихама(на побер.Красного моря,t до 45 о ).

Вопрос 41. Назовите закон, по кот.Меняется давление в стандартной атмосфере.Что быстрее убывает с высотой в атмосфере : давление, плотность или абсолютная влажность воздуха.

Абсолютная влажность убывает быстрее всего с высотой.Уравнение состояния.P=ρRT.

Вопрос 42.Где на Земле самая маленькая абсолютная влажность и где самая маленькая относительная. Мин.абс.вл.-субтроп.пустыни (где мало воды),мин.отн.вл.(парц давл.>>парц.давления насыщения; много пара,но парц.давл.насыщения маленькое) — Антарктида.

Вопрос 43.Что такое роса и что такое точка росы? Покажите в списке формул ту, с помощью которой можно вычислить точку росы

Роса — мельчайшие капли воды,обр-ся в процессе конденсации на з.пов-ти,особенно на траве,а также на горизонт.пов-х предметов,вечером и ночью в теплое время года.Точка росы-темп.,при кот.сод-ся в воздухе водяной пар достигает насыщения при неизменном общем давлении воздуха.Ф-лу т.росы можно вывести из ф-лы Магнуса, t_d=blg(eE_o) a–lg(eE_o).e-парц.давл.,Е_о-парц.давл.насыщения. При относительной влажности 100% фактическая температура воздуха и точка росы совпадают; при ночном охлаждении подстилающей поверхности ниже температуры точки росы. В этом случае на отдельных травинках или крупинках почвы появляются наземные продукты конденсации, известные как роса или иней, в зависимости от того положительна или отрицательна точка росы.

Вопрос 44.От чего зависит и как вычислить насыщающее парциальное давление водяного пара? Ф-ла Магнуса.Зависит только от температуры.Повышается с увеличением t. E_o=6,11 гПа, t_o=273 K, вода (a=7,63, b=241,9), лед (a=9,5, b=265,5).

Вопрос 45.Какой процесс в атмосфере приводит к конденсации водяного пара? Какие продукты атмосферной конденсации вам известны. Конденсация — переход вод.пара в воду.При охлаждении воздуха T=T_d пар становится насыщенным и способен перейти в другую фазу.Если конденсация происходит вследствие охлаждения тв.частиц до T 0 при штиле,то на них обр-ся роса или жидкий налет.При охлаждении тв.частиц до T 7 / 13 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая > >>

Источник

3.3.3. Расчет испарения с рассматриваемой территории (среднемноголетнего или заданной обеспеченности) .

Средняя многолетняя величина испарения Е для поверхностей близких к естественным за отдельный месяц рассчитывается по следующим формулам [ 7, 16]:

E = E₀, при ( 9)

при ( 10)

где E, E₀ — соответственно испарение и испаряемость, мм; M_к — величина критической влажности метрового слоя почвы, мм; M₁, M₂, -продуктивные влагозапасы почвы соответственно на начало и конец месяца, мм;

Испаряемость определяется по формуле

( 11)

где — сумма среднесуточных дефицитов влажности воздуха (по данным наблюдений на ближайших метеостанциях) за расчетный период в n суток, мм; K — биологический коэффициент испаряемости, зависит от времени года и вида поверхности (для мест размещения отходов коэффициент K принимается для «черного» пара или луговой растительности).

Испаряемость можно также определить по графикам зависимости испаряемости от дефицита влажности воздуха в отдельные месяцы для различных природных зон Российской Федерации [ 7] (Приложение 2, рис. П2.4).

Для условий теплого периода Северо-Запада России применяется формула [ 17]

где K‘ — биологический коэффициент испаряемости, изменяющийся в зависимости от нарастания суммы положительных температур, начиная от перехода температуры через 0° С, определяется по табл. 3 [ 17]; d_ср — среднесуточный дефицит влажности воздуха, мм; п -расчетный период, сут;

Значения биологических коэффициентов испаряемости K‘

Источник

Испарение и испаряемость

Испарение заключается в переходе воды из жидкой или твердой фазы в газообразную и в поступ­лении водяного пара в атмосферу.

Испарение – это процесс энергетический. Он зависит от количества тепловой энергии, которая может быть затрачена на данной поверхности в единицу времени, и определяется, следо­вательно, уравнением теплового баланса на земной поверхности. На океанах на испарение затрачивается до 90% энергии солнечной радиации.

Вторым метеорологическим условием, определяющим вели­чину испарения, является влагоемкость воздуха, степень его сухо­сти или влажности. Количественно она характеризуется дефицитом влажности, который в свою очередь зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от ветра. Разумеется, испарение может происходить только при наличии воды. На суше это условие имеется далеко не везде и не всегда: аридным зонам свойствен дефицит влаги, в гумидных зонахвлагиможет не хватать в отдельные периоды. В связи с этим в метео­рологии выработано понятие об испаряемости (Ец).

Испаряемость – это максимально возможное испарение при данных метео­рологических условиях, не лимитированное запасами влаги. То же относится к термину «потенциально возможное испарение».

Испарение принадлежит к числу важнейших процессов географической оболочки. На него расходуется большая часть сол­нечноготепла. Скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации влаги, нагревает атмосферу, и этот источник тепла для атмосферы является основным. Испарившаяся влага поступает на материки и обеспечивает их осадками.При фазовых переходах воды происходит поглощение или выделение тепла, а при цирку­ляции атмосферы оно перераспределяется. Один из видов испаре­ния—транспирация—участвует в биологических процессах и об­разовании биологической массы.

Климатическое и, особенно, биофизическое значение испаряе­мости заключается в том, что она показывает иссушающую спо­собность воздуха: чем больше можетиспариться при ограничен­ных запасах влаги в почве, тем ярче выражена засушливость. В одних местах это приводит к появлению пустынь, в других — вызывает временные засухи, в-третьих, где испаряемость ничтож­на, создаются условия переувлажнения.

В Северной Европе испарение близко к своему верхнему пре­делу — испаряемости—около 100 мм в год. В зонесухих степей Юго-Востока Европы, а также в аридных областях средиземно­морских субтропиков испаряемость достигает 1200 — 1300мм, адействительное испарение вследствие недостатка влаги составля­ет только 300 мм. Дефицит влаги — разница между осадками и испаряемостью в аридных зонах составляет примерно 600—800 мм.

Максимальная испаряемость, естественно, в пустынях, особен­но в Сахаре. В центральных ее частях она превышает4500 мм.Испарение, ограниченное ничтожным количеством осадков, не превышает 100 мм в год. Здесь на испарение расходуются не только осадки, но и подземная вода, стекающая с Атласских гор и из бассейна Центральной Африки. Разница между потенциаль­ным (4500 мм) и фактическим (около 100 мм) испарением выражает степень сухости Сахары.

Наибольшее испарение (около 1 200 мм) происходит на забо­лоченных низинах Центральной Африки—в бассейне озера Чад и Верхнего Нила. Растения, обеспеченные здесь теплом и влагой, дают наибольший на Земле прирост растительной массы. В эква­ториальной Африке испаряетсяза год слой воды в 1000мм.

Испаряемость и испарение отражают и режим осадков, и ре­жим тепла. Соотношение прихода и расхода атмосферной влаги называется атмосферным увлажнением.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

studopedia.su — Студопедия (2013 — 2023) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление

Генерация страницы за: 0.008 сек. —>

Источник

Испарение и испаряемость

Вода, входящая в состав воздуха, находится в нем в газообразном, жидком и твердом состоянии. Она попадает в воздух за счет испарения с поверхности водоемов и суши (физическое испарение), а также вследствие транспирации (испарение растениями), кото­рая является физико-биологическим процес­сом. Приземные слои воздуха, обогащенные

Рис. 37. Средние годовые значения испарения с подсти­лающей поверхности (мм/год)

водяным паром, становятся легче и поднима­ются вверх. Вследствие адиабатического по­нижения температуры поднимающегося возду­ха содержание водяного пара в нем, в конце концов, становится предельно возможным. Происходит конденсация, или сублимация, во­дяного пара, образуются облака, а из них — осадки, выпадающие на землю. Так соверша­ется круговорот воды. Водяной пар в атмо­сфере обновляется в среднем примерно каждые восемь суток. Важным звеном круговорота во­ды является испарение, которое заключается в переходе воды из жидкого или твердого аг­регатного состояния (возгонка) в газообраз­ное и поступлении невидимого водяного пара в воздух.

Испарение показывает фактическое коли­чество испаряющейся воды в отличие от ис-

1 Влажный воздух немного легче сухого, так как он менее плотный. Например, насыщенный водяным паром воздух при температуре 0° и давлении 1000 мб менее плотен, чем сухой, — на 3 г/м (0,25%). При более вы­сокой температуре и соответственно большем влагосодержании эта разница увеличивается.

паряемости — максимально возможного ис­парения, не ограниченного запасами влаги. По­этому над океанами испарение практически равно испаряемости. Интенсивностью или скоростью испарения называется количест­во воды в граммах, испаряющееся с 1 см по­верхности в секунду (V=r/см 2 в с). Измере­ние и вычисление испарения — трудная за­дача. Поэтому на практике испарение учитывают косвенным способом — по вели­чине слоя воды (в мм), испарившейся за бо­лее длительные промежутки времени (сутки месяц). Слой воды в 1 мм с площади 1 м равен массе воды 1 кг. Интенсивность испа­рения с водной поверхности зависит от ряда факторов: 1) от температуры испаряющей по­верхности: чем она выше, тем больше ско­рость движения молекул и большее их число отрывается от поверхности и попадает в воз­дух; 2) от ветра: чем больше его скорость, тем интенсивнее испарение, так как ветер от­носит насыщенный влагой воздух и приносит более сухой; 3) от дефицита влажности: чем она больше, тем интенсивнее испарение; 4) от давления: чем оно больше, тем меньше испарение, так как молекулам воды труднее оторваться от испаряющей поверхности.

Рассматривая испарение с поверхности поч­вы, надо учитывать такие ее физические свой­ства, как цвет (темные почвы из-за большо­го нагрева испаряют больше воды), механи­ческий состав (у суглинистых почв выше, чем у супесчаных, водоподъемная способность и интенсивность испарения), влажность (чем почва суше, тем слабее испарение). Важны и такие показатели, как уровень грунтовых вод (чем он выше, тем больше испарение), рель­еф (на возвышенных местах воздух подвиж­нее, чем в низинах), характер поверхности (шероховатая по сравнению с гладкой обла­дает большей испаряющей площадью), расти­тельность, которая уменьшает испарение с почвы. Однако растения сами испаряют мно­го воды, забирая ее из почвы с помощью кор­невой системы. Поэтому в целом влияние рас­тительности многообразное и сложное.

На испарение затрачивается тепло, в ре­зультате чего температура испаряющей по­верхности понижается. Это имеет большое значение для растений, особенно в экватори­ально-тропических широтах, где испарение уменьшает их перегрев. Южное океаническое полушарие холоднее северного отчасти по этой же причине.

Суточный и годовой ход испарения тесно связан с температурой воздуха. Поэтому мак­симум испарения в течение суток наблюдает-

ся около полудня и хорошо выражен лишь в теплое время года. В годовом ходе испарения максимум приходится на самый теплый месяц, минимум — на холодный. В географическом распределении испарения и испаряемости, зависящих прежде всего от температуры и запасов воды, наблюдается зональность (рис. 37).

В экваториальной зоне испарение и испа­ряемость над океаном и сушей почти одина­ковы и составляют около 1000 мм в год.

В тропических широтах их среднегодовые значения максимальные. Но наибольшие значения испарения — до 3000 мм отмеча­ются над теплыми течениями, а испаряемость 3000 мм — в тропических пустынях Сахары, Аравии, Австралии при фактическом испаре­нии около 100 мм.

В умеренных широтах над материками Евразии и Северной Америки испарение меньше и постепенно уменьшается с юга на север из-за снижения температур и в глубь материков ввиду уменьшения влагозапасов в почве (в пустынях до 100 мм). Испаряемость в пустынях, наоборот, максимальная — до 1500 мм/год.

В полярных широтах испарение и испаря­емость малы — 100 — 200 мм и одинаковы над морскими льдами Арктики и над ледника­ми суши.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник

Средняя
многолетняя величина испарения Е
для поверхностей близких к естественным
за отдельный месяц рассчитывается по
следующим формулам [ 7, 16]:

E
= E₀,
            при
           
                                         
( 9)

  
   при
                                      
( 10)

где
E,
E₀
– соответственно испарение и испаряемость,
мм; M_к
– величина критической влажности
метрового слоя почвы, мм; M₁,
M₂,
-продуктивные влагозапасы почвы
соответственно на начало и конец месяца,
мм;

Испаряемость
определяется по формуле

                                                                               
(
11)

где
 –
сумма среднесуточных дефицитов влажности
воздуха (по данным наблюдений на ближайших
метеостанциях) за расчетный период в n
суток, мм; K
– биологический коэффициент испаряемости,
зависит от времени года и вида поверхности
(для мест размещения отходов коэффициент
K
принимается для “черного” пара или
луговой растительности).

Испаряемость
можно также определить по графикам
зависимости испаряемости от дефицита
влажности воздуха в отдельные месяцы
для различных природных зон Российской
Федерации [ 7] (Приложение 2, рис. П2.4).

Для
условий теплого периода Северо-Запада
России применяется формула [ 17]

E₀=
K‘
d_ср^0,75
n,
  мм,
                                                                              
( 12)

где
K‘
– биологический коэффициент испаряемости,
изменяющийся в зависимости от нарастания
суммы положительных температур, начиная
от перехода температуры через 0° С,
определяется по табл. 3 [ 17]; d_ср
– среднесуточный дефицит влажности
воздуха, мм; п
-расчетный период, сут;

Таблица
3

Значения
биологических коэффициентов испаряемости
K‘

Сумма среднесуточных температур воздуха	0	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	2000	2400
K ‘	0,60	0,70	0,90	1,10	1,10	1,00	0,95	0,80	0,90	0,80	0,60

За
холодный период года в условиях отсутствия
снежного покрова испаряемость на
указанной территории рассчитывается
по зависимости

E₀
= 0,55
d_ср
n,
                                                                                     
(13)

где
n
– продолжительность холодного периода,
сут.

При
наличии снежного покрова испаряемость
за холодный период года на территории
Северо-запада Российской Федерации
определяется по формуле

E₀
= 0,37
d_ср
n.
                                                                                     
( 14)

Критическую
влажность для естественных грунтов
можно определить по зависимости:

М_к
= 0,8М_н
,
                                                                                       
(15)

где
М_н
– наименьшая продуктивная влагоемкость,
мм.

Продуктивная
влагоемкость – продуктивные запасы
влаги в метровом слое грунта НВ – ВЗ для
различных зон Российской Федерации с
учетом механического состава изолирующих
слоев принимаются по табл. 4 [ 22] (НВ –
наименьшая полевая влагоемкость; ВЗ –
влажность завядания), а в зависимости
от сезона года – по табл. 5 [ 7].

Среднюю
многолетнюю испаряемость для различных
видов поверхностей на ТНТ E
_{0 ВП},
мм, можно рассчитать по формуле

E
_{0 ВП}
= K_ВП
E₀,
                                                                                     
( 16)

где
K_ВП
– поправочный коэффициент к средней
многолетней испаряемости, принятой по
данным ближайшей метеорологической
станции или по Приложению 2 (рис. П2.2),
определяется по табл. 6.

Таблица
4

Величина
НВ – ВЗ метрового слоя почвы в различных
природных зонах РФ (мм)

Механический состав почвы	Продуктивные влагозапасы, мм
зона тундры, лесотундры, зоны распространения вечной мерзлоты	лесная зона	лесостепная и степная зоны
Супесчаные, средне- и легкосуглинистые	250 – 210*	190 – 160	140 – 120
Средне- и легкосуглинистые пылевато-иловатые	220 – 210	170 – 160	130 – 120
Глинистые и тяжелосуглинистые	210 – 180	160 – 140	120 – 105
Супесчаные	180 – 160	140 – 120	105 – 90
Песчаные	130 – 100	100 – 80	75 – 60

*
Большее значение принимается для грунтов
более тяжелого механического состава.

Таблица
5

Средние
месячные значения критических продуктивных
влагозапасов метрового слоя почвы (мм)

Природные зоны	При t весной <10°С	В первом месяце с t >10°С	Во втором месяце с t >10°С	В последующие месяцы с t > 10°С	В первом месяце с t осенью <3°С	Во втором и последующих месяцах с t <3°С
Тундра, лесотундра, лиственные леса, лесостепи и степи Сибири (при наличии вечной мерзлоты)	200	200	200	200	200	200
Тундра, лесотундра, хвойные, смешанные и лиственные леса	200	170	150	150	170	200
Лесостепи, степи, полупустыни вне-тропической зоны	170	170	120	100	120	170

Таблица
6

Поправочные
коэффициенты K_вп
к среднему многолетнему испарению с
естественных ландшафтов для различных
видов поверхностей

Виды поверхностей	К вп
Металлические крыши с уклоном	0,20
Металлические крыши плоские	0,30
Дороги бетонные, асфальт	0,40
Поверхность жидких отходов в картах	0,30 – 0,70*
Дороги грунтовые	0,50
Грунтовые поверхности (спланированные)	0,56
Щебеночные покрытия	0,58
Откосы насыпей, отвалов, дамб	0,60
Неспланированные неуплотненные отвалы без растительного покрова	0,85
Насыпные поверхности, покрытые травянистой и редкой кустарниковой растительностью	0,90
Акватории отстойников со слабозагрязненной поверхностью	0,90

*
Меньшие значения принимаются, когда
поверхность отходов покрыта естественной
непроницаемой пленкой [ 10, 26].

При
отсутствии исходных данных, для
предварительных расчетов величины
среднего многолетнего годового и
месячного испарения для всей территории
Российской Федерации можно получить
из произведения средней многолетней
годовой и месячной испаряемости на
относительное испарение Е/Е₀
за те же периоды.

Средняя
многолетняя годовая и месячная (март –
ноябрь) испаряемость определяется по
картам (Приложение 2, рис. П2.5 – П2.13).

Величины
среднего годового и месячного (май –
октябрь) относительного испарения
определяются по картам (Приложение 2,
рис. П2.14 – П2.19).

Величины
годового испарения заданной обеспеченности
определяются путем умножения среднего
многолетнего годового испарения на
соответствующий переходный коэффициент
(табл. 7) [ 1].

Для
расчетов принимается следующее
соотношение обеспеченностей осадков
Р_Р
и испарения Р_Е
в многоводные годы (обеспеченность
осадков выше 25%) и в средние по водности
годы (обеспеченность осадков 50 – 75%) Р_Е
= 50%; в маловодные годы (обеспеченность
осадков ниже 75%) и в средние по водности
годы при обеспеченности осадков 25 – 50%
Р_Е
= 100 – Р_Р
[ 1].

Таблица
7

Коэффициенты
перехода K_Е
от средней многолетней годовой
испаряемости с ТНТ к испаряемости
различной вероятности превышения Р,%

Р , %	2	5	10	25	75	80	90	95
КЕ	1,142	1,113	1,088	1,046	0,952	0,940	0,910	0,887

Расчет
испарения со всей территории производится
по формуле

                                                        
(
17)

где
E₁
E₂
… E_n
– испарение с отдельных видов поверхностей,
мм.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества^[1]. При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости^[2]. Во время процесса испарения, энергия, извлеченная из испаряемой жидкости, снижает температуру жидкости, что приводит к испарительному охлаждению^[3].

В среднем только часть молекул жидкости имеет достаточно тепловой энергии, чтобы выйти из жидкости. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, во время которого испарение жидкости равно её конденсации. В замкнутом пространстве жидкость будет испаряться до тех пор, пока окружающий воздух не станет насыщенным.

Общая характеристика[править | править код]

Жидкость, оставленная в блюдце, полностью испарится, потому что в любое время в ней есть молекулы, достаточно быстрые (с достаточной кинетической энергией), чтобы преодолеть межмолекулярные силы притяжения на поверхности жидкости и покинуть её. Температура испаряющейся жидкости должна снижаться, так как покидающие её молекулы забирают кинетическую энергию. Скорость испарения возрастает с ростом температуры.

Испарение сопровождается обратным процессом — конденсацией пара. Если пар над поверхностью жидкости насыщен, то между процессами устанавливается динамическое равновесие, при котором количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени равно количеству возвращаемых в неё молекул. Если пар над жидкостью ненасыщен, то испарение будет продолжаться до тех пор, пока пар не станет насыщенным или до полного высыхания жидкости.

Испарение сопровождается снижением температуры, поскольку из жидкости вылетают молекулы с энергией, превышающей среднюю энергию. Количественно калориметрия испарения характеризуется удельной теплотой испарения.

Росту скорости испарения способствует ветер. Он удаляет молекулы пара от поверхности жидкости, мешая установлению динамического равновесия. Для быстрого испарения жидкости и связанного с ним высушивания используют потоки тёплого воздуха. Примером использования может служить бытовой фен.

Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара, проникающего за единицу времени в газовую фазу из единицы поверхности жидкости. Наибольшее значение поверхностной плотности потока пара достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется.

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме и на свободной поверхности жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирты испаряются быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Математическое описание[править | править код]

Простейшая модель испарения была создана Дальтоном. Согласно его уравнению, количество испаряемого вещества из единичной площади за единицу времени равно^[4]:

где  — молярная скорость испарения (моль/м²·с),

и  — концентрации пара на поверхности вещества и в окружающем пространстве,

и  — парциальные давления пара на поверхности жидкости и в окружающем пространстве,

и  — коэффициенты пропорциональности.

Если жидкость только начала испаряться, или сухой воздух постоянно поступает в приповерхностный слой, то , и скорость испарения максимальна. Коэффициенты в свою очередь могут быть выражены как^[5]:

где  — число Нуссельта,

и  — коэффициенты диффузии отнесённые к градиенту давления и концентрации соответственно,

-характерный размер (например, диаметр капель).

Давление в простейшей модели равно давлению насыщенного пара при температуре жидкости. Его зависимость от температуры приближенно описывается экспоненциальным законом^[6]:

Такая зависимость нарушается для высоких температур (приближенных к температуре кипения)^[7].

Более точно скорость испарения может быть определена из уравнения Герца — Кнудсена^[8]:

где  — молекулярная масса (в СИ, то молькг),

 — коэффициент, меньший или равный единице, связанный с вероятностью молекулы отразиться от поверхности жидкости, когда она падает на неё из воздуха.

сильно зависит от загрязнения на поверхности жидкости и может иметь порядок величины 10⁻⁴, если загрязнение значительно^[9].

Уравнение было записано Герцем после исследований, проведённых в 1880-е годы, и уточнено Кнудсеном в 1915. В 1913 году Ирвинг Ленгмюр показал, что это же уравнение описывает и испарение с поверхности твёрдых тел (сублимацию)^[9].

История[править | править код]

Явление испарения известно с давних времён. Ещё Гесиод писал о том, что дождь образуется из воды, которая улетучивается из рек^[10]. Более поздние авторы правильно интерпретировали облака как результат испарения воды из морей и указывали на Солнце как причину испарения, а также обращали внимание, что ветер ускоряет скорость испарения^[11]. Гераклит и Диоген Лаэртский различали выделяющие испарение с поверхности воды и поверхности влажных тел^[12]. Античные философы часто объясняя физические процессы прибегали к спиритуалистическим концепциям, например, писали, что через испарение образуется душа всего мира. Также было известно, что при испарении растворенная соль остаётся^[12].

Наиболее влиятельным античным философом считается Аристотель. В своём труде «Метеорология» (греч. Τα μετεωρολογικά) он развил теорию двух испарений Гераклита, и утверждал, что испарения с поверхности моря и поверхности земли принципиально разные: первые являются причиной дождя, а вторые — причиной ветра. Такое удивительное заключение объяснялось тем, что Аристотель не считал, что ветер — это просто движение воздуха. Он писал, что, как не называют рекой любую движущуюся воду, так и ветром не является простое движение воздуха. И у реки и у ветра должна быть утечка, и в случае ветра такой утечкой он считал «дым», образующийся при высыхании земли^[13].

С другой стороны, Теофраст, последователь Аристотеля, более верно оценивал связь ветра, Солнца и испарения. Так, он правильно предполагал, что ветер ускоряет испарение, поскольку он убирает уже образовавшийся пар от воды. Также он не поддерживал взгляды Аристотеля на особое значение испарения с земли, и писал, что «движение воздуха — это ветер»^[14].

Римские авторы, такие как Плиний и Лукреций тоже писали о природе испарения и его связи с погодой, однако в основном только разрабатывали теории греческих философов^[14]. Кроме объяснения погоды, греческие и римские учёные обращались к испарению, чтобы объяснить ещё одну проблему — почему моря не переполняются, хотя реки непрерывно вливают в них воду^[15].

Поддерживаемая авторитетом Аристотеля, теория двойного испарения доминировала в европейской науке вплоть до начала Ренессанса^[16]. Одним из первых учёных, кто попытался её отвергнуть, был Рене Декарт. В своем труде «Метеоры» (1637) он писал, что солнечный свет поднимает частицы воды подобно тому, как пыль поднимается во время ходьбы. При этом испарение с поверхности влажных тел он рассматривал таким же образом, поскольку считал, что твёрдые тела становятся влажными, когда частицы воды проникают между большими частицами твёрдого тела. Декарт также отрицал особую природу ветра и считал им обычное движение воздуха. Причину, по которой жидкости испаряются, а твёрдые тела нет, он видел в более гладкой поверхности частиц воды, из-за чего их легко отделить друг от друга, тогда как частицы твёрдых тел сильнее цепляются друг за друга^[17].

Первое экспериментальное исследование испарения было сделано Пьером Перро^[en]. Холодной зимой 1669—1670 он выставил на улицу 7 фунтов холодной воды. Через 18 дней он зафиксировал, что один фунт улетучился. Это не было первым наблюдением, что испарение может происходить и на холоде, но было первым экспериментальным измерением интенсивности этого процесса. Также Перро исследовал испарение других жидкостей кроме воды, например масла^[17]. Другим физиком, исследовавшим испарение был Эдмонд Галлей. Он замерил скорость, с которой вода улетучивается из тонких трубочек. Его результаты (0,1 дюйма за 12 часов) позволили ему утверждать, что эта вода образует дождь, росу и т. д.^[18]. Гипотезы Галлея по поводу механизма испарения отличались от гипотез Декарта. Так, он писал, что если атомы воды увеличатся в диаметре в 10 раз, их плотность станет меньше плотности воздуха, и они начнут «всплывать». Также он сравнивал процессы испарения воды в воздух с процессом растворения соли в воде^[18]. Галлей писал, что совместное действие Солнца и ветра является причиной испарения.

Подходы Галлея и Декарта породили два популярных подхода к объяснению испарения. Согласно одному, вода «растворялась» в воздухе (что означало, что при отсутствии воздуха испарение не будет происходить), а согласно другому, частицы воды просто отрываются от основной массы^[19].

Французский математик Седилю^[fr] много сделал для экспериментального исследования испарения, поскольку ему были необходимы эти данные для решения инженерной задачи — вычисление, как быстро будет испаряться вода из фонтанов Версаля. Он ставил эксперименты в течение 3 лет, с 1688 по 1690 год. По его измерениям, за год в той местности испарялось около 88 сантиметров воды, и только около двух третей из этого количества возвращалось в виде осадков. Также он отметил, что вода испарялась из широкой ёмкости быстрее, чем из узкой (Седили использовал несколько медных ёмкостей для опыта)^[20].

В 1744 году Дезагулье предположил, что испарение имеет электростатическую природу (частицы жидкости отталкиваются от основной массы, потому что имеют одинаковый заряд), однако эксперименты не продемонстрировали сильного влияния электричества^[19].

Во второй половине 18 века было показано, что испарение в вакууме происходит медленнее, чем в воздухе, а также, что влажность воздуха уменьшает интенсивность испарения, что повысило популярность теории растворения^[21].

В 1757 году Франклин описал охлаждающий эффект испарения (он отметил, что смоченный спиртом термометр показывал температуру, на 6 градусов ниже сухого)^[21].

В 1802 году Джон Дальтон первым записал уравнение, что позволяло вычислить количество испаряющейся с поверхности воды за некоторое время^[21].

В 1862 году Томас Тейт сконструировал прибор «Эвапораметр» (греч. evaporameter) для измерения скорости испарения, и показал, что она пропорциональна скорости ветра над водой^[22]. Позже Виленманн^[en] скорректировал уравнение Дальтона, учитывая тот факт, что температура воды ниже температуры окружающего воздуха из-за того, что испарение охлаждает её^[23].

Ещё более точные уравнения были записаны после серии высокопрецизионных экспериментов Стефана (1873), Герца (1882) и Кнудсена (1915)^[24] и благодаря открытию закона Стефана — Больцмана^[25].

Суммарное испарение[править | править код]

Суммарное испарение — испарение с земной поверхности, включающее транспирацию растений. В последнее время для суммарного испарения начали использовать термин «эвапотранспирация». Эвапотранспирация выражается в мм водяного столба и коррелирует с биопродуктивностью экосистем. Потенциальная эвапотранспирация — количество воды, которое могло бы выделиться путем эвапотранспирации при определённом режиме температуры и влажности при избыточном количестве воды. Фактическая эвапотранспирация — масса воды, которая в данном месте возвращается растениями в атмосферу. Рассматривается как величина, противоположная количеству осадков (как правило, ниже потенциальной эвапотранспирации). Фактическая эвапотранспирация в любой точке Земного шара определяется температурой.

Различают ещё одну характеристику испарения — испаряемость. Под испаряемостью понимают потенциально возможное (не ограниченное запасами воды) испарение в данной местности при существующих атмосферных условиях.

Скорость испарения воды[править | править код]

Испарение воды с 1 м² (в кг/ч) в зависимости от температуры воды и состояния окружающей среды

Температура воды Спокойный воздух Среднее движение воздуха Сильный отбор воздуха 15 0,425 0,546 0,670 30 1,056 1,365 1,664 50 3,081 3,955 4,853 75 9,666 12,405 15,597 100 25,463 32,077 40,105

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Испарение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Берман Л. Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.—Л., 1957.
• Фукс Н. А. Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958.
• Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса, пер. с англ., М., 1974.
• Берман Л. Д. Теоретические основы хим. технологии, 1974, Т. 8, № 6, с. 811-22.
• Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.
• Чолпан П. П. Физика. М.: Энергоатомиздат, 2003. — 567 с.
• Мельничук С. П. Строительная физика. Конспект лекций для студентов специальности 5.130406 «Зеленое строительство и садово-парковое хозяйство». Львов: Львовский государственный экологический политехникум, 2003. — 144 с.
• Большаков Г.Ф., Е.И. Гулин, Н.Н. Торичнев. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. — Ленинград: «Химия», 1965. — 260 с.
• Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок. — М.: «Советское радио», 1977. — Т. 2. — 768 с.
• Wilfried Brutsaert. Evaporation into the Atmosphere. Theory, History, and Applications. — Dordrecht: Springer, 1982. — 302 с. — ISBN 978-90-481-8365-4.

Ссылки[править | править код]

• Формула испаряемости Н. Н. Иванова

×

Post on:

Twitter

Facebook

Google+

---

Or copy & paste this link into an email or IM:

ФОРМУЛА ИСПАРЯЕМОСТИ ИВАНОВА

ФОРМУЛА АБЕЛЬСА →← ФОРМИРОВАНИЕ ВОЗДУШНОЙ МАССЫ