Деякі відомості про воду та область туману

Об’єкти

Деякі відомості про воду та область туману

Нижче представлений матеріал, що ілюструє найбільш загальні уявлення про воду, що включає дані про молекулярну структуру, фазові переходи, про приховану теплоту плавлення льоду і пароутворення води, а також про деякі особливості області туману (зокрема, низькотемпературної області).

«Вода стоїть окремо в історії нашої планети. Немає природного тіла, яке могло б зрівнятися з нею за впливом на хід основних, найграндіозніших геологічних процесів, Немає земної речовини — мінералу, гірської породи, живого тіла, яке її б не укладало. Вся земна речовина… нею перейнято і охоплено»

академік В. І. Вернадський

Вода може бути в будь-якій з трьох форм свого існування: газ – рідина – тверде тіло, при цьому шлях трансформації з однієї форми в іншу може бути різним.

Лід має впорядковану молекулярну структуру (пластина льоду – «одна широка молекула»). Причому побудова молекул така, що вода у цьому замороженому стані розширюється в обсязі (приблизно на 9 %) та її щільність зменшується. Тому крига плаває на поверхні води.

У рідкій фазі молекули води поєднуються в невеликі групи (напівупорядкована структура). Той факт, що ці групи малі, дозволяє воді рухатися у певному напрямку (текти).

У стані пари молекули, володіючи великою енергією, постійно переміщуються у всіх напрямках: невпорядкована (хаотична) структура (газ – франц. Gaz – від грец. Chaos – хаос).

При температурі повітря t = 0…-10°C область туману (у природі хмари), крім пересиченої водяної пари містить переохолоджену краплинну злагу, в діапазоні t = -10…-20 °С – переохолоджену воду та кристали льоду, при нижчих температурах 11 < -20 °С) – переважно кристали льоду.

Коли у вологому повітрі одночасно присутні краплі води та кристали льоду: вода трансформуватиметься у лід, – відповідно до ефекту Бергерона
(Т. Bergeneron, 1935 р.). Оскільки парціальний тиск насиченої водяної пари над водою завжди більший, ніж треба льодом: Рп”.н2о > Рп”.л, вода навіть у холодній хмарі випаровуватиметься до моменту досягнення рівноваги і зменшуватиметься у розмірі, а лід, навпаки, зростатиме і перетворюватиметься у великий крижаний кристал. Внаслідок цього зростання лід випадатиме з атмосферного повітря у вигляді граду.

Виходячи з визначення відносної вологості, і враховуючи, що в ділянці крижаного туману Рп = Рп”.л, можна записати вираз для φ над льодом:

фл = Рп”.л / Рп”.н2о< 1,при t = const.

Для аналізу області туману за наявності льоду також використовують число S (saturation ratio) – ступінь насичення (пересичення) водяними парами:

S = 1/ фл = Рп”.н2о/Рп”.л >1, при t = const.

При S >1 відбувається нарощування льоду в процесі десублімації, при S < 1 – сублімація.

t, °C	Р_п“._н2о, мбар	Р_п“._л, мбар	ΔP, мбар	φ, %	S, %
0	6.11	6,11	0	100	100
-5	4.22	4,02	0,20	95	105
-10	2,86	2,60	0,26	91	110
-12	2,44	2,17	0,27	89	112
-15	1,91	1,65	0,26	87	116
-20	1,26	1,03	0,23	82	122
-25	0,81	0,63	0,18	79	129
-30	0,51	0,38	0,13	75	134
-40	0,19	0.13	0,06	67	148
-50	0,064	0,039	0,025	61	163

Необхідно зауважити, що утворення граду – привілей великих повітряних мас природних макросистем), проте закономірності цього процесу, зокрема Bergeneron process, повинні враховуватися і в інженерних додатках, наприклад, при аналізі механізму інеутворення поверхневих охолоджувачів повітря.

У розширення наших знань про воду, має сенс знову повернутися до фазової діаграми її станів. Як справедливо зазначив японський фізик Норікадзу Маено, на цій діаграмі є точки, яким часто дають неправильну інтерпретацію. Аналізуючи фазові переходи води та льоду в пару, відкладений у діаграмі тиск слід розглядати як парціальний тиск водяної пари. Тоді лінії А і С, що розділяють стан пари від станів води і льоду, – лінії рівноваги (насичення) системи вологим повітрям, а область пари – область перегрітої пари.

Для правильного трактування тієї чи іншої явища слід звірятися з природою. Автор монографії «Наука про льоду» наводить приклад як із тиском 1 атм, тобто. при атмосферному тиску і температурі повітря t < 0 °С сніжинки за кілька днів перетворюються на крижані крупинки круглої форми. Останнє пояснюється сублімацією (ліхтарем) молекул води з поверхні сніжинок, за умов, коли парціальний тиск водяної пари в навколишньому повітрі менший за парціальний тиск насичення над льодом: Рп < Рп”.л. Це явище аналогічне поступовому випаровуванню сухого льоду або нафталіну без їх плавлення. При цьому зворотний фазовий перехід через лінію С, пов’язаний із процесом кристалізації безпосередньо зі стану пари в лід, тобто процес десублімації можна назвати сухою конденсацією.

Представлена на малюнку фазова Р, t – діаграма води отримана зі звичної нам t, Р – діаграми шляхом дзеркального відображення її та повороту на 90°. При цьому легко помітити, що Р, t – діаграма відображає залежність парціального тиску насиченої водяної пари води.

Таке розуміння особливо важливе для відкритих систем, для яких: Р = P6, а парціальний тиск Рп = f (Рб, d). Оскільки Рп = f(d) – практично лінійна залежність, то вісь парціальних тисків фазової діаграми може одночасно віссю вмісту вологи d, а це означає, що фазова діаграма води є основою діаграм вологого повітря.

Фазова діаграма також показує суттєве збільшення температури кипіння води і кипіння і незначне зниження температури плавлення льоду з зростанням тиску. При збільшенні Р на 1 атм підвищується на 28 °С, а tплав зменшується на 0,0075 °С. Ця особливість води використовується в закритих системах, наприклад, у скороварках, популярність яких висока у жителів високогір’я, а також висотних будинків, що живуть на верхніх поверхах, оскільки тут з висотою: Рб і tкіп знижуються.

Потрійна точка (t = 0,01 ° С, Р = 6,11 мбар) – реперна точка і основа абсолютної шкали температур (К). Звичні для нас температури замерзання (0°С) та кипіння (100°С) води не є константами, оскільки залежать від атмосферного тиску, що змінюється разом із погодою.

Фазові переходи води здійснюються за певних витрат енергії зміну молекулярної структури і характеризуються прихованою теплотою фазового переходу.

Различают скрытую теплоту парообразования воды r (при r = 0 °С — r₀), скрытую теплоту плавления льда r_л и скрытую теплоту сублимации r₀ + r_л.

Термин «скрытая теплота» употребляется – в связи с тем, что в процессе фазовых превращений, несмотря на поглощение или выделении теплоты, изменений температуры не наблюдается.

Величины r и r_л экспериментально определил шотландский ученый Джозеф Блэк в 1757 году. В 1759…1763 г.г. Блэк указал на различие между количествомтеплотыиее интенсивностью (температурой), ввел понятие теплоемкости.

Область туману, хоч і не є робочою для процесів кондиціонування (повітря) (за винятком процесів розширення стиснутого вологого повітря в детандері – ВКВ з повітряними холодильними машинами), так і значно. Її поведінка визначається особливостями фазових переходів води та залежить від багатьох факторів, насамперед від температурних режимів. Як уже зазначалося, низькотемпературні умови роботи повітря охолоджувачів могуть привести до інеутворення робочих поверхень цих. У холодильних камерах можливе утворення «снігової шуби», що змушує нас працювати у напрямку попереднього осушення повітря.

Загальна характеристика області туману – її метастабільність. При будь-яких збуреннях, наявності центрів конденсації (кристалізації), відбувається фазовий перехід: конденсація водяної пари, заморожування чи десублімація. Змішування холодного зовнішнього і теплого рециркуляційного повітря – типове завдання ВКВ, – може привести цю суміш в область туману. Крім того, зовнішнє повітря, у певні періоди року, може бути атмосферним туманом (холодним або теплим), і це треба враховувати, наприклад, у заходах з антизледеніння вхідних повітряних клапанів.

Загальновідомі регіони: Великобританія (туманний Альбіон), Нідерланди, атлантичне узбережжя Канади, тихоокеанське узбережжя США та інших., котрим атмосферний туман – явище регулярне і тривале, що відбивається на розрахункових параметрах зовнішнього повітря. Наприклад, в Сан-Франциско (Каліфорнія, США) туман заповнює значну частину цього мегаполісу щодня з кінця дня до ранку.

Вода прекрасний розчинник: використовується для приготування різних водних розчинів неорганічних та органічних речовин, що застосовуються як абсорбенти та незамерзаючі проміжні холодоносії. У тонких капілярах адсорбентів вода створює явище капілярної конденсації, що сприяє процесу адсорбції водяної пари. Молекули води з властивою їм яскраво вираженою полярністю посилюють вибіркові властивості десикантів. Краплі води, маючи форму сфери, створюють ефект підвищеного парціального тиску водяної пари по відношенню до парціального тиску над плоскою поверхнею, і тим самим прискорюють процес асиміляції водяної пари повітрям, що потребує зволоження. Вода як несжимаемая рідина здатна сприймати і генерувати ультразвукові коливання, які створюються в ультразвукових п’єзоелектричних пристроях зволоження повітря.

На завершення розділу, названого мною «Вчення про Повітря», вважаю доречним долучити читачів до витоків людського розуміння та ставлення до повітря та вологи (води), як головних життєстверджуючих субстанцій.

У єгипетській міфології Ancient Egyptian Creation Myths, створеної однією з найдавніших цивілізацій у 4-му тисячолітті до н. (3100 НД), бог повітря Шу (Shu – God of Air) і богиня вологи Тефтут (Teftun – Goddess of Moisture) є першою божественною парою Еннеади – Великої дев’ятки богів (Atum, Shu, Tefnut, Geb, Nut, Osiris, Isis, Seth і Nephthys), які правили миром та Єгиптом.

За цією версією створення світу (Геліопольської космогонії) спочатку був Хаос – нескінченне і порожнє простір – світовий океан Нун, з якого виник Атум (деміург) “The One who Created Himself – той, хто з’явився сам по собі. Потім Атум створив Шу[shu ], що забезпечує повітряний простір і Тефнут [tf], призначення якої нести життєдайну вологу.Наступний шлюб Шу і Тефтут приніс розквіт природі.

На зображеннях Шу і Тефтун над їхніми головами видно відмітні знаки перо і посудину з водою, відповідно, а також символи, що об’єднують: в руках у них жезл (символ влади) і знак Лнх [ankh] – хрест з петлею у верхній частині – символ життя. Наскільки велике першорядне значення повітря і вологи надавали стародавні єгиптяни можна судити з того, що боги землі (Геб) і неба (Нут) з’явилися пізніше, як діти Шу та Тефтут.

Шу уособлює холодне і сухе повітря, Тефтун – тепле і вологе. Разом вони сповнюють атмосферу Землі. Примітно, що холодне і сухе повітря, тобто. найбільш щільні, отримав чоловічий початок, а легкий (теплий і вологий) – жіночий. Божественна пара знаходиться в гармонії з природою у всіх її проявах: кругообіг води, роса, дощ, сніг та ін.

Звісно ж, що у давньоєгипетської міфології було закладено ототожнення системи “вологе повітря” з ідеальним газом у природних умовах.

Використані матеріали книги “Кондиціонування повітря. Основи теорії. Сучасні технології обробки повітря”, 2010 р. (Ліпа А.І.)

Компанія “МПК Інжінірінг” заснована у 2009 році.