Некоторые сведения о воде и области тумана

Объекты

Некоторые сведения о воде и области тумана

Ниже представлен материал, иллюстрирующий наиболее общие представления о воде, включающий данные о молекулярной структуре, фазовых переходах, о скрытой теплоте плавления льда и парообразования воды, а также о некоторых особенностях области тумана (в частности, низкотемпературной области).

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов, Нет земного вещества — минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество… ею проникнуто и охвачено»

академик В. И. Вернадский

Вода может находиться в любой из трех форм своего существования: газ — жидкость — твердое тело, при этом путь трансформации из одной формы в другую может быть различным.

Лед обладает упорядоченной молекулярной структурой (пластина льда — «одна широкая молекула»). Причем построение молекул таково, что вода в этом замороженном состоянии расширяется в объеме (примерно на 9 %) и ее плотность уменьшается. Поэтому лед плавает на поверхности воды.

В жидкой фазе молекулы воды объединяются в небольшие группы (полуупорядоченная структура). Тот факт, что эти группы малы, позволяет воде двигаться в определенном направлении (течь).

В состоянии пара молекулы, обладая большой энергией, постоянно перемещаются во всех направлениях: неупорядоченная (хаотичная) структура (газ — франц. gaz — от греч. chaos — хаос).

При температуре воздуха t = 0…-10°C область тумана (в природе облака), кроме пересыщенного водяного пара содержит переохлажденную капельную злагу, в диапазоне t = -10…-20 °С — переохлажденную воду и кристаллы льда, при более низких температурах 11 < -20 °С ) — преимущественно кристаллы льда.

Когда во влажном воздухе одновременно присутствуют капли воды и кристаллы льда: вода будет трансформироваться в лед, — в соответствии с эффектом Бергерона
(Т. Bergeron, 1935 г.). Поскольку парциальное давление насыщенных водяных паров над водой всегда больше, чем надо льдом: Р_п«._н2о > Р_п«._л, вода даже в холодном облаке будет испаряться до момента достижения равновесия и уменьшаться в размере, а лед, наоборот, будет расти и превращаться в большой ледяной кристалл. В результате этого роста лед будет выпадать из атмосферного воздуха в виде града.

Исходя из определения относительной влажности, и учитывая, что в области ледяного тумана Р_п = Р_п«._л, можно записать выражение для φ надо льдом:

ф_л ⁼ Р_п«_.л / Р_п«._н2о< 1,при t = const.

Для анализа области тумана при наличии льда также используют число S (saturation ratio) — степень насыщения (пересыщения) водяными парами:

S = 1/ ф_л = Р_п«._н2о/ Р_п«._л >1, при t = const.

При S >1 происходит наращивание льда в процессе десублимации, при S < 1 — возгонка.

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

Необходимо заметить, что образование града – привилегия больших воздушных масс природных макросистем), однако закономерности этого процесса, в частности Bergeron process, должны учитываться и в инженерных приложениях, например, при анализе механизма инееобразования поверхностных воздухоохладителей.

В расширение наших знаний о воде, имеет смысл еще раз вернуться к фазовой диаграмме ее состояний. Как справедливо заметил японский физик Норикадзу Маэно, на этой диаграмме имеются точки, которым часто дают неверную интерпретацию. Анализируя фазовые переходы воды и льда в пар, отложенное в диаграмме давление следует рассматривать как парциальное давление водяного пара. Тогда линии А и С, разделяющие состояние пара от состояний воды и льда, — линии равновесия (насыщения) системы влажным воздухом, а область пара — область перегретого пара.

Для верного трактования того либо иного явления всегда следует сверяться с природой. Автор монографии «Наука о льде» приводит пример как при давлении в 1 атм, т.е. при атмосферном давлении, и температуре воздуха t < 0 °С снежинки за несколько дней превращаются в ледяные крупинки круглой формы. Последнее объясняется сублимацией (возгонкой) молекул воды с поверхности снежинок, в условиях, когда парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе меньше парциального давления насыщения надо льдом: Р_п < Р_п».л. Это явление аналогично постепенному испарению сухого льда либо нафталина без их плавления. При этом обратный фазовый переход через линию С, связанный с процессом кристаллизации непосредственно из состояния пара в лед, т. е. процесс десублимации можно назвать сухой конденсацией.

Представленная на рисунке фазовая Р, t — диаграмма воды получена из привычной нам t, Р — диаграммы путем зеркального отображения ее и поворота на 90 °. При этом легко заметить, что Р, t — диаграмма отражает зависимость парциального давления насыщенных водяных паров воды.

Такое понимание особенно важно для открытых систем, для которых: Р = P₆, а парциальное давление Р_п = f(Р_{б, d}). Поскольку Р_п = f(d) — практически линейная зависимость, то ось парциальных давлений фазовой диаграммы может одновременно осью влагосодержаний d, а это значит, что фазовая диаграмма воды является основой диаграмм влажного воздуха.

Фазовая диаграмма также показывает существенное увеличение температуры кипения воды t_кип и незначительное понижение температуры плавления льда t_плавл с ростом давления. При увеличении Р на 1 атм повышается на 28 °С, а t_п_лавл уменьшается на 0,0075 °С. Эта особенность воды используется в закрытых системах, например, в скороварках, популярность которых высока у жителей высокогорья, а также живущих на верхних этажах высотных домов, поскольку здесь с высотой: Р_б и t_кип понижаются.

Тройная точка (t = 0,01 °С, Р = 6,11 мбар) – реперная точка и основа абсолютной шкалы температур (К). Привычные для нас температуры замерзания (0 °С) и кипения (100 °С) воды не являются константами, поскольку зависят от атмосферного давления, которое изменяется вместе с погодой.

Фазовые переходы воды осуществляются при определенных затратах энергии на изменение молекулярной структуры и характеризуются скрытой теплотой фазового перехода.

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 тумана, хотя и не является рабочей для процессов кондиционирования воздуха (за исключением процессов расширения сжатого влажного воздуха в детандере – СКВ с воздушными холодильными машинами), представляет значительный интерес, как в теоретическом, так и в практическом плане. Ее поведение определяется особенностями фазовых переходов воды и зависит от многих факторов, прежде всего от температурных режимов. Как уже отмечалось, низкотемпературные условия работы воздухоохладителей могут привести к инееобразованию рабочих поверхностей этих аппаратов. В холодильных камерах возможно образование «снеговой шубы», что заставляет нас работать в направлении предварительного осушения воздуха.

Общая характеристика области тумана – ее метастабильность. При любых возмущениях, наличии центров конденсации (кристаллизации), происходит фазовый переход: конденсация водяных паров, замораживание либо десублимация. Смешение холодного наружного и теплого рециркуляционного воздуха — типичная задача СКВ, —может привести эту смесь в область тумана. Кроме того, наружный воздух, в определенные периоды года, может быть атмосферным туманом (холодным или теплым), и это надо учитывать, например, в мероприятиях по антиобледенению входных воздушных клапанов.

Общеизвестны регионы: Великобритания (туманный Альбион), Нидерланды, атлантическое побережье Канады, тихоокеанское побережье США и др., для которых атмосферный туман — явление регулярное и длительное, что отражается на расчетных параметрах наружного воздуха. Например, в г. Сан-Франциско (Калифорния, США) туман заполняет значительную часть этого мегаполиса ежедневно с конца дня до утра.

Вода прекрасный растворитель: используется для приготовления различных водных растворов неорганических и органических веществ, применяемых в качестве абсорбентов и незамерзаюших промежуточных хладоносителей. В тонких капиллярах адсорбентов вода создает явление капиллярной конденсации, что способствует процессу адсорбции водяных паров. Молекулы воды со свойственной им ярко выраженной полярностью, усиливают избирательные свойства десикантов. Капли воды, имея форму сферы, создают эффект повышенного парциального давления водяных паров по отношению к парциальному давлению над плоской поверхностью, и, тем самым, ускоряют процесс ассимиляции водяного пара воздухом, нуждающимся в увлажнении. Вода, как несжимаемая жидкость способна воспринимать и генерировать ультразвуковые колебания, которые создаются в ультразвуковых пьезоэлектрических устройствах увлажнения воздуха.

В завершении раздела, названного мною «Учение о Воздухе», считаю уместным приобщить читателей к истокам человеческого понимания и отношения к воздуху и влаге (воде), как главным жизнеутверждающим субстанциям.

В египетской мифологии Ancient Egyptian Creation Myths, созданной одной из самых древних цивилизаций в 4-ом тысячелетии до н.э. (3100 ВС), бог воздуха Шу (Shu — God of Air) и богиня влаги Тефтут (Тeftun — Goddess of Moisture) являются первой божественной парой Эннеады — Великой девятки богов (Atum, Shu, Tefnut, Geb, Nut, Osiris, Isis, Seth и Nephthys), которые правили миром и Египтом.

По данной версии сотворения мира (Гелиопольской космогонии) вначале был Хаос — бесконечное и пустое пространство — мировой океан Нун, из которого появился Атум (демиург) «The One who Created Himself – тот, кто возник сам по себе. Затем Атум создал Шу[shu], обеспечивающего воздушное пространство и Тефнут [tf], предназначение которой нести живительную влагу. Последующий брак Шу и Тефтут принес расцвет природе.

На изображениях Шу и Тефтун над их головами видны отличительные знаки перо и сосуд с водой, соответственно, а также объединяющие символы: в руках у них жезл (символ власти) и знак Лнх [ankh] — крест с петлей в верхней части — символ жизни. Насколько большое первостепенное значение воздуху и влаге придавали древние египтяне можно судить по тому, что боги земли (Геб) и неба (Нут) появились позже, как дети Шу и Тефтут.

Шу олицетворяет холодный и сухой воздух, Тефтун — теплый и влажный. Вместе они наполняют атмосферу Земли. Примечательно, что холодный и сухой воздух, т.е. наиболее плотны, получил мужское начало, а легкий (теплый и влажный) – женское. Божественная пара находится в гармонии с природой во всех ее проявлениях: круговорот воды, роса, дождь, снег и пр.

Представляется, что уже в древнеегипетской мифологии было заложеноотождествление системы“влажный воздух” с идеальным газом в естественных природных условиях.

Использованы материалы книги «Кондиционирование воздуха. Основы теории. Современные технологии обработки воздуха», 2010 г. (Липа А.И.)

Компания «МПК Инжиниринг» основана в 2009 году.