Par i kondensacja: dlaczego gaz zamienia się z powrotem w wodę

Gotowanie w porównaniu z eksplozją: dwa różne przejścia fazowe

Woda może się przekształcać w gaz dwiema różnymi sposobami. Eksplozja powstaje na dowolnej temperaturze, tylko z powierzchni, gdy niektóre szybko poruszające się cząsteczki mają wystarczającą energię kinetyczną, aby uciec z powiązań międzycząsteł cieczy — dlatego kałuża wysycha przy pokojowej temperaturze. Gotowanie zaś ma miejsce w całości objętości cieczy i tylko gdy ciśnienie par satywnej równe jest ciśnieniu atmosferycznemu, można tworzyć i rosnąć bąbelkom paru nie tylko z powierzchni. Jedynym warunkiem — równanie ciśnienia par satywnej z ciśnieniem otoczenia — jest to, dlaczego woda gotuje się przy 100°C na poziomie morza i przy niższej temperaturze na góry, gdzie ciśnienie powietrza jest mniejsze.

Clausius–Clapeyron: dlaczego ciśnienie zanotowanej roztocza się tak szybko ze wzrostem temperatury

Krzywa oddzielająca wodę ciekłą od wody paru na diagramie ciśnienie-temperatura opisana jest przez relację Clausius–Clapeyrona, która wynika z równania równowagi energii wolnej Gibbsa dla obu faz:

dP/dT = L / (T * dV) // forma dokładna P(T) = P0 * exp( -L/R * (1/T - 1/T0) ) // całkowana, przybliżenie gazu idealnego Oto, że L to ciepło zanotowane podczas sublimacji i R stała specyficzna dla gazu. Wykładnik wyraża się w taki sposób, że ciśnienie zanotowanej jest ekstremalnie wrażliwe na temperaturę — powszechna przybliżona formuła Magnusa pokrywa tę krzywą dla zakresu interesującego meteorologów: e_s(T) ≈ 6,1094 · exp(17,625T / (T + 243,04)) w hektopaskalach, gdzie T jest w stopniach Celcjusza. Na poziomie mniej więcej pokoju, zdolność powietrza do przechowania wilgotności paru zanim osiągnie punkt zanotowany wzrasta o około 7% na stopień Celsiusza — fizyczna podstawa skali Clausius–Clapeyrona, która pojawia się w całym dziedziny nauk o klimacie przy omawianiu tego, jak cieplejsze powietrze przechowuje więcej wilgoci.

dP/dT = L / (T * dV)                      // exact form
P(T) = P0 * exp( -L/R * (1/T - 1/T0) )      // integrated, ideal-gas approximation

Kondensacja: przerwanie lini satywacji

Kondensacja jest tym samym równowagą, jaką zbliżamy się do odwrotnego kierunku. Gdy ciśnienie częściowe wapnia zaoberwania się przekroczy lokalną ciśnienie satywacyjne — co może nastąpić z powodu chłodzenia powietrza (ciśnienie satywacyjne spada przy chłodzeniu) lub dodawania więcej wapnia — nadmiarowy wapń nie ma gdzie ulec gazowemu stanowi i nukleuje się w kropli ciepła, zwykle wokół mikroskopijnych cząsteczek aerosolowych (pył, sol, zanieczyszczenia), które działają jako nukleus kondensacji. Bez żadnych nukleów, pureszowana woda zaoberwania się może stać się znacznie nadmiernie satywacyjna przed formowaniem się kropli ciepła — taka sama zasada nadmiernego satywyzmu stosowana świadomie w komorze chmur, aby uczynić śladów cząsteczek widoczne.

Punkt rosy i stawka adiabaćyczna spadku temperatury

Punkt rosy to temperatura, do której musi być zchłodzone obowiązujący para powietrza, przy stałym ciśnieniu i zawartości wilku, aby stała się zaschnięta — odwrotnie niż wzór Magnusa. Gdy obowiązująca para powietrza podnosi się, rozszerza i zchłodnia na adiabaćcznej stawkie spadku temperatury około 9,8°C na kilometr, ponieważ nie ma wymiany ciepła z otaczającym środowiskiem i zchłodnienie wynika jedynie z pracy wykonanej przez obowiązującą parę podczas rozszerzenia. Wysokość, na której temperatura obowiązującego powietrza przekracza swój punkt rosy, to podstawa chmury — płaski i ostry dolny brzeg chmur kumulusowych, ponieważ każdy podnoszący się obowiązujący para w podobnym otaczającym powietrzu przechodzi przez ten próg prawie dokładnie na tej samej wysokości. Powyżej podstawy chmury wydzielone ciepło kondensacji częściowo przeciwważa dalsze zchłodnienie, więc zaschnięta para zamiast tego zchłodzi na wolniejszej adiabaćcznej stawce spadku temperatury wilgotnej, około 5°C na kilometr blisko powierzchni.

T_dp ~= T - (100 - RH) / 5             // quick estimate, deg C, RH in %
cloud_base_m ~= 125 * (T - T_dp)       // Espy's rule, metres

Co symulacja modeluje

System cząsteczkowy na tej stronie reprezentuje pojedyncze cząsteczki wodnej w formie punktów przesiadających się z energią kinetyczną. Przy podnoszeniu stracona jest energia ustawionym przez współczynnik spadku; gdy presja wodnego paru lokalna przekroczy krzywą satywacji Clausiusa–Clapeyrona dla temperatury danej cząsteczki, ta cząsteczka jest konwertowana na cząsteczkę wolniej ruchomego kropli wodnej. Kolekcja wystarczającej liczby sąsiadujących kropli jest renderowana jako widoczne chmury. Jest to uproszczone, bazujące na cząsteczkom podstawienie dla kontynuum fizyki powyżej — cel polega na tym, aby pokazać ci niezauważalny próg satywacji oraz powód płaskiej podstawy chmur, co możesz obserwować, a nie tylko liczyć.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Steam & Condensation — Phase Transition i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.