Пара та конденсація: Чому випари перетворюються на воду

Кипіння проти випаровування: два різних переходи

Вода перетворюється на пар двома окремими способами. Випаровування відбувається при будь-якій температурі з поверхні, коли швидкі молекули мають достатню кінетичну енергію, щоб вирватися з міжмолекулярних зв’язків рідини — саме тому пруд може висохнути при кімнатній температурі. Кипіння відбувається по всьому об'єму рідини, лише коли тиск пари досягає атмосферного, що дозволяє утворювати бульбашки пара і рости їх будь-де, а не тільки з поверхні. Ця єдина умова — тиск пари дорівнює атмосферному, пояснює, чому вода закипає при 100°C на рівні моря та при нижчій температурі в горах, де тиск повітря менший.

Клаузіус-Клапейрон: чому тиск насичення швидко зростає з температурою

Графік, що відокремлює воду у рідкому стані від водяної пари, як за тиску та температури, описується залежністю Клаузіуса-Клапейрона, яка випливає з рівності енергії Гібса для обох фаз при рівновазі:

dP/dT = L / (T * dV) // точна форма Р(T) = P0 * exp( -L/R * (1/T - 1/T0) ) // інтегрована, ідеальна газова апроксимація Де L – пізнавальний тепловий потенціал та R – універсальна гасова стала. Експонента означає, що тиск насичення надзвичайно чутливий до температури — типове наближення Магнуса, яке захоплює ту ж криву для діапазону, який цікавить метеорологів: e_s(T) ≈ 6.1094 · exp(17.625T / (T + 243.04)) в гектопаскалях, де T – у градусах Цельсія. Приблизно кажучи, здатність повітря утримувати водяну пару перед насиченням збільшується приблизно на 7% за кожний градус Цельсія поблизу кімнатної температури — фізична основа масштабування Клаузіуса-Клапейрона, яка проявляється в кліматичній науці при обговоренні того, як тепліша атмосфера утримує більше вологи.

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

Конденсація: перетин лінії насичення

Конденсація – це однакова рівновага, що підходиться з іншого боку. Коли парціальний тиск водяної пари в частині повітря перевищує місцеве тисне значення насичення — що відбувається або через охолодження повітря (тисне значення знижується при охолодженні), або через додавання більшої кількості водяної пари — надлишок води не має куди йти у вигляді газу та нуклеюється в рідкі краплі, зазвичай навколо мікроскопічних аерозольних частинок (пилу, солі, забруднень), які діють як ядра конденсації. Без ядер, чистий водяний пар може значно перенасититися перед тим, як утворюються краплі спонтанно – такий самий принцип перенасичення використовується навмисно в камері туману для того, щоб зробити слідки частинок видимими.

Визначення точки роси та сухої адіабатачної швидкості

Точка роси – це температура, до якої пакет повітря повинен бути охолоджений, при постійному тиску та вологості, щоб він став насиченим – зворотний хід формули Магнуса. Піднімаючись, волога суміш повітря розширюється і охолоджується з сухою адіабатачною швидкістю приблизно 9,8°C на кілометр, оскільки не відбувається теплообміну із навколишнім середовищем, і охолодження виникає лише через роботу, яку виконує суміш при розширенні. Висота, на якій температура суміші перетинає її власну точку роси, є базою хмари – рівний, різкий нижній край, який видно на кучугуристах хмарах, оскільки кожна піднімається суміш в подібних умовах повітря проходить через цей поріг майже точно на одній і тій же висоті. Вище бази хмар виділення частково компенсують подальше охолодження водяної пари, тому насичена суміш охолоджується повільнішою мокрою адіабатачною швидкістю, приблизно 5°C на кілометр поблизу поверхні.

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

Що моделює симуляція

Системна частинка на цій сторінці представляє окремі молекули водяної пари як точки, що несуть кінетичну енергію. Піднімаючись, вони втрачають енергію з частотою, встановленою градієнтом залишку; коли локальний парціальний тиск частинки перевищує криву насичення Клаузіуса-Клапейрона для її температури, він перетворюється на частинку повільнішого руху, і якщо краплі накопичують достатньо сусідів, їх відображають як видимий хмарний шар. Це спрощений, частинковий замінник безперервної фізики вище – мета полягає в тому, щоб зробити невидимий поріг насичення та причину того, що у хмар є плоске підстав'яння, чимось, що можна спостерігати, а не лише обчислювати.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Steam & Condensation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.