Полная версия

Главная arrow Экология arrow ОКЕАНОЛОГИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Давление насыщенного пара. Скрытая теплота испарения

Энергия взаимодействия океана и атмосферы в значительной степени зависит от фазовых переходов между водой и паром.

Рассмотрим процесс установления равновесия между водой и ее паром. Это равновесие наступает в тот момент, когда число молекул, перешедших в газообразное состояние из-за испарения, будет равно количеству молекул, перешедших в жидкую фазу[1]. Это достигается при достижении вполне определенного для данной температуры давления.

Как было уже показано в п. 6.2, условием фазового равновесия однокомпонентной системы вода-пар при заданных температуре и давлении является равенство химических потенциалов компонента в фазах, т. е.

Таким образом, должна существовать функция ДТр) - кривая испарения, которая и будет соответствовать равновесному сосуществованию этих фаз. При заданной температуре Т пар и вода будут в равновесии, если давление пара над ровной поверхностью воды имеет значение pw (т), называемое давлением насыщенного пара.

Для построения кривой испарения воспользуемся уравнением Клапейрона-Клаузиуса (6.16):

Здесь Ха - количество тепла, необходимое для испарения жидкости единичной массы, и называется удельной скрытой теплотой испарения (парообразование)-, v" и v'- удельные объемы пара и воды. Теплоту парообразования при постоянном давлении можно трактовать также как разность энтальпий единицы массы воды в парообразном и жидком состояниях.

В формуле (7.4) при исследовании равновесия вода-пар вместо разности удельных объемов можно использовать значение только удельного объема пара, поскольку характерные значения при 0° С v-10'3 м3-кг', a v'-206 м3кг'. Но поскольку уравнение Клапейрона-Клаузиуса имеет универсальный характер и применимо для других фазовых переходов (лед-пар и вода-лед), в последнем случае разница удельных объемов составляет величину

порядка 10'5 м3-кг'' и градиент ^ на несколько порядков больше, чем при переходе вода-пар.

Зная величину w для одной из температур Т0 и соответствующую удельную теплоту парообразования Я,” , можно выразить значения давления насыщенного пара при любой другой температуре. Интегрируя уравнение Клапейрона-Клаузиуса и выражая удельный объем пара v" в соответствии с уравнением состояния идеального газа

получим следующую зависимость давления насыщенного пара от температуры (R— универсальная газовая постоянная):

Более точные зависимости давления насыщенного пара от температуры приводятся, например, в «Океанографических таблицах», таблице 5.39 [30], а также в специальных психрометрических таблицах. Аналогичным образом можно представить и давление насыщенного пара надо льдом, в этом случае вместо теплоты испарения Я„ используют так называемую теплоту сублимации или возгонки, первая величина при 0° С равна 2,50-106 Дж-кг'1, а вторая несколько больше - 2,83-106 Дж-кг1 [37]. Для сравнения напомним, что удельная теплота плавления пресного льда Я„ представляющая разность энтальпий жидкой и твердой фазы, составляет 0,335-Ю6 Дж-кг'1.

До сих пор все рассуждения в этом параграфе не рассматривали влияния солености на равновесие фаз. В формуле (6.11) при рассмотрении равенства химических потенциалов необходимо учесть зависимость р - i'(p9T9S). В соответствии с законом Рауля, давление насыщенного пара растворителя у разбавленных идеальных растворов пропорционально относительной доле растворителя (чистой воды) в этом растворе и давлению пара растворителя без примеси. Морская вода не является идеальным раствором и парциальное давление насыщенного пара над нею несколько меньше того, которое следует из закона Рауля. Тем не менее, может быть построена простая эмпирическая зависимость Pw (S') = /(Рн,(о),5). В соответствии с работой [61], она выглядит так (S - практическая соленость, епс):

Понижение давления насыщенного пара над морской водой по сравнению с пресной невелико - менее 2% для океанического диапазона солености.

Скрытая теплота испарения для всего диапазона температур может быть получена по давлению насыщенного пара. Зависимость А,= f(X0,pw9T) следует из уравнения (7.4). Зная величину давления насыщенного пара для одной из температур, можно выразить величину А,(г) для пресной воды как функцию только температуры. Наиболее точная эмпирическая формула приводится в работе [85]:

где Т - температура, °С; удельная теплота парообразования выражена в Дж-кг*1. Если рассчитать производную ЗАJdS исходя из приближенных уравнений (7.4) и (7.6) и производной для химического потенциала dxJdS [61], то можно получить зависимость удельной теплоты парообразования от концентрации солей. Для морской воды при океанической солености значение А, должно отличаться в меньшую сторону от величины для пресной воды не более чем на 3103 Дж-кг'1 или 0,12%, и в реальных расчетах поправка на соленость не вводится [85]. Величина А.(г) практически линейно уменьшается от 2,50 МДж-кг1 при 0° С до

2,43 МДж-кг'1 при 30° С (рис. 7.2).

Зависимость удельной скрытой теплоты испарения (МДж-кг') пресной воды от температуры (°С)

Рис. 7.2. Зависимость удельной скрытой теплоты испарения (МДж-кг') пресной воды от температуры (°С)

При температуре 0°С удельная теплота сублимации на 13% выше, чем теплота испарения.

В заключение этого параграфа приведем также упрощенную формулу для расчета удельной скрытой теплоты сублимации X’ в Дж-кг'1 [9]:

  • [1] Переход молекул из пара в жидкость осуществляется в результатетого, что, двигаясь хаотически в газообразной фазе, они ударяются оповерхность жидкости, и часть таких ударов сопровождается переходоммолекул в жидкую фазу. При этом количество этих молекул увеличивается пропорционально росту давления.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>