14.2. Испарение

Скоростью испарения или испарением называют массу воды, ко­торая испаряется за единицу времени с единичной поверхности. Это тот поток водяного пара Q΄₀ , который был введен и рассматривался выше. Единица скорости испарения в системе СИ — кг/(с-м²). На практике испарение рассчитывается за более длительный промежу­ток времени (час, сутки, месяц) и чаще всего в миллиметрах слоя воды, который испарился за это время. Поскольку плотность воды практически не отличается от 1 г/см³, то легко понять, что сущест­вует простая связь:

Эти соотношения справедливы для любой единицы времени.

Тепло, затрачиваемое на испарение воды с поверхности Земли, представляет собой одну из важнейших составных частей теплового баланса деятельного слоя Земли и атмосферы. На скорость испаре­ния оказывают влияние много факторов:

1) скорость ветра, 2) шеро­ховатость испаряющей поверхности, 3) стратификация приземного слоя, 4) размеры испаряющей поверхности, 5) характер раститель­ного покрова и др.

К настоящему времени разработана методика расчета испарения с водной поверхности (море, океан, озеро, водохранилище). В непо­средственной близости к водной поверхности водяной пар, как уже указывалось, находится в состоянии насыщения, и это обстоятель­ство значительно облегчает решение вопроса.

Глава 15

Общие условия фазовых переходов воды в атмосфере

Водяной пар в отличие от других газов, составляющих атмосфе­ру, при наблюдаемых температурах воздуха может изменять свое агрегатное состояние, переходя в воду (жидкое состояние) или лед (твердое состояние). При этом капли воды и кристаллы льда могут находиться на близких расстояниях друг от друга, как это наблюда­ется в облаках, где происходят процессы таяния и испарения крис­таллов льда, замерзания и испарения капель, конденсации и субли­мации пара. В этих случаях пар, жидкая вода и лед представляют собой различные фазы воды, т. е. физически однородные части сис­темы, способные переходить из одного состояния в другое, причем пар является газообразной, капли — жидкой, а кристаллы льда — твердой фазой воды.

15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры

Если в некотором замкнутом объеме находится жидкая вода и водяной пар, то непрерывно происходит отрыв молекул от поверх­ности жидкости и возвращение молекул водяного пара в жидкость. Нетрудно поставить следующий опыт.

В безвоздушное пространство, которое образуется при перевер­тывании наполненной ртутью трубки, подается вода. В первое вре­мя вода полностью испаряется. Ртуть в трубке при этом опускается, что свидетельствует о росте давления водяного пара в закрытом кон­це трубки. Однако испарение и рост давления водяного пара в неко­торый момент прекращаются. Начиная с этого момента давление водяного пара, сохраняет постоянное значение, а между водой и во­дяным паром в пространстве над ртутью устанавливается подвиж­ное равновесие: количество вылетающих из воды молекул равно ко­личеству возвращающихся.

Наибольшее значение давления водяного пара, возможное при данной температуре, носит название давления насыщенного водяно­го пара или давления насыщения.

Пока состояние насыщения не достигнуто, происходит процесс испарения воды: количество вылетающих молекул больше количе­ства возвращающихся. При этом давление водяного пара над жид­костью меньше давления насыщенного пара: е < Е. Если количество возвращающихся молекул больше количества вылетающих, то име­ет место процесс конденсации или сублимации над льдом, при этом е> Е.

При температурах ниже температуры тройной точки (практиче­ски ниже 0 °С) вода может находиться как в твердом (лед), так и в жидком состоянии. При этом следует подчеркнуть, что состояние переохлаждения может оказаться достаточно устойчивым (оно на­зывается метастабильным). Сравним давление насыщенного водя­ного пара над переохлажденной водой и льдом при отрицательных температурах. Силы сцепления вылетающих молекул водяного пара с молекулами воды меньше сил их сцепления с молекулами льда. Это приводит к тому, что равновесное давление водяного пара над переохлажденной водой больше давления насыщенного пара над льдом (при одной и той же температуре). Точки, расположенные между кривыми давления насыщенного водяного пара над переох­лажденной водой и льдом, соответствуют или газообразному состоя­нию, когда в атмосфере присутствует переохлажденная вода, или твердому состоянию, когда в атмосфере присутствует лед.