Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Что произойдет, если вся вода на планете внезапно исчезнет? (13 фото)
Думать о конце света, с научной точки зрения, – довольно весело. Активация всего ядерного оружия, которое есть в мире, привела бы к убийственному результату для человечества, но если вы действительно хотите увидеть апокалипсис, то для этого должны подождать извержения всех вулканов в мире.
Дело в том, что существует намного больше способов привести планету к гибели, чем люди способны осознать. Многие из этих вариантов появились в результате глобального потепления. И одним из этих сценариев является исчезновение воды.
Как и следует ожидать, без воды люди умрут очень быстро, но что произойдет с нашей планетой? Останутся ли здесь только пыльные пустыни, или жизнь, как говорится, найдет выход? Давайте попытаемся представить это.
Странный сценарий
Итак, представьте, что в нынешнем, 2017 году, где-то между Землей и Луной появился гигантский флот инопланетных исследователей. Их обитатели вели себя очень глупо в последние годы, так как сжигали слишком много углеродосодержащих ископаемых видов топлива, что привело к увеличению количества парниковых газов. Это вызвало потепление климата на их планете, где температура поднялась так быстро, что вся вода на ней испарилась. Тем не менее жители этой другой планеты не сдались и разработали сложный механизм, позволяющий украсть воду с другого небесного тела. К примеру, с нашего. Ради простоты давайте представим, что они могут забрать воду из всего, кроме живых существ. Поскольку мировые лидеры не смогут ничего с этим поделать, мы безнадежно проиграем этому внеземному агрессору в борьбе за наш главнй ресурс.
Бледно-коричневая планета
Первое, что мы замечаем, – это исчезновение всех рек, озер, прудов, луж и океанов. Вся жизнь внутри них погибла бы в течение нескольких часов, и континенты, на которых мы живем, внезапно стали бы возвышаться над этими вновь созданными бассейнами, большая часть которых имела бы глубину 3,8 километра.
Арктика, по сути, перестанет существовать, а скрытый рельеф под ней будет напоминать зубчатые трещины. Антарктика, свободная от ледяного пухового одеяла, превратится в скалистую бесплодную землю, полную гор и непостижимо больших каньонов.
Облака на нашей планете также исчезнут, как и дождь со снегом, ураганы и грозы испарятся в небытие, и наша бледно-голубая Земля превратится в коричнево-еленую планету (хотя и зеленой она будет оставаться недолго). В атмосфере будут преобладать ветры, а песчаные пустыни распространятся по всей планете.
В конце концов растительность исчезнет. Животная жизнь, включая нас, вскоре последует ее примеру и превратится в пыль.
Однако все эти изменения очевидны. Но вы наверняка догадались, что в судьбе мира есть нечто большее, чем хрупкие Homo sapiens.
Потепление
Океаны являются крупнейшими в мире поглотителями углерода. Забудьте об атмосфере. Большая часть тепловой энергии, захваченной в атмосфере планеты парниковыми газами, хранится в Мировом океане. Только за прошедшее столетие эти гигантские водоемы препятствовали тому, чтобы Земля нагрелась до совершенно ошеломляющей цифры в 36 °C, а не на 1 °C, как произошло на самом деле.
Планеты со слишком большим количеством углекислого газа и метана и недостатком воды, вероятно, испытывают эффект глобального потепления.
Что произошло на Венере
Возьмем, к примеру, Венеру. Геологически она очень похожа на наш мир, и когда-то, вероятно, была покрыта водой. Однако этой воды явно было недостаточно, чтобы справиться со всем присутствующим в атмосфере углекислым газом, большая часть которого, вероятно, появилась в результате древних и мощных вулканических извержений.
Часть углекислого газа была поглощена водой, но в конечном итоге планета стала слишком горячей, и вода испарилась в космос. Это оставило Венеру без значительного углеродного стока, кроме атмосферы, поэтому наша соседка продолжала нагреваться до тех пор, пока не достигла текущей температуры поверхности (около +462 °C). Без воды, которая покрывала бы Землю, нашу планету постигла бы такая же участь.
Не забывайте, что растительность тоже вымрет. Без растений, которые преобразуют углекислый газ в кислород посредством фотосинтеза, мир согреется еще быстрее.
Что лежит под поверхностью
Не стоит забывать, что большая часть земной воды не просто находится на поверхности.
Она также скрывается под землей, в пределах коры тектонических плит, которые постоянно дрейфуют, собираются вместе и сталкиваются друг с другом. Много такой воды прячется в мантии, поскольку она составляет 84 процента ее объема. Уберите эту воду — и Земля станет полностью неузнаваемой.
Когда плотная плита сталкивается с менее плотной, последняя тонет под ней. По мере того как мантия ее нагревает, она обезвоживается, то есть вода испаряется и поднимается вверх, в клин мантии между двумя плитами.
Благодаря серии вулканических изгибов это создает магматическую систему водопровода в земной коре, которая производит взрывоопасные вулканы, например, каскады вдоль западной части Соединенных Штатов или горы Фудзи. Без воды этот процесс не сможет продолжаться, и на планете останется намного меньше вулканов.
Тектоника одинаковых плит
Итак, мы уже знаем, что одна тектоническая плита «подчиняется» другой, потому что она плотнее, но что произойдет, если столкнуться две плиты, которые состоят из одного и того же материала?
Мы можем увидеть это на примере Индии и Евразии. Эти две одинаково плотные континентальные плиты врезаются друг в друга, в результате чего их края подымаются и образуют Гималаи.
Считается, что даже в случае, когда две тектонические плиты имеют приблизительно одинаковую плотность, только одна эффективно опускается под другую благодаря весу заполненного осадками океана, расположенного над ней.
Без океана ни одна из плит не будет отягощена никакими накапливающимися осадками. Поэтому две плиты будут продолжать сталкиваться друг с другом.
Итак, если бы гипотетические инопланетяне забрали бы сегодня все океаны на планете, любые две океанические плиты или же две континентальные в конце концов врезались бы друг в друга, образовывали огромную серию горных хребтов.
По существу, если бы Земля полностью потеряла небиологическую воду, она быстро превратилась бы в перегретый пустынный мир с пропастями размерами с континенты и смехотворно высокими горами.
Привет, малыш
Жизнь, однако, смогла бы найти выход. Если быть точным, микроскопическая жизнь, то есть та, которая не полагается на воду, чтобы выжить.
Вполне вероятно, что изначально жизнь нуждалась в воде, чтобы возникнуть, и почти все формы жизни сегодня не смогут существовать без нее. Но в процессе эволюции появились микробы, известные как экстремофилы. Невероятно жаркая окружающая среда, кислотность и нехватка солнечного света или воды, по-видимому, подходят для некоторых из этих абсолютно незначительных форм жизни.
Некоторые из них существуют в пределах земной коры и процветают, используя окиси углерода для получения питательных веществ. Команда НАСА недавно обнаружила, что экстремофилы также скрываются в гигантских кристаллах и существуют в состоянии анабиоза.
Продолжение следует?
Итак, если вся вода на Земле внезапно исчезнет, человечество будет обречено, а планета превратится в гигантскую пустыню с безумной топографией. Тем не менее жизнь не исчезнет, и наше место займут экстремофилы. Смогут ли они эволюционировать когда-либо в разумных существ, остается только гадать.
Источник
