Hidrológiai tájékoztató, 1974
Thoma Frigyes: A párolgáskor keletkező vízgőz elemi részeinek tulajdonsága
1. táblázat Az alkotó rész megnevezése Jellemzője Előfordulási formája Vegyjele Előfordulási mennyisége a levegőben Nitrogén Színtelen, szagtalan nem égő gáz Kétatomos molekulájú gáz alakjában N 2 79% Oxigén Színtelen, szagtalan éghető gáz Kétatomos molekulájú gáz alakjában o 2 21% Vízpára Színtelen, szagtalan nem égő gáz Diszkrét vízmolekula vagy vízmolekula-csomó H.O* Változó Szilárd szenynyeződések (füst,...) Ritkán színtelen, szagtalan Szilárd vagy gáz alakban Szilárd szenynyeződések (füst,...) Ritkán színtelen, szagtalan Szilárd vagy gáz alakban * Kis mennyiségben mint a víz természetes izotópjai. Ezek: a) Deutérium HDO vagy WH^O b) Trícium HTO vagy WO c) 18 atomos oxigén 'H 2 l 80 A teljesség kedvéért megjegyzendő, hogy a legújabb kutatások szerint (3) a vízben, s így a párában is nemcsak egyszerű vízmolekulák vannak jelen, melynek vegyjele HoO. A hidrogénnek és oxigénnek ugyanis vannak természetes izotópjai. Ezek a Deutérium (D), a Tricium (T), ill. a 18 atomsúlyú oxigén ( l sO). E három közül a Tricium radioaktív izotóp, béta sugárzással s felezési ideje 12,26 év. A Deutérium és a 18 atomsúlyú oxigén stabil izotópok. A víz körforgalmában, s annak egyes fázisaiban a stabil izotópok koncentrációja eltérő. A párolgó víz izotópkoncentrációja nő azaz a víz dúsul. Az elpárolgott víz izotópjainak koncentrációja a párolgás közben csökken. A víz felszínéről felszabaduló vízmolekulák a levegőben már jelenlevő vízmolekulákkal összeütközhetnek, sőt vissza is eshetnek a vízbe. Ezért a vízfelülettel közvetlen szomszédos légtérben a párolgás és lecsapódás állandóan együttjáró halmazállapot-változás. Néhány gázfázisban levő vízmolekulának kellő kinetikai energiája van, hogy a folyadék felületén keresztül — a feszes hártyát áttörve — a folyadékba hatoljon. Egy másik csoport pedig a vízgőzből folyadéikcseppekké sűrűsödik és a gravitációs erő következtében hullik vissza a vízbe. A víz felülete felett a vízpárával telített légtér állapota akkor áll elő, ha a víz felületéről felszabaduló és a vízbe visszahulló molekulák száma megegyezik. Ekkor a felszabaduló vízmolekulák nyomása és a környező atmoszféra nyomása egyenlő. Atmoszféránk főbb alkotórészeit az 1. táblázatban foglaltuk össze, külön kiemelve jellemző tulajdonságaikat és az alkotórészek előfordulási formáit. A földünket körülvevő levegő állandóan kisebb-nagyobb mozgásban van. Ennek nagysága és iránya az idő függvényében változik. A levegőben levő monomer vízmolekulák és vízmolekula-csomók mint a keverék szerves részei követik ezt a mozgást. Ettől függetlenül azonban mint később látni fogjuk egy felfelé mutató saját mozgást is igyekeznek végezni. Ilyenformán beszélhetünk a pára saját mozgásáról és kényszerimozgásáról. A pára mozgása tehát a térben egy összetett mozgás. A gyakorlatban előforduló esetökben szinte kivétel nélkül a pára mozgása, valamilyen — a turbulens vízmozgáshoz hasonló — áramló mozgás. Éppen ezért nehézségekbe ütközött mind ez ideig a párolgással kapcsolatban a pára mozgásának jellegét meghatározni, illetve matematikai úton jellemezni. A párolgással kapcsolatos kísérleti mérések ilyenirányú vonatkozásban a múltban csak a szabadban folytak, ahol a különböző fizikai tényezők, így a légmozgás is állandóan változtak. Nemrég sikerült laboratóriumi méretekben egy légmozgástól mentes légteret előállítani, amikor is az öszszes egyéb — a bevezetésben említett — fizikai tényezők változatlanak voltak. Ugyanakkor pedig egy laboratóriumi célokra szerkesztett nagy pontosságú mérőberendezéssel (1) lehetségessé vált a párolgásnak ilyen leegyszerűsített fizikai körülmények közötti megfigyelése és mérése is. Ebben a légmozgástól mentes térben — midőn az egyéb fizikai tényezőket konstans értéken tartották — feltételezték, hogy a pára mozgása a levegőben valamilyen módon jellemezhető lesz. A részletes vizsgálatok kimutatták, hogy ebben a speciális légtérben a monomer vízmolekulák és a vízmolekulacsomók mozgásuk folyamán kielégítik a kontinuitás elvét (2), (4). Ezzel bebizonyítottnak tekinthető, hogy az ilyen térben lejátszódó mozgás a monomer vízmolekulák és a vízmolekula-csomók lamináris áramlása. A vízmolekulacsomóra ható erők Az áramló mozgás felismerésével egyidejűleg érdemesnek látszik behatóbban megvizsgálni a mozgást előidéző tényezőket, illetve a mozgás fenntartásának feltételeit. A mozgást előidéző tényezők ismeretéhez elsősorban a vízmolekula-csomókra ható erők meghatározása szükséges. A következőkben a diszkrét vízmolekulát mint egyetlen egy alkotóból álló vízmolekula-csomót fogjuk fel. Az áramlás általános értelemben véve az elemi részecskék tömegének mozgása meghatározott irányban bizonyos sebességgel. Párolgás esetén ezek az elemi részecskék a vízmoleikula-csomók. Mozgásukat a vízmolekula-csomókra ható erők iránya és nagysága szabja meg. Mivel a megvizsgálni kívánt elemi rész egy vagy több vízmolekulából áll, ezért feltételezhető, hogy nemcsak külső, de belső erők is hatnak rá. Belső erők Ahhoz, hogy a vízmolekula-csomókat alkotó diszkrét vízmolekulák egymás meilett maradjanak, kell, hogy ezeket a molekulákat valami egymáshoz kösse, összetartsa. Eddigi fizikai alapismereteink szerint a diszkrét vízmolekulákat elektromos vagy más eredetű erőkből (Van der Vaals-féle erő) származó kohéziós erő (molekuláris vonzás) tartja össze. A molekuláris vonzás fékezi a diszkrét vízmolekulák önnáló szabad mozgását, s a molekulák egymástól való távolságának növekedésével ez a vonzás csökken. A belső egyensúlyban levő vízmolekula-csomónál ezek eredője zérus kell hogy legyen. 42
