Hidrológiai tájékoztató, 1974

Thoma Frigyes: A párolgáskor keletkező vízgőz elemi részeinek tulajdonsága

sí V A 3 vizmolekulából ^ alkotott vizmolekulacsomó G S R 5. ábra. A vízmolekula csomóra ható külső erők, és ezen erők eredője nyugalmi állapotban levő légtér esetén G = önsúly, A = felhajtó erő, S = súrlódó erő R = eredő erő Külső erők A vízmolekula-csomó a párolgás folyamán a levegőbe, tehát egy nálánál nagyobb fajsúlyú közegbe jut. A víz molekulasúlya 18,016; a levegő molekulasúlya pedig 28,600. A levegő molekulasúlyánál ikisebb molekulasúlyú gázok felfelé, a nagyobb molekulasúlyú gázok lefelé mozognak a levegőben. Tételezzük fel, hogy a vízmolekula-csomók a levegőben mint képzeletbeli folyadékban mozgó elemi részecskék. Olyan gáznemű H^O alkotta buborékoknak tekintjük a vízmolekula-csomókat, amelyek a meleg levegővel vagy héliummal töltött léggömbhöz hasonlóan, a levegőben felfelé mozognak. Ez esetben alkalmazható Archimedes törvénye, vagyis a molekulacsomóra egy olyan felhajtó erő működik (5. ábra), melynek nagysága (A), a térfogatának (V) és a levegő fajsúlyának (yt) szorzatával egyenlő, vagyis A ' y

iV (3) A felhajtó erő irányával ellentétesen a vízmolekulacsomóra egy függőleges irányú lefelé ható erő működik, mely egyenlő a vízmolekulacsomó önsúlyával, azaz G = yvV (4) ahol y

v jelenti a vízmolekula fajsúlyát. Mivel azonban ez kisebb mint a vízmolekula-csomóval megegyező térfogatú levegő súlya, azért a vízmolekula-csomó légmozgástól mentes térben függőlegesen felfelé mozog. A felhajtó erővel ellentétes irányban működik egy harmadik erő. Ez a levegőben a vízmolekula-csomók mozgásakor fellépő súrlódás. A levegő és a vízgőzkeverék tulajdonságát tekintve ugyanis molekuláris szerkezetű. A vízgőz a teret nem tölti ki folyamatosan. A vízgőzzel kevert levegő összenyomható, viszkózus, tehát nem súrlódásmentes. A súrlódás a levegő nitrogén és oxigén molekuláinak és a diszkrét vízmolekuláknak, valamint vízmolekula-csomóknak mozgás közbeni egymásba ütközéséből keletkezik. A súrlódás következtében egy „S" fékező erő lép fel. Nagyságára nézve erre az ütközési-fékezőerőre az alábbi összefüggés áll fenn, S = m du dy (5) A vízmolckulacsomók mozgásállapota A vízmolekula-csomók mozgásállapotát nyugalomban levő levegőben vizsgáljuk a jelenség világosabbá tétele érdekében. A vízmolekula-csomók nyugalomban levő levegőben bizonyos feltételek mellett helyzetüket megváltoztatják. Ez a helyzetváltozás — térbeli mozgás — a levegőnek mint gáznak fizikai jellemzőitől függ. A két tényező, amelyeknek nagysága a vízmolekula-csomók térbeli mozgását szabályozza, a levegő hőmérséklete és a levegő relatív páratartalma másnéven páranyomása. Jelöljük egy adott „t" C° hőmérsékleten a vizsgált levegő relatív páratartalmát „Pi"-gyel, s ugyanezen hőmérséklethez tartozó telített levegő relatív páratartalmát „pV'-vel. A levegőben jelen levő vízmolekula-csomók mozgásállapota minden esetben a Pi és Pj értékek viszonylagos nagyságától függ. Ennek alapján három állapot különböztethető meg. Ezeket a legjellegzetesebb állapotokat a 2. táblázatban tüntettük fel. A vízmolekula-csomók három különböző mozgásállapotának vizsgálata során a szemléletesség kedvéért a vízmolekula-csomóra ható külső erők nagyságait elemezzük. A mozgásállapotot ugyanis a külső erők egymáshoz viszonyított nagyságai determinálják. Ezek a külső erők az előbbiekben meghatározott önsúly (G), felhajtóerő (A) és súrlódóerő (S). A továbbiakban feltételezzük, hogy az a közeg, amelyben a vízmolekula-csomók mozognak, nyugalomban levő, állandó hőmérsékletű légtér. A vízmolekula-csomók áramlási sebessége az áramlást előidéző erő nagyságától függő változó mennyiség. Előzetes kísérleteink szerint azt már megállapíthatjuk, hogy a vízmolekula-csomók sebességének értéke néhány cm sec nagyságrend körüli. A pontosabb sebességi értékekről, valamint a sebességnek a környezet fizikai jellemzőivel való összefüggéséről esetleg egy következő cikkben számolunk be. A vízmolekula-csomók áramlása telítetlen levegőben Amíg a levegő relatív páratartalma nem éri el a 100" „-ót, azaz a telítettséget, addig a benne levő vízmolekula-csomók páranyomása (Pi) kisebb mint az ugyanazon hőmérséklethez tartozó telített levegő (például a párolgó vízfelszín közelében levő páratelt légréteg) páranyomása (p

2), azaz Pi < Pi A p = p> — Pi páranyomás különbség a vízmolekulacsomók áramlásának alapfeltétele. Enélkül nincs mozgás. A vízmolekula-csomók mindig a nagyobb páranyomással rendelkező helyről a kisebb páranyomású hely felé — a nyugalomban levő vagy mozgó légtömegen belül mintegy másodlagos mozgásként — áramlanak. Egy-egy vízmolekula-csomó áramlását előidéző erő nagysága (R) arányos a páranyomás-differencia nagyságával, általában R = f (p

2 —p,) Az előző fejezetben tárgyalt külső erők felhasználásával felírható a vízmolekula-csomóra ható eredő erő (R) nagysága. Végeredményben ez az R = A — G — S (6) 2. táblázat A vízmolekula-csomók mozgásállapota ahol — S jelenti a belső súrlódás okozta fékező erőt, >! a belső súrlódási együtthatót, mely a hőmérséklet < emelkedésével növekszik, q az egymáshoz képest elmozduló felületet, du az elmozdulási sebességet, dy az elmozduló rétegek egymástól való távolságát. Relatív páratartalom viszonyok A vízimolekula-csomők mozgásállapota A fizikai jelenség megnevezése Pl < P2 Felfelé áramlás Párolgás Pi = Pi Nyugalmi állapot (Külső erők egyensúlya) Telítettség Pi ^ Pi Cseppképződés után szabadesés Kicsapódás 43