Hidrológiai tájékoztató, 1980

2. szám, október - Thoma Frigyes: A pára mozgása és a mozgást előidéző erők

A pára mozgása és a mozgást előidéző erők* THOMA FRIGYES Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Központ Bevezetés A Hidrológiai Tájékoztató 1974. évi számában először adtunk közre olyan önálló egészet képező tanulmányt, mely a párolgás folyamán a víz felszínéről felszabaduló pára tulajdonságaira, s az ezzel kapcsolatos alapfogalmakra vonatkozott (1). Ebben a lehetőség keretein belül a páramolekulának, mint a pára legkisebb elemi részének lényeges tulajdonságaira vonatkozó eddigi fizikai ismerteinket foglaltuk össze. Többek között rámutattunk arra is, hogy a páramolekulák mozgása a szabadban rendszerint egy összetett, turbulens mozgás, melyre vonatkozóan az irodalomban kevés adatot találunk. Ilyen irányú kutatásunk és kísérleti méréseink eredményéről 2 évvel később (2) számoltunk be. Ennek eredményeként a párahullám sebessége és a párolgó vízfelszín hőfoka közötti összefüggést sikerült ábrázolnunk fix paraméterek (R o/o, Ti

e

v C°, H hg mm) esetén. A hivatkozott (1) tanulmány második felében a szokásostól eltérően, némileg újabb felfogásban elemeztük a párámolekulára ható különböző erőket, valamint ezen erők nagyságának változásából folyó — azok következményeként beálló határeseteket. Mostani tanulmányunk célja a páramolekulák mozgását létrehozó erők részletesebb számbavétele, valamint a páramolekula saját és közvetett mozgásának elemzése. Az előbbiekben körvonalazott újabb szempontok szerint összeállított fejtegetéseink folyamán a hivatkozott korábbi tanulmányok (1, 2) ismeretét feltételezzük. A pára mozgása A pára atmoszféránkban lejátszódó mozgása egy igen komplex, térben és időben változó, több tényezőtől függő mozgás. E bonyolult mozgás törvényszerűségeinek megismeréséhez elsősorban ismernünk kell a levegő, valamint a pára mozgását előidéző erőket. A mozgásösszetevők — mint az eredő mozgás részei — általában akkor tisztázottak, ha ismeretesek és definiálni tudjuk azok jellemzőit. Földünk atmoszférájában a levegő, s a benne levő pára, mint gázkeverék egy térbeli turbulens mozgást végez. Feltételezzük, hogy a pára mozgása, amellyel jelen tanulmányunkban foglalkozunk, az atmoszférának csak egy körülhatárolt tartományában játszódik le, amelynek határai a párolgó felület (vízfelszín, talajfelszín, növényzet felülete), és a kondenzáció határrétege (1. ábra). Vizsgálatainkat tehát az atmoszférának e két határrétege között (telítetlen térben) történő mozgásra (páramolekula mozgásra) korlátozzuk. Ha a párát tartalmazó levegőből kiemelten csak a páramolekulák mozgását vizsgáljuk — amely a páramolekula kinematikájával egyértelmű feladat — akkor azt tapasztaljuk, hogy ez egy közvetlen, másképpen ún. saját (Brown-mozgás, molekuláris diffúzió) és egy szél erő okozta közvetett mozgásból álló összetett mozgás. Mindkét fajta mozgás (közvetett és közvetlen) a térben játszódik le, s helytől és időtől függ. A páramolekula elmozdulása részben az ún. saját mozgásból és részben a légnyomáskülönbség hatására bekövetkező ún. közvetett mozgásból tevődik össze. A következőkben a páramolekulának a mozgását próbáljuk a mozgást előidéző erők irányába eső összetevőire bontani és minden egyes összetevőt külön-külön analizálni. Az egyszerűség kedvéért síkbeli mozgást tetelezünk fel. • Jelen tanulmánynak tárgya nem képezte a szerző hivatali feladatát. A cikk tartalma a szerző egyéni érdeklődése nyomán végzett kutatás eredménye. (Szerk.) Kondenzáció a telítettség állapotában i [Felső határrétegJ Paramole'kulák mozgástartománya l'l I I , Paramolekulák I I Vízfelszín Párolgás a víz felszínen [Alsó határrétegJ 1. ábra. A páramolekulák mozgástartományának igen leegyszerűsített ábrázolása A páramolekula összetett mozgása A páramolekulák mozgásának elemzésekor abból a tényből indulunk ki, hogy maguk a páramolekulák egy közegben a levegőben, a szabad térben eloszolva vannak jelen, mint a folyadék a folyadékban. Saját nyomásukkal, a páranyomással, a levegő nyomását növelik meg. Egyensúlyban levő levegőben a légnyomás a vízszintes tér minden pontjában közel azonos s párolgáskor a páramolekulák ebbe az egyensúlyban levő levegőbe jutnak. Az atmoszféra különböző pontjaiban azonban a légnyomás értékei a vízszintes síkban nem egyformák. A fennálló labilis helyzetet a természet önmaga igyekszik korrigálni. Az egyensúlyra való törekvés abból áll, hogy a nagyob'b nyomású hely felől a páramolekulákat is tartalmazó levegő a kisebb nyomású hely felé mozdul el. Ezt a légmozgást nevezzük szélnek. Hatására a páramolekulák is a széllel azonos sebességgel mozognak. A szél tehát a páramolekulák helyzetváltozását tekintve, azok közvetett mozgását idézik elő. Fentiek előrebocsátása után vegyük szemügyre a tér valamely pontjában a szél és a páramolekula saját mozgása által bekövetkező elmozdulást (2. ábra). Kövessük nyomon az atmoszférában levő — a kiragadott légtérben — az „M" jelű páramolekulának a mozgását. Jelen esetben az egyszerűség céljából síkbeli mozgást tételezünk fel. Az előbb említett síkban a páramolekulára két erővektor hat. Ezek hozzák létre a mozgást. Az egyiket a páramolekula saját mozgásának nevezzük (molekuláris Kiragadott légtér / / ^ / / 7* / "M„ jelű / / y -r paramolekula 2. ábra. Az „M" jelű páramolekula összetett mozgása és az előidéző erők sematikusan ábrázolva szél okozta közvetett elmozXo = saját elmozdulás; X™ dúlás; X = eredő elmozdulás 14